触摸按键设计layout
一、触摸按键设计
1.1 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板上覆盖的介质就算电容中间的绝缘体，因而构成了一个电容器。无手指触摸和有首指触摸式电容构成如图1所示。
图 1
当没有手指触摸时，只要基准电容Cp。
当有手指触摸时，“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。
这个电容的变化引起芯片内部振荡牝鹿或充放电时间的变化，是芯片内部能够检测到触摸的发生，从而产生触发信号。电容的变化率越大，触摸就越容易被检测到。PCB的设计原则同样也是使触摸前后的电容变化率尽量大，即减小PCB的基准电容，增大手指电容。
1.2 触摸按键的按键形式
1.2.1 单个形式 ----- 按键
- 外形
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（如图2所示）。
图 2
- 尺寸
在满足面板的美学设计要求的情况下，必须通过合理安排感应盘的大小和间隔尺寸来获得最佳触摸感应效果，允许用户使用按键感应盘间最小间距为1mm的密集键盘，如图3。在一些特殊情况下，可以用牺牲按键感应盘间隙的尺寸来增大感应盘。
图 3
1.2.2 复用形式 ----- 复合按键
- 外形及相关注意尺寸
图 4
1.2.3 弹簧触摸按键
- 外形
图 5
1.2.4 组合形式 ----- 滑条
- 外形及相关注意尺寸
图 6
1.2.5 组合形式 ----- 滚轮
- 外形及相关注意尺寸
图 7
二、PCB Layout技巧
PCB Layout最关键的两点是：
- 减小PCB的基准电容
- 避免干扰
2.1 减小PCB的基准电容
平板电容器的容值计算公式为：
图 8
其中：
C ：PCB板最终生成电容
ε 0 ：真气中的介电常数
ε r ：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
为了使基准电容量尽可能小，主要可以通过控制极板的面积和极板的距离来达到效果。极板面积主要体现在感应焊盘的大小、铺地比例、感应走线的长度和宽度上；极板距离主要体现在走线与铺地的间距上。
2.1.1 铺地形式及铺地间距
1、双面板
- 顶层（TOP）铺地形式：可以铺实地或网格地。
- 顶层（TOP）铺地间距：需距离感应盘或触摸感应连线0.75mm以上。如图9。
图 9
- 底层（BOTTOM）铺地形式：一般使用网格地，网格中铜的面积不超过30%，网格线宽为0.25mm，网格大小为1mm*1mm。
- 底层（BOTTOM）铺地间距：感应盘正下方至少0.75mm以内的范围镂空，不铺地铜。如图10.
图 10
2.、单面板
- 铺地形式：空白处全部铺实铜。
- 铺地间距：需距离感应盘或触摸感应连线0.75mm以上。
3、其它铺地技巧
- 不要在信号线附近保留死铜，避免意外的干扰。如图11。
如图 11
需要注意的是铺铜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。
2.1.2 感应信号布线
1、基本走线原则：保证走线尽量细、短。
- 感应盘到IC的连线应尽量细，双面板线宽0.12 ~ 0.2mm（5 ~ 8mil），单面板线宽0.2 ~ 0.3mm（8 ~ 12mil）。
- 感应盘到IC引脚的走线应当尽量短，以降低元件与走线产生耦合的风险，建议走线长度小于100mm；且尽量避免与其它感应走线平行，放置触摸之间的相互干扰。
- 感应盘到触摸芯片的连线周围1mm不要走其它信号线（包括相邻按键之间的走线），与地铺铜保持0.75mm以上的距离。
- 感应盘到IC之间的连线长度尽量不相差太远。
- 感应盘到IC之间的连线与PCB板边沿保持3mm以上的距离，若PCB带有金属外壳，则感应线需与板边沿保持5mm以上的距离。
2、双面板走线
如果直接使用PCB板上的铜箔作为触摸感应盘，应使用双面板。触摸芯片和感应盘到IC引脚的连线应放在背面（BOOTOM）。感应盘应放在顶层（TOP），安装时紧贴触摸面板。
3、单面板走线
如果采用单面板，并用弹簧或其它导电物体做感应盘，感应盘到IC引脚的连线应不用或尽量少用跳线。
4、滑条滚轮在走线
- 感应单元连线走底层：触摸感应芯片的感应通道引脚与按键感应盘和滑条感应单元的连线应尽量全部走底层。
