汽車電子觸摸屏電磁兼容EMC設(shè)計(jì)方案

汽車電子觸摸屏EMC設(shè)計(jì)方案

觸控螢?zāi)唬强梢越邮沼|頭等輸入信號(hào)的感應(yīng)式LED顯示器、液晶顯示、平板屏幕或電子墨水設(shè)備。當(dāng)接觸了屏幕上的圖形按鈕時(shí)，屏幕上的觸覺(jué)反饋系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)先編程的程序驅(qū)動(dòng)各種鏈接設(shè)備，可用以取代機(jī)械式的按鈕面板，并借由顯示畫(huà)面制造出生動(dòng)的影音效果。

觸摸屏是最簡(jiǎn)單、方便、直接的人機(jī)交互方式。觸摸屏廣泛應(yīng)用于汽車娛樂(lè)系統(tǒng)中，觸摸屏的應(yīng)用給駕駛員帶來(lái)了良好的用戶體驗(yàn)，同時(shí)也給汽車娛樂(lè)系統(tǒng)的EMC設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

觸摸屏根據(jù)感應(yīng)原理可分為電阻式、電容式、聲波式和光學(xué)式。目前電容式觸摸屏以其高靈敏度、多點(diǎn)觸控和長(zhǎng)壽命已成為汽車娛樂(lè)系統(tǒng)市場(chǎng)的主流。本文主要介紹了電容式觸摸屏，并對(duì)其EMC設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。

電容觸摸屏工作原理  觸摸屏的水平和垂直方向分布著若干根“XLine”和“YLine”，XLine會(huì)發(fā)射100kHz至300kHz的脈沖信號(hào)，YLine會(huì)接收到XLine耦合過(guò)來(lái)的信號(hào)。如果沒(méi)有手指觸摸，整個(gè)觸摸屏范圍內(nèi)的YLine檢測(cè)的電流值是一定的，如果有手指觸摸，則YLine上耦合到的信號(hào)會(huì)因?yàn)檫B接了手指產(chǎn)生的耦合電容而會(huì)發(fā)生明顯變化。

電容觸摸屏的EMC設(shè)計(jì)  

如上節(jié)所述，電容觸摸屏檢測(cè)用的脈沖信號(hào)頻率在100kHz至300kHz之間，汽車電子EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中的RE(RadiatedEmission)和BCI(BulkCurrentInjecTIon)測(cè)試都覆蓋了這個(gè)頻段，如果處理不當(dāng)將很容易導(dǎo)致RE測(cè)試結(jié)果超標(biāo)和BCI測(cè)試時(shí)觸摸屏誤觸發(fā)。

另外，由于電容觸摸屏在汽車電子EMC測(cè)試中需要經(jīng)受多次±25kV靜電放電測(cè)試，所以如果相關(guān)防護(hù)設(shè)計(jì)不夠理想，會(huì)容易導(dǎo)致觸摸屏損壞或者觸摸屏驅(qū)動(dòng)IC失效的問(wèn)題。電容觸摸屏RE問(wèn)題及解決措施  

RE測(cè)試是衡量被試品通過(guò)空間輻射對(duì)其他設(shè)備的干擾能力。汽車電子的RE測(cè)試頻率一般從100kHz開(kāi)始，所以在低頻段會(huì)測(cè)出電容觸摸屏的檢測(cè)信號(hào)。

在筆者一個(gè)項(xiàng)目的第一次摸底時(shí)發(fā)現(xiàn)在低頻段嚴(yán)重超標(biāo)，如下圖紅色曲線所示。通過(guò)排除法定位了騷擾源頭來(lái)自電容觸摸屏檢測(cè)用的脈沖信號(hào)，而此脈沖信號(hào)各參數(shù)完全是由觸摸屏控制器控制，要有效降低輻射值必須通過(guò)修改觸摸屏控制器的軟件設(shè)置來(lái)修改脈沖信號(hào)的參數(shù)。在不影響觸摸屏報(bào)點(diǎn)各項(xiàng)性能的前提下以下措施的應(yīng)用通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證會(huì)明顯降低脈沖信號(hào)導(dǎo)致的電磁輻射。

(1)降低脈沖信號(hào)的電壓和電流。觸摸屏在滿足充電時(shí)間時(shí)可以降低輸出脈沖信號(hào)的電壓和電流。

(2)脈沖上升沿設(shè)置為緩慢上升。觸摸屏控制器為了縮短大尺寸觸摸屏屏充電時(shí)間從而提高報(bào)點(diǎn)率一般都會(huì)將脈沖上升沿配置為快速上升，即上升沿在100ns左右。而對(duì)于汽車電子產(chǎn)品，報(bào)點(diǎn)率不會(huì)要求太高的情況下可以將斜率改為緩慢上升，即上升沿在500ns左右。

(3)在觸摸屏無(wú)觸摸動(dòng)作10秒后工作模式從AcTIve轉(zhuǎn)為Idle。所謂AcTIve模式是指控制器連續(xù)發(fā)出脈沖信號(hào)，Idle模式是指控制器間隔一段時(shí)間發(fā)出脈沖信號(hào)。這樣測(cè)試時(shí)天線在單個(gè)頻點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的能量就少了很多。

