触摸感应按键设计指南
触摸感应按键设计
一、触摸按键的原理
两块导体（极板）中间夹着一块绝缘体（介质）就能构成的电容。对触摸感应按键而言，PCB 板上的金属感应盘就是电容的一个极板，而周围铺铜或手指构成了另一个极板，PCB 材料本身或者PCB 板上覆盖的介质就是电容中间的绝缘体，因而构成一个电容器。
平板电容器的容值计算公式为：
其中：
C ：PCB 板最终生成电容
ε0：空气中的介电常数
εr ：两极板间介质的相对介电常数
A ：两极板面积
d ：两极板距离
无手指触摸和有手指触摸时电容构成如下图。当没有手指接触时，只有基准电容Cp ；当有手指接触时，“按键”通过手指就形成了电容Cf 。由于两个电容是并联的，所以手指接触“按键”前后，总电容的变化率为：
C%=((Cp+Cf)-Cp)/Cp=Cf/Cp
无手指触摸示意图
有手指触摸示意图
这个电容的变化引起芯片内部振荡频率或充放电时间的变化，使芯片内部能够检测到触摸发生，从而产生触发信号。电容的变化率越大，触摸就越易检测到。PCB的设计原则同样也是使触摸前后的电容变化率尽可能大：即减小PCB 的基准电容，增大手指电容。所以PCB 设计对触摸效果有很大的影响，甚至决定整个触摸产品的开发。
二、PCB设计考虑
1、PCB 设计关键点
a、触摸模块单独做成一块PCB 板（强烈建议）
b、抑制干扰
c、减小触摸PCB 的基准电容
2、减小PCB 的基准电容：
上面提到的平板电容器的容值计算公式为：
为使基准电容量尽可能小，主要控制极板面积和极板距离。极板面积主要体现在触摸盘的大小、铺地的比例、感应走线的长度、宽度上，极板距离主要体现在触摸盘、感应走线与铺地的间距上。
3、触摸按键的形式、间距和铺地考虑
a、触摸按键形状
触摸按键可以是任何形状，但尽量集中在正方形、长方形、圆形等比较规则的形状以确保良好
的触摸效果，避免将触摸按键设计成窄长的形状（规则的形状的触摸效果要比不规则的好得多）。
b、单个触摸按键
顶层（TOP）铺地形式：可以铺实地或网格地，
如图。
顶层（TOP）铺地间距：需离感应盘1mm 以上的距离，详见如下表。触摸盘大小
10mm*10mm及以下
10mm*10mm~15mm*15mm
15mm*15mm~20mm*20mm
20mm*20mm~2.5mm*2.5mm1mm 1.2mm 以上1.7mm 以上2.2mm 以上
触摸盘大小与间距d1的关系d1
C 、按键底层铺地技巧
底层（BOTTOM）铺地形式：一般使用网格地，网格中铜的面积不超过网格总面积的30%。建议网格线宽0.25mm , 网格大小为1mm*1mm，如图：
底层按键感应盘正下方铺网格铜
底层（BOTTOM）不铺地一定程度提高灵敏度，但要注意的是按键感应盘正下方不能有其他电路板或金属
底层按键感应盘正下方不铺地
d、其它铺地注意事项
不要在信号线附近保留死铜，避免意外的干扰。
触摸盘距离PCB 板边沿保持5mm 以上的距离，在带有金属的外壳要保持在1cm 以上距离。需要注意的是，铺地比例增加虽在一定程度上增加了PCB 的基准电容，降低了触摸灵敏度，但同时提高了抗干扰能力，所以建议在保证灵敏度的情况下加大铺地的比例。
三、触摸芯片、触摸盘布局考虑
触摸芯片和触摸盘应放置在同一块PCB 板上，在PCB 板空间允许的情况下，应尽量将触摸芯
片放置在触摸板的中间位置，使触摸芯片的每个感应通道的引脚到感应盘的距离差异最小。
最好的触摸芯片位置
不好的触摸芯片位置
稳压电路和滤波电容与触摸芯片放置在同一块PCB 板上，稳压芯片和滤波电容尽量靠近触摸芯片的电源脚，稳压芯片的地到触摸芯片的地尽量短。
触摸芯片、触摸盘、触摸感应走线1cm 之内不能放置大电流器件，比如充电管理芯片；触摸
