说明cap最佳实践

1、AN2394 (ZH)作者：Mark Lee相关项目：无相关器件系列：CY8C20x34, CY8C21x4, CY8C24x94GET FREE SAMPLES HERE软件版本：PSoC Designer 4.3相关应用手册：AN2233a, AN2277, AN2292, AN2318, AN2355, AN2360摘要用于 CapSense 系统设计的最佳实践终于面世了。其中所涵盖的主题包括感应方式、布板 (PCB Layout) 和布局指南以及CapSense 工具和技术概述。PSoC® 架构引言在便携式设计将多个电容式感应设计元件整合到一种应用中。比如按钮、触摸板和接近式

2、感应，在器和移动手持终端等大容量、高可视性产相同的电路中利用同一器件就可同时对这些元件提供支持。可使用 PSoC® 来扫描电容式 Sensor，并驱动 LED、马达、驱动扬声器等等，如图 2 所示。一种称为动态重构的概念使 CapSense 应用可根据需要即时进行重新配置，品的应用中，电容式感应作为一种接术已被广泛采用。此举使的常规消费类电子产生了对该技术的需求，进而引起了技术的显著创新和多种竞争技术的出现。虽然这些技术各有千秋，但基本原理都是 Sensor 与其环境之间的电容变化的测量。从而能够利用大于 100% 的系统。我们对可编程模块和固定功能的 IC 进行对比，由于可编程图

3、2 采用 CapSensePlus 技术的应用实例：采用单个PSoC® 还可实现马达、LED、以及扬声器等IC 将可定制码用于开发解决方案，因此它在设计方面具有更大的灵活性。PSoC® CapSense 将微处理器、可编程的数字和模拟源、片内器和其他特性相结合，从而在电容式系统设计中实现了最大的灵活性。本应用手册简要描述了用于 CapSense 设计的最佳实践。图 1 PSoC® 模拟与数字模块可用于配置 CapSense 及其它功能2008 年 12 月 18 日文件编号 001-50421 版本 *1+ FeedbackCapSense 最佳实践AN2394

4、(ZH)易于配置的电容式感应解决方案PSoC® 可实施不同的 CapSense 方式（见参考书目 1）。所需的具体特性决定了感应的方式。如果最需要的是电池使用 并且要在 2.7 V 电压下工作，那么 CSA 的感应方式就是最明智的选择。但如果想拥有 CapSense 和其他特性，例如高噪声抗扰度和厚覆盖物，则 CSD 感应方式就是其最佳选择。图 4 在手指离开与手指接触的情况下，CSA 波形的变化CSA 感应方式CSA 是指 CapSense 逐次逼近感应方式，只能在 CY8C20x34 PSoC® 系列器件中应用。图 3 CSA 结构图CSD 感应方式CSD 是指 Cap

5、Sense SigmaDelta 调制电容感应，其可在 CY8C21x34 和 CY8C24x94 PSoC® 系列器件中应用。图 5 CSD 结构图图 3 显示了 CSA 的原理方框图，其工作流程如下：开关 SW1 和 SW2 与 感应电容 CX 形成了一个开关电容网络，该可以等效为电阻。通过将 iDAC 设置到校准电平并使 SW1 和 SW2 切换，从而将 CMOD 上的平均电压设定为随 CX 值而变化的电平。另外可设置 iDAC 至低电流电平并保持 SW2 打开，使得CMOD上的电压斜坡上升。在CMOD上用于达到 VREF 的斜坡电压的时间表示 CX 值。在比较器输出端的定时器

6、可将斜坡时间转化为具体的数值。图 5 显示了 CSD 的原理方框图，其工作流程如下：开关 SW1 和 SW2 与 感应电容 CX 形成一个开关电容网在没有手指接触时，通过逐次逼近方式来确定需要的 iDACCMOD上的电压保持在 VREF，这样即可实现设置，从而使系统自校准。系统将为所有 sensor设置。单独校准的 iDAC络，从而在和VDDCMOD之间具有一个等效电阻。等效电阻的值由 CX。SW1 和 SW2 的开关由 PRS的伪随机序列进行。SW3 工作时与 SW1 和 SW2 不同当手指接触时，CMOD 上的电压会处于更低的电压电平，这步。将 RB 切换至接地时，CMOD 上的电压会下降