- 感应单元连线长度相近：触摸感应芯片的感应通道到按键或滑条每个感应单元的连线应尽量擦汗高难度相近。如需走过孔，则应尽量使顶层的线段最短。
5、其它走线技巧
- 感应盘到触摸芯片的连线不要跨越强干扰、高频的信号线；应远离脉冲信号，不要和其它信号线并行，尽量避开干扰和互感。
- 连线与感应盘的过孔连接有两种方式，如图12和图13。图13的连接方式更好。
图 12
图 13
- 电容感应的走线不要靠近通讯线，如I2C或SPI。通讯线的频率可影响电容传感器的性能。如果必须将通讯线和传感器引线相交叉，应确保在PCB不同层，并且交叉是垂直相交的。
- 如果时钟、数据或任何周期信号线确实需要与传感器的信号线平行布设，它们应当被布设在不同层并且不能重叠，而且应当尽可能地缩短信号线平行部分的长度。
1、传感与通讯线位于不同层的处理
图 14
2、传感器与通讯线位于不同层的处理
图 15
2.2 避免干扰
2.2.1 触摸芯片的电源
- 采用星形接地
具体要求是触摸芯片的地线不要和其它电路共用，应该单独连接到板子电源输入的接地点，也就是通常说的采用“星形接地”。
- 电源上产生的噪声对触摸芯片的影响
电源回路也应遵循同样的处理方法。触摸芯片最好用一根独立的走线从板子的供电点取电，不要和其它的电路共用电源回路。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。这样可以减小其它电路在电源上产生的噪声对触摸芯片的影响。
触摸电源处稳压电路
在负载变化很大的情况下，在触摸芯片电源处加入稳压电路，以保证不受负载波动影响，如图16。
图 16
2.2.2 触摸芯片位置
- 进行PCB设计时应该把它看成一个独立的模拟电路对待。遵循通常的数模混合电路设计的基本原则。
- 如果是单面板，触摸感应盘到触摸芯片之间在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。
图 17 最好的触摸芯片位置
图 18 不好的触摸芯片位置
- 如果是两层板，触摸芯片和其它无源器件建议布局在底层，是其尽量靠近感应按键放置。如设计滚轮，尽量把触摸感应芯片放置滚轮感应盘中心。
2.2.3 其它元件布局
- 感应按键（点触、滑条、滚轮）的位置
放置于PCB的顶层，根据面板平面设计要求进行分布。
- 稳压电路的位置
稳压电路和滤波电路尽量放在触摸板上。
- 通道匹配电阻的位置
测量匹配电阻尽量靠近IC放置
- 灵敏度调节电容的位置
灵敏度调节电容应靠近IC放置。
三、介质
板级电容的计算公式：
因此得到以下结论：
- 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 |
|
空气 |
1 |
| 木质 | 1.2 - 2.5 |
| 树脂玻璃 | 2.8 |
| Mylar聚脂薄膜 | 3.2 |
| ABS | 3.8 - 4.5 |
| 丽光板 | 4.6 - 4.9 |
| 玻璃（陶瓷） | 6 |
| 玻璃（标准） | 7.6 - 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贴且不留空气间隙。
- 触摸感应面板的灵敏度与绝缘面板的厚度有关，同一介质的绝缘面板，厚度越薄，灵敏度越高，绝缘面板厚度越大，灵敏度越低。
- 触摸感应面板的灵敏度与按键感应盘的有效面积有关，面积越大，灵敏度越高，面积越小，灵敏度越低。
- 触摸感应盘上的介质不能有金属（或具有导电性质），否则触摸无法感应或引起动作。
四、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VCC和GND端并联一个大于10uF的电解电容和一个104的瓷片电容，就可以起到退耦和旁路的作用。电容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的阻值，这样可以降低交流脉冲边沿的陡峭程度，减小高次谐波。需要注意的是匹配电阻加大后会降低感应的灵敏度。
- 正确铺地
无论使用单面板还是双面板，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，提高EMC指标，使用双面板，铺地方法有特别要求，见2.1.1。
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