(4)增大脈沖間隔時(shí)間和減少脈沖個(gè)數(shù)。增大脈沖間隔時(shí)間和減少脈沖個(gè)數(shù)同樣可以降低天線在單個(gè)頻點(diǎn)單位時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到的能量。其中措施(1)和(2)會(huì)降低測(cè)試的峰值，措施(3)和(4)會(huì)降低測(cè)試的平均值和準(zhǔn)峰值。

上圖音響娛樂(lè)系統(tǒng)某產(chǎn)品整改前后單極天線測(cè)試結(jié)果對(duì)比上圖藍(lán)色曲線是使用了觸摸屏新配置軟件后的測(cè)試結(jié)果。可以看出在低頻段不但不再超標(biāo)而且有了足夠的余量。電容觸摸屏BCI問(wèn)題及解決措施  

BCI是用來(lái)衡量各車載設(shè)備抵御耦合到線束上的射頻干擾信號(hào)的能力，是汽車電子產(chǎn)品常用的一種抗干擾型式試驗(yàn)方法。一般測(cè)試的頻率范圍是100kHz至400MHz。

筆者一個(gè)項(xiàng)目在做BCI測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)在130kHz左右出現(xiàn)觸摸屏誤觸發(fā)的現(xiàn)象。根據(jù)觸摸屏的脈沖工作頻率，判定觸摸屏受到了BCI的同頻干擾。這個(gè)問(wèn)題同樣需要通過(guò)修改觸摸屏控制器的軟件設(shè)置來(lái)修改脈沖信號(hào)的參數(shù)。

BCI測(cè)試時(shí)觸摸屏的整體噪聲會(huì)明顯加大，加大到一定程度后將會(huì)影響觸摸屏報(bào)點(diǎn)的正確性，觸摸屏在檢測(cè)到時(shí)整體噪聲即將到影響正確報(bào)點(diǎn)時(shí)一般有下面兩種做法：

(1)屏蔽觸摸屏所有的報(bào)點(diǎn);

(2)采用跳頻形式避開(kāi)干擾點(diǎn)。對(duì)于EMC測(cè)試，因?yàn)闇y(cè)試頻率范圍很寬，所以一般采用第(1)種方法，而如果噪聲是來(lái)自產(chǎn)品本身且有固定的頻率(如開(kāi)關(guān)電源)可以采用第(2)種辦法。

另外，不同的客戶對(duì)BCI的測(cè)試方法和要求不完全一樣，有些客戶要求在BCI測(cè)試時(shí)同時(shí)有模擬手在不斷觸摸屏幕，同時(shí)不能有誤報(bào)點(diǎn)。這種測(cè)試要求下必須采用上述的第(2)種方法。

當(dāng)客戶沒(méi)有此要求時(shí)可以采用第(1)種方法，相比第(2)種方法第(1)種方法更容易實(shí)現(xiàn)且效果更加明顯。

電容觸摸屏ESD設(shè)計(jì)  

ESD是觸摸屏EMC設(shè)計(jì)中最需要重點(diǎn)考慮的，因?yàn)橐坏〦SD失效，光靠像上述RE和BCI那樣修改觸摸屏控制器的軟件可能不能徹底解決問(wèn)題，還需要原理圖、PCB和結(jié)構(gòu)等共同配合解決，這些修改不但會(huì)影響項(xiàng)目的進(jìn)度而且會(huì)增加BOM成本。

(1)確定觸摸屏玻璃厚度時(shí)需要參考最高測(cè)試電壓等級(jí)。確保ESD不會(huì)擊穿玻璃將觸摸屏傳感器打壞。

(2)觸摸屏傳感器的ITO“橋”在不影響透光率的前提下盡量做粗。ITO“橋”是傳感器最薄弱而容易被ESD打壞的地方，將“橋”做粗可以通過(guò)更大的ESD電流從而降低燒壞的概率。

(3)觸摸屏邊緣的地線盡量做粗。ESD容易對(duì)觸摸屏邊緣的保護(hù)地線放電，如果地線較細(xì)不能給ESD提供低阻抗的泄放回路，將會(huì)引起ESD流過(guò)傳感器。

(4)對(duì)于COF(ChipOnFPC)的觸摸屏需要將控制器芯片的地與系統(tǒng)的地良好且可靠接觸。對(duì)于COB(ChipOnBoard)的觸摸屏需要將控制器芯片下面設(shè)置成完整的地平面并和系統(tǒng)地低阻抗連接。

(5)觸摸屏控制器的軟件需要設(shè)置屏蔽“大手指”的報(bào)點(diǎn)輸出。ESD對(duì)觸摸屏放電時(shí)，會(huì)引起觸摸屏表面較大面積的電荷變化，反饋到控制器就像一個(gè)很大的手指按上了一樣，軟件設(shè)置成屏蔽“大手指”后可以有效解決觸摸屏誤報(bào)點(diǎn)的問(wèn)題。

(6)原理圖設(shè)計(jì)時(shí)需要在觸摸屏與系統(tǒng)的接口處預(yù)留TVS等ESD保護(hù)措施。(7)PCBlayout時(shí)需要將觸摸屏與系統(tǒng)的通訊走線做包地處理，提高其抗干擾能力。

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