7、。当 RB的时间才能达到阈值电压 VREF，如图 4 所示。如需要接通时，CMOD 上的电压又会上升。比较器会根据相对于 VREF 的电压而更改状态。CMOD上果 (t2-t1) 足够长，按钮就是处于手指接触 (Finger-Present)状态，否则按钮就是处于手指离开 (Finger-Absent) 状态。高达 100 pF 的内部可编程电容可用于 CMOD，但是更大的外部电容能够提升性能：按钮和的电容为 1000 pF，而接近式感应则为 10 nF。推荐将 560的串联电阻与所有 CapSense 输入串联以避免 RF 干扰。2008 年 12 月 18 日文件编号 001-50421

8、版本 *2+ FeedbackAN2394 (ZH)PSoC® 布局：使 PSoC® 与 Sensor 之间的距离保持最小化是一个不错的做法。通常将 PSoC® 与其他组件一起贴装到底层，而将 CapSense Sensor 置于顶层上。板层：最常见的 PCB 为双板层，Sensor 和栅格地层位于顶层，而其他器件则处于低层。当板区必须最小化时可采用四层板。典型的设计为处于顶层的 Sensor，第 2 层走线， 第 3 层为接地层，然后其他都在底层，如图 7 所示。不要直接在 Sensor 下布线。可通过添加 16 位定时器形成 Sigma- Delta A/D，

9、以测量比较器高电平持续时间至比较器低电平持续时间。当手指接触时，CX 会变大而 VDD 的等效电阻变小，这就能电流流入 CMO 。比较器将花费的时间在CMPHIGH 状态上，而 CMPLOW 状态的时间则会更少。如果 CMPHIGH/CMPLOW 的比率足够高，那么按钮就会处于手指接触状态，否则按钮就会处于手指离开状态，如图6 所示。图 6 在手指接触与手指离开的情况下，CSD 波形的变化图 7 板级空间有限时，CapSense 电路扳的四层布板情况电路板厚度：目前发现基于 FR4 的设计可采用的标准电路板厚度为 0.020" (0.5 mm)、0.047" (1.2 mm

10、) 和 0.063" (1.6 mm)。那么电路板多合适呢？一个经验法则就是 Sensor 与接地层之间的间隙应比其至接地层的垂直距离要小。走线长度和宽度：必须使走线和 Sensor 的寄生电容 CP 最小化以确保系统的动态范围尽可能大。那么走线到底应该多长呢？在的 CapSense中，用于的最长走线是 9"(230 mm)，而用于按钮的最长走线是 12" (300 mm)。（这个极限值示例要求更大的 Sensor 和更薄的覆盖物,以最大化来自Senso r 的信号。）走线宽度将添加至 Sensor CP，并且会增加耦合至其他层上的元件。0.0065"

11、- 0.008" (0.17 - 0.20mm) 的走线宽度能满足大多数应用的需要。ACMODvalue between 1nF100nF is recommended. RBrequires tuning to sensors for optimal performance,过孔：应使用最少的过与 CapSense 输入的走线保持(between 2K and 10K.) RB is selected so that the CapSense counts without a finger are between 60% and一致以最小化 CP。可在 Sensor 上的任何位置进

12、行过孔布置，如图 8 所示。图 8 触摸板的过孔可以在 Sensor 的任何位置（底层走线、顶层 Sensor）80% of the resolution.um counts for the selected CSD如何设计 CapSense 印刷电路板在典型 CapSense 应用中，可通过印刷电路板 (PCB) 的布线来形成电容感应。下列指南说明了如何设计 CapSense PCB （见参考书目 2）布线布局指南电路板面积：CapSense 所需的电路板面积只比感应区自身稍大。Sensor 周围的电场非常局限，尤其将接地层和Sensor 铜箔置于相同的 PCB 层上时更为如此。2008 年

13、 12 月 18 日文件编号 001-50421 版本 *3+ FeedbackAN2394 (ZH)通讯信号走线：电容式感应走线不要接近或并行于高频通讯信号和噪声都会受到覆盖物属性的影响。当覆盖物的厚度增加时，信号和噪声都会减弱。其中典型的关系曲线如图 10 所示。可将信号定义为手指接触和手指离开状态平均输出中的差值。噪声可以定义为在手指离开的状态下输出的峰-峰值差。信号走线，例如 I2C 或 SPI 主器。如果需要让通讯信号走线与 Sensor 引叉，那么应确保二者彼此垂直。是减小通讯信号走线和 Sensor 走线之间交互的有效一，就是通过端口分配来实现。端口引脚 P10 和P11 用于编

