觸摸感應開關的PCB圖形

為了獲得“開關電容PCB圖形”，下圖給出了觸摸感應開關的12種PCB設計圖形。這些感應開關具有不同的形狀與尺寸，我們將其排列成三列（A～C）、四行（1～4），其中A列與C列的尺寸是20mmX20mm，B列的尺寸是15mmX15mm。

A列與B列具有不同的尺寸，但是走線和距離是相同的；B列與C列也具有不同的尺寸，但是它們的走線和間隔是按比例增加的。下表給出了不同尺寸與不同形狀的PCB圖形具有不同的感應電容值。對于觸摸感應式開關來說，一個好的開關應具有好的靈敏性和高的感應電容值，因為這樣可將走線的寄生電容與電感的影響降到最低，對開關的影響最小。

比較下圖與下表中數據可知，A列與C列的PCB圖尺寸相同，但電容量卻不同，這是因為在A列與C列的PCB圖形中，在相同的20mm×20mm外框包圍中其內部的走線密度不同所致。比較A列與B列可知，其感應電容量不同是由于其尺寸不同所致。

在設計觸摸感應開關電容時需要考慮兩個主要因素，一個是開關電容的尺寸，另一個是其形狀，當然與觸摸開關上面連接的材料特性與厚度也有關系。

不同材料的影響

在許多產品中，PCB上的開關不能直接被使用者觸摸到。從美觀與對電路板的保護角度考慮，通常在PCB與使用者之間會隔著一層塑料或玻璃制品。

下表給出了在感應開關與使用手指之間采用不同材料、不同厚度對感應電容影響的百分比。

從下表中可知，在PCB與用戶手指之間放置不同材料，對感應電容影響效果是明顯的，因此在設計該類產品時，我們可以按照下面的設計規則。

（1）開關圖形的設計。無論在靜態與動態時，上圖中的第4行、第4列展示出最好的電容特性，不但圖形設計容易，而且開關特性安全可靠。

（2）為了使PCB與手指間的感應電容改變最小，需要使用最薄的材料。

（3）為了使觸摸開關具有絕對的電容量，所使用的材料需要具有更高的介電常數。

相對于在開關與其他電容之間的更高電容值，例如，走線或其他電容，在靜態或動態時，MCU能直接檢測到電容量的改變。

走線長度

另外一個重要因素是連接在觸摸開關與MCU之間走線的長度對開關的影響作用。

走線越長對開關的寄生電容效用越明顯，過大的寄生電容會使開關不能正常工作。如果寄生電容太大，當手指與觸摸開關接觸時，過大的寄生電容使MCU不能檢測到開關狀態的變化。通常，根據不同的開關圖形與所用的材料不同，觸摸開關感應電容一般控制在2～15pF之間是比較合理的。

在設計觸摸感應開關系統時，一個比較安全的準則是感應電容量改變0.5%時，MCU能檢測到。必須仔細檢查觸摸開關PCB圖形與走線，將感應電容設計到最小，因此，當手指碰觸時典型的電容改變量控制在總電容量的0.5%。

供電電壓VDD的影響

另一個設計考慮的因素是MCUVDD電壓源。VDD電壓的穩定與否，與MCU的安全可靠檢測緊密相關。因為該電壓直接影響了觸摸感應電容的充電與放電開關特性，因此在觸摸感應控制IC的VDD與Vss（地）之間必須設置旁路電容，同時前級最好用三端穩壓器供電，供電電源走線必須短而粗，切忌設計成細而長且繞圈子的形式。

觸摸感應開關設計

基于上述2、3點測試與設計限制的結論，在設計觸摸感應開關時要考慮使用許多通用材料，例如玻璃、樹脂塑料和ABS塑料等，為了實現有效控制和能采用多種材料，我們選擇4C開關電路圖形。即使電路開關具有最低的靜態電容，它同樣具有足夠高的寄生電容和同樣好的開關特性。下圖是最佳的開關電路尺寸與圖形。

為了防止在每個開關節點之間產生的耦合，兩個相鄰開關之間的距離至少要大于lOmm。如果距離小于10mm，那么檢測將可能發生問題，但是更合理的設計必須經過計算。

如果在開關前面覆蓋一個面板，特別要考慮其穩定性，在開關與面板之間必須緊密接觸，不能有任何縫隙存在。因為縫隙同樣能改變靜態與動態電容。

如果系統需要多個開關，下圖給出了最佳的PCB設計方案。虛線為頂層走線，按鍵同樣設計在頂層，實線是底層走。

這種排列方式能減少走線之間的寄生電容量。

為了減少走線之間的寄生電容量，在PCB布板請按照以下方式：

（1）走線寬度不要超過0.3mm。

（2）避免信號線與地線平行。

（3）保持信號線之間的距離大于Imm。

（4）避免信號線穿越地平面。

（5）避免信號線接近高頻或高變化率的電路。