盘背面不能放置其他芯片。
触摸感应通道匹配电阻尽量靠近IC 放置，灵敏度调节电容应靠近IC 放置，如图
。
四、感应走线
基本走线原则：保证走线尽量细、到触摸IC
的距离尽量短。
果PCB 工艺允许，感应盘到IC 的连线应尽量细，双面板采用0.12-0.2mm(5-8mil)的线宽，单面板线宽0.2-0.3mm(8-12mil)
。
感应走线与铺地的距离d1至少保持0.75mm 以上，感应走线与感应走线之间的间距保持在0.75mm
以上，感应走线尽量避免与其它感应走线平行，防止触摸之间相互干扰。
感应走线周围1mm 不要走其他信号线，当附近有大电流信号线（＞10mA ）时应保持距离3mm 以上；
当附近有强干扰、高频的信号线时至少间距1cm 并用铺地隔开。
•感应走线距离PCB 板边沿保持3mm 以上的距离，在带有金属的外壳要保持在8mm 以上距离。•双面板走线：感应盘应放在顶层（TOP），安装时紧贴触摸面板；触摸芯片和感应走线应放在背面（BOTTOM），感应走线与顶层触摸盘的过孔应尽量直接放在触摸盘上。
单面板走线，如果采用单面PCB 板，并用弹簧或其它导电物体做感应盘，感应盘到IC 引脚的连线应不走或尽量少走跳线。全部走PCB 底层。
触摸感应芯片的感应通道到滚轮或滑条每个感应单元的连线应尽量长度相近。如需走过孔，则
应尽量使顶层的线段最短。
感应走线其它走线技巧
•感应走线与感应盘的过孔连接有下图两种连接方式，但以左图
的连接方式更好。
不要将感应走线靠近通讯线如I2C 或主SPI，至少间距1mm 。通讯线的频率可影响电容传感器的性能。如果必须将通讯线与传感器引线相交叉，应确保在不同PCB 层并且交叉是垂直相交的。
传感器与通讯线位于同层的处理：
传感器与通讯线不位于同层的处理：
如果时钟、数据或任何周期信号迹线确实需要与传感器的信号迹线平行布设，它们应当被布设在不同的层并且不能重叠，而且应当尽可能地缩短信号迹线平行部分的长度。
五、灵敏度调节方法（以手指轻触外壳表面为最佳灵敏度）
灵敏度电容Cj 容值越大，灵敏度越低，电阻Rs 阻值越大，灵敏度越低；灵敏度电容Cj 为粗调(0~50p），电阻Rs 为微调
(1~10k)，如下图：
触摸感应盘（即触摸感应电极）的面积越大，灵敏度越高，面积大小决定了最高灵敏度，为了保证足够的灵敏度，触摸盘建议一般设计为10mm*10mm以上。
六、介质外壳对穿透力的影响
根据板级电容的计算公式，
我们得出结论：
εr ：两极板间介质的相对介电常数
触摸感应面板的灵敏度与绝缘面板的材质有关，介电常数越大，触摸感应灵敏度越高。
下面列出几种常用材料的相对介电常数，以供设计触摸界面时参考：材料介质常量εr
空气
木质
有机玻璃
Mylar 聚脂薄膜
ABS
丽光板
玻璃（陶瓷）
玻璃（标准）11.2-2.52.83.23.8-4.54.6-4.967.6-8.0
这就不难理解，为什么盖上普通玻璃介质的触摸板要远比盖上相同厚度的亚克力触摸板灵敏度高，为什么在装配产品时，一定要使感应盘与绝缘面板背面紧密贴合不留空气间隙。
•触摸感应面板的灵敏度与介质的厚度有关，同一介质厚度越薄，灵敏度越高，厚度越厚，灵敏度越低。
•触摸感应盘的正上方的介质不能是金属（或具有导电性质的材料），否则触摸无法感应或引起误动作；如附近有金属至少与触摸盘间距1cm 并将金属接地，不然触摸灵敏度不稳定。
七、触摸芯片电源设计考虑（要点是电源稳定）
电源供电布局
触摸模块电路设计时，建议在触摸芯片的电源处预留LDO 的位置，根据实际纹波情况决定是否用LDO。
触摸芯片原理是对电容变化量的一个感应，要求提供稳定的电源给触摸芯片。在整个产品设计中，要充分考虑不同模块的电源配置，在触摸模块电源的设计中，建议单独用LDO 稳压或跟主控共用LDO