14、程和 I2C，并且如果没有其他引脚可用就应该仅用于 CapSense。铺地层：为了使 CP 最小化，推荐在 Sensor 层上进行 40%的铺地，而非 Sensor 层则进行 60-80% 的铺地。图 9 最小化 CP 的部分铺地图 10 随着覆盖物厚度的增加，信号电平开始下降覆盖物粘合剂：覆盖物材料必须与感应 PCB 保持良好的机械接触。3 M 公司可提供两种广泛使用的非导电性粘合剂， 其可用于覆盖物 467 MP 和 468 MP。手套：如果 Sensor 必须在戴手套的情况下工作，那么在设覆盖物厚度：表 1PSoC® CapSense 应用（覆盖物）列出了所推荐的最大覆盖物厚度

15、。介电常数在确定覆盖物厚度时起到一定的作用。普通其介电常数 r 8，而的介电常数 r2.5。对于相同水平的灵敏度，根据r /2.5 的比率就能估算出覆盖物的厚度。依据这种经计按钮时应将手套材料的厚度添加到总的覆盖物厚度验法则，对于同一灵敏度的普通覆盖物的厚度就应大约中。干皮革和橡胶与类似，其介电常数介于 2.5-3.5 之是覆盖物厚度的三倍。间。滑雪手套的介电常数为 2 或更小，这取决于手套绝热的空气含量。表 1CapSense 应用推荐使用的覆盖物的厚度LED 背光：CapSense 能够与 LED 背光一起出色地工作，仅需在感应铜箔上截一个底层即可。保持 LED 走线位于电路板的一个 PC

16、B 上有多个 PSoC®：对于拥有许多按钮的系统来说，例如键盘，系统设计时可能要求具有两个或多个于CapSense 的 PSoC®。如果情况确需如此，就应隔开按钮以便使铺地从每个按钮组的走线中立的 CapSense 组之间发生耦合。出来。此举可防止独2008 年 12 月 18 日文件编号 001-50421 版本 *4+ Feedback设计元件覆盖物厚度按钮< 5 mm< 2 mm触摸板< 0.5 mmAN2394 (ZH)保护性覆盖物越厚，按钮直径就应越大。图 13 显示了按钮按钮按钮的功能是直径的使用指南。对于 1 mm 厚的有机的按钮直径是 9

17、mm。图 13 按钮直径与覆盖物厚度的关系覆盖物，推荐。CapSense 按钮的典型应导体是否用是感知手指的触摸。圆形，如图 11形状：用于感知手指触摸的推荐形状所示。图 11 推荐使用的形状圆形Round buttons must be at least 5 mm in diameter, and rectangular buttons must have at least one dimension greater than 6 mm. The size of the button is selected to meet the minimum signal-to-noise ratio

18、(SNR) requirement of 5:1 (see Reference 5). The thicker the protective overlay, the larger the button diameter should be.是一个 Sensor 阵列。相邻电容元件之间的变化可用于确定导体的位置。通过使用中心点计算即可在固件中确定接触点位置。当按钮周围的间隙增加时电容 CP 反而会降低。CP 与间隙的曲线关系示例如图 12 所示，图 12 还显示了三种按钮尺寸（直径 5 mm、10 mm 和 15 mm）的情形。图 12 CP 为按钮接地间隙与按钮直径的一个函数 (0.062&

19、quot; 厚度, FR4)(slider segment) 必须足够小以便于多个片段能与手指接触，如果足够大的话，就会产生通过覆盖物所需的信号最好有 5 个或以电平。锯齿形状很适合于，的最大长度只受到 PSoC® 中可用 IO 引脚的限上。制。典型的形状如图 14 中所示。上面每个片段的条形图代表了 Sensor 输出。图 14 使用产生的锯齿图案2008 年 12 月 18 日文件编号 001-50421 版本 *5+ FeedbackAN2394 (ZH)复用：如果 IO 引脚数目有限，那么将两个一个 PSoC® 引脚上就能使 PSoC® 感应连接到数量翻倍

