Projektive kapazitive Touchscreen-Struktur
Typische projektive kapazitive Sensoren werden unter Glas- oder Kunststoffabdeckungen montiert. 1 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht eines Doppelschichtsensors. Die Sender (Tx) - und Empfänger (Rx) -Elektroden sind mit transparentem Indiumzinnoxid (ITO) verbunden, um eine Kreuzmatrix zu bilden. Jeder Tx-Rx-Knoten hat eine charakteristische Kapazität. Tx ITO befindet sich unterhalb von Rx ITO und ist durch eine Schicht Polymerfilm oder optischen Klebstoff (OCA) getrennt. Wie in der Abbildung gezeigt, verläuft die Richtung der Tx-Elektrode von links nach rechts und die Richtung der Rx-Elektrode von außen nach innen.
Funktionsprinzip des Sensors
Lassen Sie uns die Arbeit des Touchscreens analysieren, ohne den Störfaktor im Moment zu berücksichtigen: Der Finger des Bedieners wird als Geopotential bezeichnet. Rx wird über die Touchscreen-Steuerschaltung auf Erdpotential gehalten, während die Tx-Spannung variabel ist. Die sich ändernde Tx-Spannung bewirkt, dass der Strom durch den Tx-Rx-Kondensator fließt. Eine sorgfältig ausbalancierte integrierte Rx-Schaltung isoliert und misst die Ladungen, die in Rx eintreten. Die gemessenen Ladungen stellen die "Gegenkapazität" dar, die Tx und Rx verbindet.
Sensorstatus: unberührt
Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm der magnetischen Linie im unberührten Zustand. Ohne Fingerkontakt nehmen die Tx-Rx-Magnetleitungen viel Platz in der Abdeckung ein. Der Begriff "projektive Kapazität" ergibt sich aus der Tatsache, dass die magnetischen Kantenlinien außerhalb der Elektrodenstruktur projiziert werden.
Sensorstatus: Berühren Sie
Wenn der Finger die Abdeckung berührt, bilden sich magnetische Linien zwischen dem Tx und dem Finger, die eine große Anzahl von Tx-Rx-Randmagnetfeldern ersetzen, wie in Abbildung 3 dargestellt. Auf diese Weise verringert die Berührung mit dem Finger die gegenseitige Kapazität von Tx-Rx. Die Ladungsmessschaltung erkennt die variierende Kapazität (Delta C) und erkennt den Finger über dem Tx-Rx-Übergang. Durch Messen aller Schnittpunkte der Tx-Rx-Matrix mit Delta C kann die Berührungsverteilung des gesamten Panels erhalten werden.
3 zeigt auch einen anderen wichtigen Effekt: kapazitive Kopplung zwischen Fingern und Rx-Elektroden. Über diesen Weg können elektrische Störungen an Rx gekoppelt werden. Ein gewisser Grad an Finger-Rx-Kopplung ist unvermeidlich.
Spezielle Terminologie
Die Störung des projektiven kapazitiven Touchscreens wird durch die unempfindliche parasitäre Pfadkopplung erzeugt. Der Begriff "Masse" wird normalerweise verwendet, um sich entweder auf einen Referenzknoten in einem Gleichstromkreis oder auf eine Verbindung mit niedriger Impedanz zur Erde zu beziehen: Es handelt sich nicht um dieselben Begriffe. Tatsächlich ist dieser Unterschied bei tragbaren Touchscreen-Geräten die Hauptursache für Interferenzen durch Berührungskopplung. Zur Verdeutlichung und Vermeidung von Verwechslungen verwenden wir die folgenden Begriffe zur Bewertung von Touchscreen-Störungen.
Erde: Verbinden Sie die Erde zum Beispiel über das Erdungskabel einer Dreiloch-Wechselstromsteckdose. Verteilte Erde: Kapazitätsverbindung zwischen Objekten und Erde.
DC Ground: DC-Referenzknoten für tragbare Geräte.
Gleichstrom: Batteriespannung für tragbare Geräte. Oder die Ausgangsspannung eines an ein tragbares Gerät angeschlossenen Ladegeräts, z. B. eines 5-V-Busses in einem USB-Schnittstellenladegerät.
DC VCC (DC VCC-Stromversorgung): Eine stabile Spannungsversorgung für tragbare elektronische Geräte (einschließlich LCD- und Touchscreen-Controller).
Neutral: Wechselstromkreis (nominales Geopotential).
Heiß: Netzspannung, relative Nulllinie, elektrische Energie zuführen.