稳压。强烈建议不要跟大电流负载共用.如图:
大电流负载常见的有：功放模块、电机、LED 灯珠、继电器、蓝牙无线模块等
电源走线的考虑
•采用星形取电和星形接地
星形取电用一根独立走线从LDO 输出端取电，不要和其他电路共用电源回路。如果做不到完全独立，也应该保证供电的电源线先进入触摸芯片的电源然后再引到其它的电路的电源。星形接地要求触摸芯片的地单独连到电源输入的接地点，这样可以减小其他电路在电源上产生的噪声对触摸芯片的影响。
电源跌落和纹波处理
防系统干扰防较大幅值的高频干扰防电源瞬间跌落
触摸电源处加稳压芯片（LDO）
在稳压芯片选型上选用纹波抑制比高的芯片。选用较低的稳压电压，比如系统电压是5V，触摸芯片可以稳压在3V，有效降低触摸芯片的交流脉冲的幅度。
如图：
实际产品中电源设计的考虑
锂电池供电产品电源考虑
由于锂电池不能过放，一般设有保护电路其关断电压一般为3.0V。如果LDO 选型的是3.0V 与关断电压一致，在实际使用中特别是锂电池电量不足再带负载就会存在瞬间低于3.0V 的情况。此时LDO 就不能用3.0V，而采用2.5V 预留0.5V 以上裕量，这样LDO 一直稳定输出2.5V 。开关电源供电产品电源考虑
开关电源的纹波一般都比较大，有的开关电源初、次级之间没有Y 电容，这样触摸芯片采样的电容与地是一个浮空电场，再加上纹波的影响，造成触摸芯片灵敏度飘移或输出不稳定。所以建议选用有开关电源芯片设计的开关电源，纹波频率成分比较干净，在开关电源变压器初、次级之间跨接一个Y 电容，再经LDO 稳压输出给触摸芯片供电。
其他电源考虑
触摸芯片输出与主控电平匹配问题。当主控的电源电压比触摸芯片的高时，通过主控的I/O口倒灌一个电压过来到触摸芯片的电源，造成触摸芯片的电源不稳定，即电压倒灌现象。解决办法是将主控的I/O口设置识别高电平有效或触摸芯片输出采用开漏方式输出。例如，主控为锂电池供电，触摸芯片为2.5VLDO 供电，锂电池电压较高时主控I/O口的电平比触摸芯片输出脚的电平要高，经过触摸芯片内部电路反馈到LDO 上，使得LDO 输出的比2.5V 要高。正确做法是将主控的I/O口设置识别高电平有效或触摸芯片输出采用开漏方式输出。
八、EMC 设计建议
建议从以下方面提高EMC 性能：
•使用退耦电容
触摸芯片的供电请加退耦电容，这可以减小触摸芯片对电源的干扰。一般在芯片的VCC 和GND 端并接一个并接大于10uf 电解电容和一个104的瓷片电容，就可以起到退藕和旁路的作用。电容应该尽量接近芯片电源。
•使用较低的工作电压：
使用3.3V 给触摸芯片供电，这样可以有效降低触摸芯片的交流脉冲的幅度。
•适当加大通道匹配电阻
适当加大触摸芯片传感器通道上串接的匹配电阻阻值，这样可以降低交流脉冲边沿的陡峭程度，减小高次谐波。注意的地方是匹配电阻加大后会降低感应的灵敏度。
•正确铺地
无论使用单面PCB 板和双面PCB 板，PCB 的空白处都建议铺地，并用地将按键感应盘到IC 的输入引脚之间的连线包起来，可以吸收电磁波辐射，提升EMC 指标。在电源加入压敏电阻或TVS 管，以吸收高压脉冲群能量，以保护后面的电路。
九、产品结构考虑
当触摸芯片与触摸区域相距较远时，强烈建议单独做成一块触摸PCB，缩短触摸芯片与触摸区域的距离。
触摸盘与外壳不能有空隙，为避免空隙产生，有如下几种方式可以考虑：触摸弹簧、铜箔纸、导电海绵、导电胶、硅胶、小块
PCB。
触摸弹簧铜箔纸小块PCB
触摸模块PCB 放置在结构中应远离干扰源。触摸感应采用电线时应远离LED 回路、远离开关电源变压器区域、交流强电区、高频模块，不能与喇叭线、电源线等大电流电线捆在一起，生产时触摸电线要固定好。