20、。图 16 接近式感应原型的后视图CapSense 用户模块向导支持用户选择这种接法并将其作为引脚分配的选项，并且用户模块 API 能正确地确定手指所触摸的半边。请注意，将每个 CapSense 输入引脚连接至两个片段会使 CP 翻倍，但信号有任何增多。触摸板CapSense 用户模块不直接支持触摸板，但可将触摸板作为两个的使用。所有适用于的指南同样也适用于触摸板。图 15 利用两个 CapSense轴，一个用于 Y 轴实现触摸板，一个用于 X柔性电路柔性电路能很好适用于 CapSense。在印刷电路板中提到的所有相同的指南同样也适用于柔性电路。柔性电路通常比 PCB 要薄一些。通过使用不薄于

21、 0.01" (0.25 mm) 的柔性电路来限定 CP，并且可将走线长度限制为几英寸。柔性电路的一个良好特性是 Kapton 材料 (290 KV/mm) 可提供高击穿电压。ITO 触摸屏ITO 是铟锡氧化物的英文缩写。这种陶瓷材料的薄膜不仅可以导电，而且非常透明。ITO 触摸屏的示例如图 17 所示。ITO触摸板的典型示例就是有着 20 列（X 轴）和 10 行滑薄膜的电阻率范围为 0.25-1000/平方，并且其典型值介条（Y 轴）的设计。总共要将 30 个引脚用于 CapSense 输入。活动区域的为 3.9" x 1.9" (99 mm x 47 mm)

22、，覆盖于 100-500/平方之间。薄膜的厚度决定了电阻率。材料越薄，通过的光线就越多，其产生的电阻也会越大。反之， 材料越厚，通过的光线就越少，其产生的电阻也会越小。物为 0.010" (0.25 mm) 的 ABS层。行和列 Sensor 之间留有 0.2" (5 mm) 的间距。基准线噪声电平在手指离开状态下是单一的计数。手指在触摸板上会产生 15 个计数的差分信号，这会导致 24 dB 的信噪比 (SNR)。设置中心点算法即可确定每个行对和列对之间的 20 个位置，该触摸板系统的分辨率每英寸计数 (CPI) 为 100。触摸屏可运行于电阻式或电容式下。两种模式适合市

23、场。电阻式要求以使导电层保持接触，更容易磨损和破裂。这种模式是一种具有较差(<75%) 的四层板解决方案。电容式可使用手指作为导体。该模式是一种具有较高(>90%) 的单层板或双层板解决方案。拉斯能同接近式感应CapSense 用户模块不直接支持接近式感应，但可将接近式感应可以由大 CP 和计数差值小的 CapSense 按钮来实现。接近式感应的最佳实施办法是作为单一的线路长度，如图 16时支持这两种触摸屏技术。图 17 ITO 触摸屏所示。把 CapSense PCB 上的按钮和连接至单一的大Sensor，这是实施接近式感应的另外一种技术。2008 年 12 月 18 日文件编号

24、 001-50421 版本 *6+ FeedbackAN2394 (ZH)图 19 Baseline 就是 CapSense 数据的基准线，该数据不断更新从概念到生产：CapSense 工具和技术评估板和示例如图 18 所示，CY3212 板是一款用于 CapSense 应用开发的评估板。应用固件上写有“C”字样。通用功能库使得项目开发就和写入几行代码一样的简单。图 18 CY3212-CapSense 培训评估板温度和湿度：温度和湿度都会导致基准线计数随时间漂移。CapSense 用户模块具有从 -40 ºC 到 +85 ºC 的特征，如图20 所示。由基准线所追溯的趋势

25、可自动补偿温度和湿度所造成的不良影响。图 20变化此处的代码示例其目的是要求在一个按钮阵列中扫描两个Sensor 并将结果保存到 I2C 阵列中。代码 1. Code to Scan Sensors/ starting with sensor0, scan 2 sensors, single scan mode, SensorArray_StartScan(0,2,0);/scan complete?while (!(SensorArray_GetScanStatus()&SensorArray_SCAN_SET_COMPLETE);/save sensor0 and sensor1r