LCD Vcom mit Touchscreen-Empfangsschaltung verbunden
Der Touchscreen eines tragbaren Geräts kann direkt auf dem LCD-Bildschirm installiert werden. In einer typischen LCD-Architektur werden Flüssigkristallmaterialien durch transparente obere und untere Elektroden vorgespannt. Die unteren Elektroden bestimmen die Anzahl der einzelnen Pixel des Anzeigebildschirms. Die oberen gemeinsamen Elektroden sind die durchgehende Ebene, die das gesamte sichtbare vordere Ende des Anzeigebildschirms bedeckt, der auf die Spannung Vcom vorgespannt ist. In einem typischen tragbaren Niederspannungsgerät (wie einem Mobiltelefon) ist die VCOM-Wechselspannung eine Rechteckwelle, die zwischen Gleichstrom und 3,3 V hin und her pendelt. Der Wechselstrom-Vcom-Pegel wird normalerweise einmal pro Anzeigezeile umgeschaltet, sodass die Frequenz des erzeugten Wechselstrom-Vcom die Hälfte des Produkts aus der Bildwiederholfrequenz und der Anzahl der Zeilen beträgt. Ein typisches tragbares Gerät kann eine Wechselstrom-Vcom-Frequenz von 15 kHz haben. Fig. 4 zeigt die an den Touchscreen gekoppelte LCD-Vcom-Spannung.
Der zweischichtige Touchscreen besteht aus einer separaten ITO-Schicht, die mit Tx- und Rx-Arrays bedeckt ist und durch eine dielektrische Schicht getrennt ist. Tx-Linien nehmen die gesamte Breite des Tx-Array-Abstands ein, und nur der für die Herstellung erforderliche Mindestabstand wird zwischen den Linien getrennt. Diese Architektur wird als Selbstabschirmung bezeichnet, da Tx-Arrays Rx-Arrays von LCD Vcom abschirmen. Die Kopplung kann jedoch immer noch durch den Zwischenraum der Tx-Bänder erfolgen.
Um die Architekturkosten zu senken und eine bessere Transparenz zu erzielen, werden Tx- und Rx-Arrays auf einem einzigen ITO-Layer mit einschichtigem Touchscreen installiert und die Arrays über separate Bridges miteinander verbunden. Daher kann das Tx-Array keine Abschirmschicht zwischen der LCD-Vcom-Ebene und der Sensor-Rx-Elektrode bilden. Dies kann zu einer schwerwiegenden Vcom-Interferenzkopplung führen.
Störung des Ladegeräts
Eine weitere mögliche Quelle für Touchscreen-Störungen ist das Schaltnetzteil für mit Strom versorgte Ladegeräte für Mobiltelefone. Die Störung wird über die Finger mit dem Touchscreen gekoppelt, wie in Abbildung 5 dargestellt. Das kleine Ladegerät für Mobiltelefone verfügt normalerweise über eine Wechselstromversorgung und einen Null-Eingang, jedoch keine Erdungsverbindung. Das Ladegerät ist sicher isoliert, sodass zwischen dem Stromeingang und der Sekundärspule des Ladegeräts keine Gleichstromverbindung besteht. Dies erzeugt jedoch immer noch eine kapazitive Kopplung durch den Schaltnetzteil-Trenntransformator. Das Ladegerät stört den Rückweg, indem es den Bildschirm mit einem Finger berührt.
Hinweis: In diesem Fall bezieht sich die Störung des Ladegeräts auf die angelegte Spannung des Geräts relativ zur Masse. Diese Art von Interferenz kann als "Gleichtakt" -Interferenz bezeichnet werden, da sie der Gleichstromversorgung und der Gleichstrommasse entspricht. Wenn das Schaltrauschen zwischen der Gleichstromversorgung und der Gleichstrommasse nicht ausreichend gefiltert wird, kann dies den normalen Betrieb des Touchscreens beeinträchtigen. Dieses PSRR-Problem (Power Supply Rejection Ratio) ist ein weiteres Problem, auf das in diesem Artikel nicht eingegangen wird.
Impedanz der Ladekupplung
Die Schaltstörung des Ladegeräts wird durch die Streukapazität (ca. 20 pF) der Primär- und Sekundärwicklung des Transformators erzeugt. Diese schwache kapazitive Kopplung kann durch parasitäre Shunt-Kondensatoren im relativ verteilten Bereich von Ladekabeln und Empfangsgeräten selbst kompensiert werden. Wenn das Gerät aufgenommen wird, erhöht sich die Parallelkapazität, was normalerweise ausreicht, um die Schaltstörung des Ladegeräts zu beseitigen und Störungen der Touch-Bedienung zu vermeiden. Wenn das tragbare Gerät an das Ladegerät angeschlossen und auf dem Desktop abgelegt ist und der Finger des Bedieners nur den Touchscreen berührt, wird das Ladegerät im schlimmsten Fall gestört.
