Struttura del touchscreen capacitivo proiettivo
I tipici sensori capacitivi proiettivi sono montati sotto coperture in vetro o plastica. La Figura 1 mostra una vista laterale semplificata di un sensore a doppio strato. Gli elettrodi dell'emettitore (Tx) e del ricevitore (Rx) sono collegati all'ossido di indio-stagno trasparente (ITO) per formare una matrice incrociata. Ogni nodo Tx-Rx ha una capacità caratteristica. Tx ITO si trova sotto Rx ITO ed è separato da uno strato di film polimerico o adesivo ottico (OCA). Come mostrato nella figura, la direzione dell'elettrodo Tx è da sinistra a destra e la direzione dell'elettrodo Rx è dall'esterno verso l'interno.
Principio di funzionamento del sensore
Analizziamo il lavoro del touchscreen senza considerare il fattore di interferenza per il momento: il dito dell'operatore è etichettato come geopotenziale. Rx viene mantenuto nel potenziale di terra attraverso il circuito del controller del touchscreen, mentre la tensione Tx è variabile. La variazione della tensione Tx fa passare la corrente attraverso il condensatore Tx-Rx. Un circuito integrato Rx attentamente bilanciato isola e misura le cariche che entrano in Rx. Le cariche misurate rappresentano la "capacità reciproca" che collega Tx e Rx.
Stato del sensore: intatto
La Figura 2 mostra un diagramma schematico della linea magnetica nello stato intatto. In assenza di contatto con le dita, le linee magnetiche Tx-Rx occupano uno spazio considerevole nella copertura. Il termine "capacità proiettiva" deriva dal fatto che le linee magnetiche del bordo sono proiettate all'esterno della struttura dell'elettrodo.
Stato del sensore: toccare
Quando il dito tocca il coperchio, si formano delle linee magnetiche tra il Tx e il dito, che sostituiscono un gran numero di campi magnetici del bordo Tx-Rx, come mostrato nella Figura 3. In questo modo, il tocco del dito riduce la capacità reciproca Tx-Rx. Il circuito di misurazione della carica riconosce la capacità variabile (Delta C) e rileva il dito sopra la giunzione Tx-Rx. Misurando tutte le intersezioni della matrice Tx-Rx con Delta C, è possibile ottenere la distribuzione touch dell'intero pannello.
La Figura 3 mostra anche un altro importante effetto: accoppiamento capacitivo tra le dita e gli elettrodi Rx. Attraverso questo percorso, l'interferenza elettrica può essere accoppiata a Rx. È inevitabile un certo grado di accoppiamento dito-Rx.
Terminologia speciale
L'interferenza del touchscreen capacitivo proiettivo è generata dall'insensibile accoppiamento del percorso parassitario. Il termine "terra" viene generalmente utilizzato per indicare un nodo di riferimento in un circuito CC o una connessione a terra a bassa impedenza: non sono gli stessi termini. In effetti, per i dispositivi touchscreen portatili, questa differenza è la causa principale dell'interferenza dell'accoppiamento touch. Per chiarire ed evitare confusione, utilizziamo i seguenti termini per valutare l'interferenza del touchscreen.
Terra: collegare a terra, ad esempio, attraverso il filo di terra di una presa di corrente CA a tre fori. Terra distribuita: connessione di capacità tra oggetti e terra.
DC Ground: nodo di riferimento DC per dispositivi portatili.
Alimentazione CC: tensione della batteria per dispositivi portatili. Oppure la tensione di uscita di un caricabatterie collegato a un dispositivo portatile, ad esempio un Vbus da 5 V in un caricabatterie con interfaccia USB.
DC VCC (alimentatore DC VCC): un alimentatore di tensione stabile per dispositivi elettronici portatili (inclusi controller LCD e touchscreen).
Neutro: circuito di alimentazione CA (geopotenziale nominale).
Caldo: tensione di alimentazione CA, la linea zero relativa applica energia elettrica.
