电容式触摸按键设计应用参考

电容式触摸按键美观时尚，与传统的机械按键相比，具有寿命长、功耗小、成本低、体积小、持久耐用等优点，只要轻轻触碰就可实现开关控制、量化调节甚至是方向控制，颠覆了传统意义上的机械按键。现在电容式触摸按键已经广泛应用于手机、洗衣机和电视遥控器等一系列消费类电子产品中。

1.    触摸按键原理

1.1RC充放电电路

在模拟和脉冲数字电路中，经常涉及到RC电路，根据电阻R和电容C的取值不同、输入输出关系以及处理的波形之间的关系产生了具有不同功能的RC电路，如：微分电路、积分电路、滤波电路等。RC充放电电路如下图所示：

                                                   图1.1 RC充放电电路

当开关K处于断开状态时，电容C两端的电压等于零；当开关K闭合时，压降V1通过电阻R向电容C充电，在电路接通的瞬间，电容C上的电压 ，充电电流最大值等于 。随着电容C两极上电荷的累积， 逐渐增大，电阻R上的电压 ，充电电流 /R。随着时间的增加，电流逐渐减小， 逐渐增大，直至 、 （理想状态）充电过程结束。

RC电路充电公式为：

由上述公式可知：

（1）电容C电量充满需要无穷大的时间，因为指数值只会无限接近于0。当 时， ；当 时， ，一般情况下，经过3~5个RC后，充电过程结束。

（2）在同等的条件下，电容C越大，充电达到某个临界值的时间越长。

 

                          图1.2不同电容值电压 随时间变化

1.2 电容形成

在任何两个导电的物体之间都存在电容，电容的大小与介质的导电性质、极板的大小及极板周围是否存在导电物质等有关。PCB上大面积的焊盘（触摸按键）与附近的地构成分布电容 。由于人体电容的存在，当手指触摸按键后，人体电容并上分布电容，使得总电容增加，引起的电容变化 。触摸电容 变化如图1.3所示。

                                                                     图1.3触摸电容 变化图

1.3 触摸按键检测

触摸感应盘和单片机引脚形成一个不断充放电的RC电路，如果没有触摸按键，RC电路有一个固定的充放电周期；如果手指触摸按键后，那么等效电容 增加，充放电周期就变长，频率则相应降低。

一般采用以下两种方式判断电容按键是否按下：

（1）相同的充电时间，通过单片机内部AD采集触摸通道的电压值，与未按下时的值作差，再根据定义的阈值识别按键按下与抬起，如CH549、CH579系列。

（2）单片机内部采集固定时间段的脉冲个数，与未按下时的个数作差，然后根据定于的阈值识别按键的按下与抬起，如CH554系列。

2. PCB常规设计指南

在PCB中，很多硬件元器件如电容、电阻、LED、连接头等都会增加触摸按键的寄生电容，即使是无关的走线也有可能与感应元件产生耦合，从而降低触摸按键的灵敏度。因此在设计PCB时必须仔细检查和优化整个布局走线。

2.1 按键的形状与尺寸

2.1.1形状

如图2.1所示，任何形状都可用于触摸按键在PCB上的设计，并不影响触摸的性能，仅于板子的美观程度有关。

                        图2.1按键形状

2.1.2尺寸

通常情况下，按键感应盘越大，与手指接触的面积越大，相应的也会显著提升 。推荐面积应尽量接近手指接触按键的有效面积。较小的按键也可以工作，但会降低一定的灵敏度。同时，按键感应盘的面积增大到一定程度后，接着增加面积几乎不能带来灵敏度的提升，反而容易受到干扰降低灵敏度。

表1触摸按键的感应盘尺寸和等效电容参考

感应盘形状	最小尺寸	典型尺寸	最大尺寸	等效电容（参考值）
圆形（直径）	4mm	10mm	25mm	4 ~ 6pF
四边形	4mm * 4mm	10mm * 10mm	25mm * 25 mm	4 ~ 6pF
八边形	4mm * 4mm	10mm * 10mm	25mm * 25 mm	4 ~ 8pF
滑动条	8mm * 8mm	12mm * 12mm	25mm * 25 mm	6 ~ 8pF（单个）

2.2 布局与走线

2.2.1布局参考

触摸按键既可完成普通的独立按键，也可通过相应的布局形成滑动条或圆盘滚轮触摸，如图2.2所示。一般情况下，按键都是相互邻近的，如果间距太小，容易一次触发多个按键，推荐间距要大于4mm，同时可根据感应盘的大小适当增加一些间距。

                                                                

图2.2按键布局设计

2.2.2走线设计

触摸按键与处理器之间的走线的长度会增加并联电容，从而降低触摸检测的灵敏度。通常在走线时应注意以下几个方面。

（1）长度

走线时应尽量缩短触摸按键至处理器的长度，以降低元件与走线产生耦合的风险。建议走线长度小于100mm。

（2）宽度

走线的宽度同样也会增加触摸按键的感应电容，同时也会增大与其他元件的耦合。因此设计时，走线宽度应为制板工艺的最小线宽，通常情况下，双面板尽量采用5~8mil的线宽，单面板采用10~15mil的线宽。

（3）避免与其他信号线平行

触摸按键的走线禁止靠近如IIC或SPI等通讯线，因为通讯线的频率会影响触摸按键的性能。如果必须要靠近通讯线时，应将两者放置在不同层，并保证垂直交叉或有一定的间隔。同时相邻按键之间的走线间距至少应在1mm以上。

 

 

                                                   图2.3通讯线走线正误参考

（4）铺地

触摸按键感应盘底层正下方不铺地，顶层如果需要铺地隔离时，一般采用网络铺地，同时触摸感应盘和其引线与GND的距离要保证大于3mm。

2.3电源

触摸检测是通过测量电容的微小变化，要求电源的纹波和噪声要小，同时注意避免由电源串入的外界强干扰。尤其是应用于电磁炉、微波炉时，必须能有效的隔离外部干扰及电压突变，因此对电源的稳定性有较高的要求。