Schaltstörung des Ladegeräts
Das typische Ladegerät für Mobiltelefone verwendet eine Flyback-Schaltungstopologie. Die vom Ladegerät erzeugten Interferenzwellenformen sind komplex und variieren stark mit dem Ladegerät. Dies hängt von den Schaltungsdetails und der Strategie zur Steuerung der Ausgangsspannung ab. Die Störamplitude variiert ebenfalls stark, je nach konstruktivem Aufwand und Stückkosten des Herstellers auf dem Schalttransformatorschirm. Typische Parameter sind: Wellenform: einschließlich komplexer PWM-Rechteck- und LC-Klingelwellenform. Frequenz: 40 ~ 150 kHz unter Nennlast, wenn die Last sehr gering ist, fällt die Pulsfrequenz oder der Sprungzyklusbetrieb unter 2 kHz. Spannung: bis zur Hälfte der Spitzenspannung des Netzteils = Veff / 2.
Störkomponente des Ladegeräts
Am vorderen Ende des Ladegeräts erzeugt der Wechselspannungsgleichrichter die Hochspannungsschiene des Ladegeräts. Auf diese Weise wird die Schaltspannungskomponente des Ladegeräts einer Sinuswelle überlagert, die der Hälfte der Versorgungsspannung entspricht. Ähnlich wie bei einer Schaltstörung wird die Versorgungsspannung über einen Trennschalttransformator eingekoppelt. Bei 50Hz oder 60Hz ist die Frequenz dieser Komponente viel niedriger als die Schaltfrequenz, so dass ihre effektive Kopplungsimpedanz entsprechend höher ist. Die Stärke der Störungen der Versorgungsspannung hängt von den Eigenschaften der Erdungsparallelimpedanz und der Empfindlichkeit des Touchscreen-Controllers gegenüber niedrigen Frequenzen ab.
Sonderfall bei Stromstörungen: 3-Loch-Stecker ohne Erdung Netzteile mit höherer Nennleistung (z. B. Laptop-Netzteile) können mit 3-Loch-Netzsteckern ausgestattet sein. Um die EMI des Ausgangs zu unterdrücken, kann das Ladegerät den Erdungsstift der Hauptstromversorgung intern mit der Gleichstrommasse des Ausgangs verbinden. Diese Art von Ladegerät verbindet normalerweise den Y-Kondensator zwischen der Feuerlinie und der Nulllinie und der Erde und unterdrückt so die Leitungs-EMI von der Stromleitung. Unter der Annahme, dass die Verbindung absichtlich besteht, beeinträchtigen solche Adapter tragbare Touchscreen-Geräte, die über PCs und USB-Verbindungen mit Strom versorgt werden, nicht. Das gestrichelte Drahtmodell in Abbildung 5 veranschaulicht diese Konfiguration. Wenn ein PC-Ladegerät mit Dreiloch-Stromeingang in eine nicht angeschlossene Steckdose eingesteckt wird, tritt bei einem PC und seinen USB-angeschlossenen tragbaren Touchscreen-Geräten ein Sonderfall von Ladestörungen auf. Der Kondensator Y verbindet die Wechselstromversorgung mit dem Gleichstromausgang. Eine relativ große Y-Kapazität kann die Versorgungsspannung effektiv koppeln, wodurch die Spannung mit der größeren Versorgungsfrequenz durch den Finger auf dem Touchscreen mit einer relativ niedrigen Impedanz gekoppelt wird. Zusammenfassung dieses Artikels Heutzutage ist der in tragbaren Geräten weit verbreitete projektive kapazitive Touchscreen anfällig für elektromagnetische Störungen. Die Störspannung von innen oder außen wird kapazitiv an das Touchscreen-Gerät gekoppelt. Diese Störspannungen können eine Ladungsbewegung auf dem Touchscreen verursachen, die die Messung der Ladungsbewegung verfälschen kann, wenn der Finger den Bildschirm berührt. Daher hängt das effektive Design und die Optimierung des Touchscreen-Systems von der Erkennung des Interferenzkopplungspfads und der Reduzierung oder Kompensation so weit wie möglich ab. Der Interferenzkopplungspfad beinhaltet parasitäre Effekte, wie z. B. eine Transformatorwicklungskapazität und eine Fingervorrichtungskapazität. Durch eine geeignete Modellierung dieser Auswirkungen können die Ursache und die Größe der Interferenz vollständig erkannt werden. Für viele tragbare Geräte sind Batterieladegeräte die Hauptstörquelle für Touchscreens. Wenn der Finger des Bedieners den Touchscreen berührt, führt die resultierende Kapazität dazu, dass das Ladegerät die Unterbrechung des Kopplungskreises verursacht. Die Qualität der Abschirmung im Inneren des Ladegeräts und die ordnungsgemäße Erdung des Ladegeräts sind die Schlüsselfaktoren für die Interferenzkopplung des Ladegeräts.