26、esults arrayinfo.iRawCount0 = SensorArray_waSnsResult0; info.iRawCount1 = SensorArray_iwaSnsResult1;ini2c水：当覆盖物上出现雾状沉淀或者有小水滴溅到 Sensor 上时，CapSense 仍然能够可靠运行。可通过灵巧的机械设计来处理有水情况。设计 Sensor 时使其垂直或保持一定角度以使水能迅速流出表面；并且在 Sensor 外面区域的覆盖物上增加沟槽以帮助水分流掉。另外，还使按钮突出以防止水坑的形成。基准线技术是用于 CapSense 测量的参考线。每个电容式 Sensor 都有其自身的

27、基准线。对电容式 Sensor 数据来说，Baseline 就是一种基准线，这些数据可通过 CapSense 用户模块的基准线进行比较、计算得出。可 IIR 低通滤波器来处理原始计数数据，如图 19 所示。例如手指接触和手指离开状态，都是基于基准线建立的参考电平。2008 年 12 月 18 日文件编号 001-50421 版本 *7+ FeedbackAN2394 (ZH)功耗和休眠电池使用 以毫安/小时表示。平均电流越低，CapSense 工作时间就会越长（见参考书目 3）。可对 PSoC® 进行编程以使其具有不同的功耗模式。RF性考虑因素RF 可干扰任何电容感应系统的运行，包括

28、 CapSense（见参考书目 4）。在电场强度足够高的地方，RF 干扰会导致误判的按钮触摸，或者妨碍了真正的按钮触摸感应。蜂窝就是很好的例子，其将 RF有意结合到一起。器和按钮近距离地在连续触摸按钮时，处于快速响应模式。经过一段时间没有动作时，处于省电且缓慢响应的模式。从器开始超过 1/6 波长距离的电场强度可通过公式 (2)近似得出。长时间没有动作时，处于深度休眠模式。10(P / 10)E = 6.85 *Equation 2与其他电容感应解决方案相比，PSoC® 的优势之一是其可编程性。用户可根据需要，使 CapSense 进入省电模式。CapSense 按钮的响应速度非常之

29、快，每扫描一次按钮仅需200 微秒。可将这种高扫描速度与低休眠电流相结合以获得很低的平均电流。CapSense 系统的一个实例是处于省电且缓慢响应模式时，可每 100 毫秒对三个按钮扫描一次，而其消耗的平均电流不足 50 A。DE /米 = 电场。P dBm 供给天线的 RF 功率。D inches 天线至感应 Sensor 的距离。对于在 +28 dBm (0.6 W) 功率下发射信号的 800 MHz 蜂窝，距离天线 3"的电场可估算出大约为 60 V/m。图 21 显示了在 RF 干扰情况下的等效电路，例子中采用经过配置的 PSoC® 来运行 CapSense 内部的

30、二极管以保护噪声过滤通过传导和辐射源会将噪声引入到 CapSense 系统中。传导性噪声可通过电源和信号线路进入系统。蜂窝或荧光PSoC® 免受 ESD灯镇流器之类的辐射源可通过空气引入噪声。当这两种类型的噪声都 时，固件中的过滤技术可用于增大 CapSense 系统的信噪比 (SNR)。PSoC® 仅仅需要几行代码就能够实施FIR 和 IIR 数字滤波器。影响，最高可达 2 KV。®图 21 PSoC 输入端的二极管可提供 ESD 保护FIR 滤波器：与电源线路噪声的频率相比，手指触按的频率会偏低。在此情况下，低通滤波器 (LPF) 就成为一种非常高效的噪声过滤

31、解决方案。FIR LPF 可定义如下：y = (x1 + x2 + . + xN ) / NEquation 1每个噪声周期会对原始计数采样 N 次。N 个采样可根据公式 (1) 结合到一起。在 50 Hz 的噪声环境下，采样周期必须为 18 ms/N。FIR 滤波器的性能会随着 N 的次数增加而提高，因此只要系统就应使 N 值尽可能大。IIR 滤波器：FIR 滤波器在这方面的不足之处是它需要采用比 IIR 更高阶的滤波器才能获得相同的结果。这也许会使我们难以调节采样速率以使其与噪声周期相吻合。因此在某些时候，对 LPF 来说，IIR 滤波器是更为合适的选择。表 2 对 FIR 滤波器和 II

