Touch 電容式觸控按鍵 觸控按鍵PCB設計參考
電容式觸控按鍵設計應用參考
電容式觸控按鍵美觀時尚，與傳統的機械按鍵相比，具有壽命長、功耗小、成本低、體積小、持久耐用等優點，只要輕輕觸碰就可實現開關控制、量化調節甚至是方向控制，顛覆了傳統意義上的機械按鍵。現在電容式觸控按鍵已經廣泛應用於手機、洗衣機和電視遙控器等一系列消費類電子產品中。
1. 觸控按鍵原理
1.1RC充放電電路
在模擬和脈衝數字電路中，經常涉及到RC電路，根據電阻R和電容C的取值不同、輸入輸出關係以及處理的波形之間的關係產生了具有不同功能的RC電路，如：微分電路、積分電路、濾波電路等。RC充放電電路如下圖所示：
圖1.1 RC充放電電路
當開關K處於斷開狀態時，電容C兩端的電壓等於零；當開關K閉合時，壓降V1通過電阻R向電容C充電，在電路接通的瞬間，電容C上的電壓 ，充電電流最大值等於 。隨著電容C兩極上電荷的累積， 逐漸增大，電阻R上的電壓 ，充電電流 /R。隨著時間的增加，電流逐漸減小， 逐漸增大，直至 、 （理想狀態）充電過程結束。
RC電路充電公式為：
由上述公式可知：
（1）電容C電量充滿需要無窮大的時間，因為指數值只會無限接近於0。當 時， ；當 時， ，一般情況下，經過3~5個RC後，充電過程結束。
（2）在同等的條件下，電容C越大，充電達到某個臨界值的時間越長。
圖1.2不同電容值電壓 隨時間變化
1.2 電容形成
在任何兩個導電的物體之間都存在電容，電容的大小與介質的導電性質、極板的大小及極板周圍是否存在導電物質等有關。PCB上大面積的焊盤（觸控按鍵）與附近的地構成分佈電容 。由於人體電容的存在，當手指觸控按鍵後，人體電容並上分佈電容，使得總電容增加，引起的電容變化 。觸控電容 變化如圖1.3所示。
圖1.3觸控電容 變化圖
1.3 觸控按鍵檢測
觸控感應盤和微控制器引腳形成一個不斷充放電的RC電路，如果沒有觸控按鍵，RC電路有一個固定的充放電週期；如果手指觸控按鍵後，那麼等效電容 增加，充放電週期就變長，頻率則相應降低。
一般採用以下兩種方式判斷電容按鍵是否按下：
（1）相同的充電時間，通過微控制器內部AD採集觸控通道的電壓值，與未按下時的值作差，再根據定義的閾值識別按鍵按下與抬起，如CH549、CH579系列。
（2）微控制器內部採集固定時間段的脈衝個數，與未按下時的個數作差，然後根據定於的閾值識別按鍵的按下與抬起，如CH554系列。
2. PCB常規設計指南
在PCB中，很多硬體元器件如電容、電阻、LED、連線頭等都會增加觸控按鍵的寄生電容，即使是無關的走線也有可能與感應元件產生耦合，從而降低觸控按鍵的靈敏度。因此在設計PCB時必須仔細檢查和優化整個佈局走線。
2.1 按鍵的形狀與尺寸
2.1.1形狀
如圖2.1所示，任何形狀都可用於觸控按鍵在PCB上的設計，並不影響觸控的效能，僅於板子的美觀程度有關。
圖2.1按鍵形狀
2.1.2尺寸
通常情況下，按鍵感應盤越大，與手指接觸的面積越大，相應的也會顯著提升 。推薦面積應儘量接近手指接觸按鍵的有效面積。較小的按鍵也可以工作，但會降低一定的靈敏度。同時，按鍵感應盤的面積增大到一定程度後，接著增加面積幾乎不能帶來靈敏度的提升，反而容易受到干擾降低靈敏度。
表1觸控按鍵的感應盤尺寸和等效電容參考
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感應盤形狀 |
最小尺寸 |
典型尺寸 |
最大尺寸 |
等效電容（參考值） |
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圓形（直徑） |
4mm |
10mm |
25mm |
4 ~ 6pF |
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四邊形 |
4mm * 4mm |
10mm * 10mm |
25mm * 25 mm |
4 ~ 6pF |
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八邊形 |
4mm * 4mm |
10mm * 10mm |
25mm * 25 mm |
4 ~ 8pF |
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滑動條 |
8mm * 8mm |
12mm * 12mm |
25mm * 25 mm |
6 ~ 8pF（單個） |
2.2 佈局與走線
2.2.1佈局參考
觸控按鍵既可完成普通的獨立按鍵，也可通過相應的佈局形成滑動條或圓盤滾輪觸控，如圖2.2所示。一般情況下，按鍵都是相互鄰近的，如果間距太小，容易一次觸發多個按鍵，推薦間距要大於4mm，同時可根據感應盤的大小適當增加一些間距。
圖2.2按鍵佈局設計
2.2.2走線設計
觸控按鍵與處理器之間的走線的長度會增加並聯電容，從而降低觸控檢測的靈敏度。通常在走線時應注意以下幾個方面。
（1）長度
走線時應儘量縮短觸控按鍵至處理器的長度，以降低元件與走線產生耦合的風險。建議走線長度小於100mm。
（2）寬度
走線的寬度同樣也會增加觸控按鍵的感應電容，同時也會增大與其他元件的耦合。因此設計時，走線寬度應為制板工藝的最小線寬，通常情況下，雙面板儘量採用5~8mil的線寬，單面板採用10~15mil的線寬。
（3）避免與其他訊號線平行
觸控按鍵的走線禁止靠近如IIC或SPI等通訊線，因為通訊線的頻率會影響觸控按鍵的效能。如果必須要靠近通訊線時，應將兩者放置在不同層，並保證垂直交叉或有一定的間隔。同時相鄰按鍵之間的走線間距至少應在1mm以上。
圖2.3通訊線走線正誤參考
（4）鋪地
觸控按鍵感應盤底層正下方不鋪地，頂層如果需要鋪地隔離時，一般採用網路鋪地，同時觸控感應盤和其引線與GND的距離要保證大於3mm。
2.3電源
觸控檢測是通過測量電容的微小變化，要求電源的紋波和噪聲要小，同時注意避免由電源串入的外界強幹擾。尤其是應用於電磁爐、微波爐時，必須能有效的隔離外部干擾及電壓突變，因此對電源的穩定性有較高的要求。