Vcom LCD accoppiato al circuito di ricezione del touchscreen
Il touchscreen del dispositivo portatile può essere installato direttamente sullo schermo LCD. In una tipica architettura LCD, i materiali a cristalli liquidi sono polarizzati da elettrodi superiori e inferiori trasparenti. Gli elettrodi inferiori determinano il numero di singoli pixel dello schermo; gli elettrodi comuni superiori sono il piano continuo che copre l'intera parte frontale visiva dello schermo del display, che è polarizzato dalla tensione Vcom. In un tipico dispositivo portatile a bassa tensione (come un telefono cellulare), la tensione CA VCOM è un'onda quadra che oscilla avanti e indietro tra DC e 3.3V. Il livello di Vcom CA viene in genere commutato una volta per riga di display, quindi la frequenza di Vcom CA generata è 1/2 del prodotto della frequenza di aggiornamento del frame del display e del numero di righe. Un tipico dispositivo portatile può avere una frequenza Vcom CA di 15 kHz. La Figura 4 illustra la tensione Vcom LCD accoppiata al touchscreen.
Il touchscreen a due strati è costituito da uno strato ITO separato coperto da array Tx e Rx, separati da uno strato dielettrico. Le linee Tx occupano l'intera larghezza della spaziatura dell'array Tx e solo la distanza minima richiesta per la fabbricazione è separata tra le linee. Questa architettura si chiama auto-schermatura perché Tx array protegge gli array Rx da LCD Vcom. Tuttavia, l'accoppiamento può ancora verificarsi attraverso l'interspazio delle bande Tx.
Al fine di ridurre i costi dell'architettura e ottenere una migliore trasparenza, il touchscreen a singolo strato installa array Tx e Rx su un singolo strato ITO e collega gli array attraverso ponti separati a turno. Pertanto, l'array Tx non può formare uno strato di schermatura tra il piano Vcom LCD e l'elettrodo Rx del sensore. Ciò può comportare gravi accoppiamenti alle interferenze Vcom.
Interferenza del caricatore
Un'altra potenziale fonte di interferenze sul touchscreen è l'alimentatore a commutazione per caricabatterie alimentati da telefoni cellulari. L'interferenza è accoppiata al touchscreen attraverso le dita, come mostrato nella Figura 5. Il caricabatterie per telefoni cellulari di solito ha un'alimentazione CA e l'ingresso zero, ma nessuna connessione a terra. Il caricabatterie è isolato in modo sicuro, quindi non esiste una connessione in corrente continua tra l'ingresso di alimentazione e la bobina secondaria del caricabatterie. Tuttavia, ciò genera ancora un accoppiamento capacitivo attraverso il trasformatore di isolamento dell'alimentazione di commutazione. Il caricabatterie interferisce con il percorso di ritorno toccando lo schermo con un dito.
Nota: in questo caso, l'interferenza del caricabatterie si riferisce alla tensione applicata del dispositivo rispetto alla terra. Questo tipo di interferenza può essere descritta come interferenza di "modo comune" a causa della sua equivalenza tra alimentazione CC e terra CC. Se il rumore di commutazione tra l'alimentatore CC e la terra CC non viene adeguatamente filtrato, potrebbe influire sul normale funzionamento del touchscreen. Questo problema del rapporto di reiezione dell'alimentazione (PSRR) è un altro problema, che non verrà discusso in questo documento.
Impedenza di accoppiamento del caricatore
L'interferenza di commutazione del caricatore è generata dall'accoppiamento della capacità di dispersione (circa 20pF) degli avvolgimenti primario e secondario del trasformatore. Questo debole accoppiamento capacitivo può essere compensato da condensatori shunt parassiti nell'area relativamente distribuita dei cavi del caricatore e dai dispositivi di ricezione stessi. Quando il dispositivo viene prelevato, la capacità parallela aumenterà, il che di solito è sufficiente per eliminare l'interferenza di commutazione del caricatore ed evitare interferenze che incidono sul funzionamento a tocco. Quando il dispositivo portatile è collegato al caricabatterie e posizionato sul desktop e il dito dell'operatore tocca solo il touchscreen, si verificherà un'interferenza nel caso peggiore da parte del caricabatterie.