32、R 滤波器进行了具体比较。表 2 低通滤波器 FIR 与 IIR 的比较2008 年 12 月 18 日文件编号 001-50421 版本 *8+ Feedback滤波器类型（阶 = N）RAM响应时间是否一直保持稳定FIR LPF1N*T是IIR LPFN*2T否AN2394 (ZH)走线的谐振效应可形成天线。四分之一波长的走线就ESD 考虑因素当湿度很低时，是一款高效的天线。图 22 显示了四分之一波长的天线与频率的关系曲线。静电可达到 15 KV 。具体电压因CapSense 用户所穿衣服类型的不同而有所差异，如图 23所示。图 22 四分之一波长的走线就是一款高效的天线图 23静电电压

33、与有关湿度和物质类型的关系对于低电平的 RF 信号，CapSense 电路对系统的数字输出有任何的影响，因为低电平的 RF 信号看起来像是背景噪声，因而系统往往会忽略这种噪声。当 RF 功率增加时， CapSense 计数会偏移恒定的数量，该数量可通过干扰的功率电平进行设定。 RF 信号为交流信号，但是由于CapSense 输入端上二极管的作用使得对 CapSense 计数的影响却是直流信号。计数中的正漂移可导致误判的按钮触表 3 显示了普通覆盖物材料承受 12 KV 电压所需的最低厚度。如果遵循了表中的厚度指南，那么 CapSense 系统中的覆盖物将会避免 PSoC®性损坏。Ka

34、pton 胶带非常适合于需要特别 ESD 保护的应用。表 3 避免被击穿的覆盖物击穿电压以及最低厚度摸，而负偏移则会妨碍感应到真正的按钮触摸。CapSense 用户模块的手指和噪声阈值在计数中小偏移，在此情况下仍可正常工作。对于高电平的 RF 干扰， 就需要采用其他的测量办法。以下是两种可用的解决方案：RF 解决方案 #1调整 RF 与 CapSense：如果干扰源是部分相同的系统（其中嵌入了 CapSense），那么当禁用 CapSense。随后会将 PSoC®RF 进行发射上的一个引脚分配至Transmit_Enable 信号。CapSense 计数将继续受到大功率 RF 的影响

35、，但计数仅在器关闭的情形下才有效。RF 解决方案 #2衰减共振：电阻与 CapSense 输入串联起来将会使每个走线的共振衰减。推荐添加到CapSense 输入端的串联电阻阻值为 560，而通讯线路 I2C 和 SPI 宜采用 300的串联电阻。2008 年 12 月 18 日文件编号 001-50421 版本 *9+ Feedback材料击穿电压在 12 KV 时覆盖物的最低厚度(mm)空气1200 280010普通型79001.5硼硅酸盐型（耐热）13,0000.9福贴面18,0000.7ABS16,0000.8有机13,0000.9太空(Lexan)16,0000.8PET 薄膜（）28

36、0,0000.04聚酰亚胺薄膜 (Kapton)290,0000.04FR-428,0000.4干木39003AN2394 (ZH)结论本应用手册中所提到的用于 CapSense 设计的最佳实践能够参考书目1.应用手册 AN2233a，“电容式开关扫描” 斯半导体公司拉使工程师地将电容式感应特性添加到他们的之中。应用手册 AN2292 “ PSoC® CapSense 布扳指2.南”拉斯半导体公司3.应用手册 AN2360“CapSense 的功耗与休眠设计考虑因素”拉斯半导体公司应用手册 AN2318 “ PSoC® CapSense 应用的4.EMC 设计考虑因素”拉斯

37、半导体公司5.Application Note AN2403"Signal-to-Noise RatioRequirement for SemiconductorCapSenseApplications,"Cypress2008 年 12 月 18 日文件编号 001-50421 版本 *10+ FeedbackAN2394 (ZH)作者简介Mark Lee职位：高级应用工程师1992 年获电子工程博士学位背景：毕业于大学 (University ofWashington)，主修材料介电性能的计算机辅助建模在航空、医疗以及计算机行业具有丰富的经验，主要负责新项专利。的开发，并拥有多他于 2005 年加盟olr拉斯半导体公司。方式：2008 年 12 月 18 日文件编号 001-50421 版本 *11+ FeedbackA