Commutazione del componente di interferenza del caricatore
Il tipico caricabatterie per telefoni cellulari utilizza la topologia del circuito flyback. Le forme d'onda di interferenza generate dal caricabatterie sono complesse e variano notevolmente con il caricabatterie. Dipende dai dettagli del circuito e dalla strategia di controllo della tensione di uscita. Anche l'ampiezza dell'interferenza varia notevolmente, a seconda dello sforzo di progettazione e del costo unitario del produttore sulla schermatura del trasformatore di commutazione. I parametri tipici includono: forma d'onda: tra cui onda quadra PWM complessa e forma d'onda che squilla LC. Frequenza: 40 ~ 150 kHz con carico nominale, quando il carico è molto leggero, la frequenza degli impulsi o l'operazione del ciclo di salto scendono al di sotto di 2 kHz. Tensione: fino alla metà della tensione di picco dell'alimentatore = Vrms / 2.
Componente di disturbo dell'alimentatore del caricatore
All'estremità anteriore del caricatore, il raddrizzatore di tensione di alimentazione CA genera la guida ad alta tensione del caricatore. In questo modo, il componente della tensione di commutazione del caricatore viene sovrapposto a un'onda sinusoidale metà della tensione di alimentazione. Simile al disturbo di commutazione, la tensione di alimentazione è accoppiata da un trasformatore di isolamento di commutazione. A 50Hz o 60Hz, la frequenza di questo componente è molto più bassa della frequenza di commutazione, quindi la sua impedenza di accoppiamento effettiva è corrispondentemente più alta. La gravità dell'interferenza della tensione di alimentazione dipende dalle caratteristiche dell'impedenza parallela a terra e dalla sensibilità del controller del touchscreen alle basse frequenze.
Caso particolare di disturbo dell'alimentazione: spina a 3 fori senza messa a terra Gli adattatori di alimentazione con potenza nominale più elevata (come gli adattatori CA per laptop) possono essere dotati di spine di alimentazione CA a 3 fori. Per sopprimere l'IME di uscita, il caricabatterie può collegare internamente il pin di terra dell'alimentazione principale alla terra CC dell'uscita. Questo tipo di caricatore di solito collega il condensatore a Y tra la linea di fuoco e la linea zero e la terra, sopprimendo così la EMI di conduzione dalla linea di alimentazione. Supponendo che la connessione esista intenzionalmente, tali adattatori non interferiranno con i dispositivi touchscreen portatili alimentati da PC e connessioni USB. Il wireframe tratteggiato nella Figura 5 illustra questa configurazione. Per PC e dispositivi touchscreen portatili collegati tramite USB, se un caricatore per PC con ingresso di alimentazione a tre fori è inserito in una presa di corrente non collegata, si verificherà un caso speciale di interferenza del caricatore. Il condensatore Y accoppia l'alimentazione CA all'uscita CC. Una capacità Y relativamente grande può accoppiare efficacemente la tensione di alimentazione, il che rende la tensione di frequenza di alimentazione più grande accoppiata attraverso il dito sul touchscreen con un'impedenza relativamente bassa. Sommario di questo articolo Al giorno d'oggi, il touchscreen capacitivo proiettivo ampiamente utilizzato nei dispositivi portatili è vulnerabile alle interferenze elettromagnetiche. La tensione di interferenza dall'interno o dall'esterno sarà accoppiata al dispositivo touchscreen attraverso la capacità. Queste tensioni di interferenza possono causare un movimento di carica sul touchscreen, che può confondere la misurazione del movimento di carica quando il dito tocca lo schermo. Pertanto, la progettazione e l'ottimizzazione efficaci del sistema touchscreen dipendono dal riconoscimento del percorso di accoppiamento dell'interferenza e dalla riduzione o compensazione il più possibile. Il percorso di accoppiamento delle interferenze comporta effetti parassiti, come la capacità di avvolgimento del trasformatore e la capacità del dispositivo a dito. La modellazione di questi impatti in modo appropriato può riconoscere pienamente l'origine e la dimensione dell'interferenza. Per molti dispositivi portatili, i caricabatterie costituiscono la principale fonte di interferenza per i touchscreen. Quando il dito dell'operatore tocca il touchscreen, la capacità risultante provoca l'interruzione del caricabatterie con il circuito di accoppiamento. La qualità del design di schermatura all'interno del caricabatterie e il corretto design di messa a terra del caricabatterie sono i fattori chiave che influenzano l'accoppiamento delle interferenze del caricabatterie.
