Die Entwicklung mobiler Handheld-Geräte mit Touchscreen-HMIs ist eine komplexe Designherausforderung, insbesondere für projiziert-kapazitive Touchscreen-Designs, die derzeit die Mainstream-Technologie für Multi-Touch-Schnittstellen darstellen. Der projizierte kapazitive Touchscreen kann die Position, an der der Finger den Bildschirm berührt, genau lokalisieren und die Position des Fingers durch Messung der kleinen Kapazitätsänderung beurteilen. Ein wichtiger Designaspekt bei solchen Touchscreen-Anwendungen ist die Auswirkung elektromagnetischer Interferenzen (EMI) auf die Systemleistung. Durch Interferenzen verursachte Leistungseinbußen können sich nachteilig auf Touchscreen-Designs auswirken. Diese Interferenzquellen werden in diesem Artikel untersucht und analysiert.
Projiziert-kapazitive Touchscreen-Struktur
Typische projiziert-kapazitive Sensoren werden unter einer Glas- oder Kunststoffabdeckung montiert. Abbildung 1 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht eines zweischichtigen Sensors. Die Sende- (Tx) und Empfangselektroden (Rx) sind mit transparentem Indium-Zinn-Oxid (ITO) verbunden und bilden eine Kreuzmatrix, wobei jeder Tx-Rx-Übergang eine charakteristische Kapazität aufweist. Das Tx ITO befindet sich unterhalb des Rx ITO, getrennt durch einen Polymerfilm oder optischen Kleber (OCA). Wie in der Abbildung gezeigt, verläuft die Richtung der Tx-Elektroden von links nach rechts und die Richtung der Rx-Elektroden verläuft von der Außenseite des Papiers zur Innenseite des Papiers
Wie der Sensor funktioniert
Analysieren wir für einen Moment die Bedienung des Touchscreens, ohne die Störfaktoren zu berücksichtigen: Der Finger des Bedieners soll auf Erdpotential liegen. Rx wird durch die Touchscreen-Steuerschaltung auf Erdpotential gehalten, während die Tx-Spannung variabel ist. Die variierende Tx-Spannung bewirkt, dass Strom durch den Tx-Rx-Kondensator fließt. Eine sorgfältig ausbalancierte integrierte Rx-Schaltung isoliert und misst die in Rx eintretende Ladung. Die gemessene Ladung stellt die „gegenseitige Kapazität“ dar, die Tx und Rx verbindet.
Sensorstatus: nicht berührt
Abbildung 2 zeigt ein schematisches Diagramm der magnetischen Kraftlinien im unberührten Zustand. Ohne Berührung mit den Fingern nehmen die Tx-Rx-Flusslinien einen beträchtlichen Raum innerhalb der Abdeckung ein. Die Randflusslinien werden aus der Elektrodenstruktur projiziert, daher der Begriff „projizierte Kapazität“.
Sensorstatus: Berührung
Wenn ein Finger die Abdeckung berührt, bilden sich magnetische Kraftlinien zwischen Tx und dem Finger, und diese magnetischen Kraftlinien ersetzen eine große Anzahl von Tx-Rx-Randmagnetfeldern, wie in Abbildung 3 dargestellt. Auf diese Weise verringert die Fingerberührung die Tx-Rx-Gegenkapazität. Die Ladungsmessschaltung identifiziert die sich ändernde Kapazität (△C) und erkennt so einen Finger über dem Tx-Rx-Übergang. Durch die Durchführung einer △C-Messung an allen Schnittpunkten der Tx-Rx-Matrix kann die Berührungsverteilungskarte des gesamten Panels ermittelt werden.
Abbildung 3 zeigt auch einen weiteren wichtigen Effekt: die kapazitive Kopplung zwischen dem Finger und den Rx-Elektroden. Über diesen Pfad können elektrische Störungen an Rx gekoppelt werden. Ein gewisses Maß an Finger-Rx-Kopplung ist unvermeidlich.
Terminologie
Störungen in projiziert-kapazitiven Touchscreens werden durch nicht wahrnehmbare parasitäre Pfade gekoppelt. Der Begriff „Erde“ wird oft verwendet, um sich sowohl auf den Referenzknoten eines Gleichstromkreises als auch auf eine Verbindung mit niedriger Impedanz zur Erde zu beziehen: Es handelt sich dabei nicht um denselben Begriff. Tatsächlich ist dieser Unterschied bei tragbaren Touchscreen-Geräten die Hauptursache für Berührungskopplungsstörungen. Zur Verdeutlichung und Vermeidung von Verwirrung verwenden wir die folgenden Begriffe zur Bewertung von Touchscreen-Interferenzen.
•Erde: Mit der Erde verbunden, beispielsweise über das Erdungskabel einer 3-poligen Wechselstromsteckdose.
• Verteilte Erde (verteilte Erde): Die kapazitive Verbindung des Objekts mit der Erde.
•DC Ground: DC-Referenzknoten für tragbare Geräte.
•DC Power: Die Batteriespannung des tragbaren Geräts. Oder die Ausgangsspannung eines Ladegeräts, das an ein tragbares Gerät angeschlossen ist, z. B. 5 V Vbus in einem Ladegerät mit USB-Schnittstelle.
• DC VCC (Direct Current VCC Power): Eine geregelte Spannung, die die Elektronik tragbarer Geräte, einschließlich LCD- und Touchscreen-Controller, mit Strom versorgt.
• Neutral: Wechselstromrückführung (nominal auf Erdpotential).
•Heiß (Feuer): Wechselstrom-Netzspannung, Stromzufuhr relativ zum Neutralleiter.
LCD Vcom ist mit der Touchscreen-Empfangsleitung verbunden
Touchscreens tragbarer Geräte können direkt am LCD-Display montiert werden. In einer typischen LCD-Architektur wird das Flüssigkristallmaterial durch transparente obere und untere Elektroden vorgespannt. Die mehreren Elektroden unten bestimmen die mehreren einzelnen Pixel des Displays; die gemeinsame Elektrode oben ist eine durchgehende Ebene, die die gesamte visuelle Vorderseite des Displays abdeckt und auf die Spannung Vcom vorgespannt ist. In einem typischen tragbaren Niederspannungsgerät wie einem Mobiltelefon ist die AC-Vcom-Spannung eine Rechteckwelle, die zwischen DC-Masse und 3,3 V hin und her oszilliert. Der AC-Vcom-Pegel wird normalerweise einmal pro Anzeigezeile umgeschaltet, daher beträgt die erzeugte AC-Vcom-Frequenz die Hälfte des Produkts aus der Bildwiederholfrequenz des Displays und der Anzahl der Zeilen. Ein typisches tragbares Gerät könnte eine AC-Vcom-Frequenz von 15 kHz haben. FIG. 4 ist ein schematisches Diagramm der an den Touchscreen gekoppelten LCD-Vcom-Spannung.
Ein doppelschichtiger Touchscreen besteht aus separaten ITO-Schichten, die mit Tx-Arrays und Rx-Arrays gefüllt sind und durch eine dielektrische Schicht getrennt sind. Die Tx-Leitungen nehmen die gesamte Breite des Tx-Array-Abstands ein und die Leitungen sind nur durch den für die Herstellung erforderlichen Mindestabstand voneinander getrennt. Diese Architektur wird als selbstabgeschirmt bezeichnet, da das Tx-Array das Rx-Array vom LCD-Vcom abschirmt. Es kann jedoch immer noch eine Kopplung über die Tx-Interbandlücke erfolgen.
Um die Architekturkosten zu senken und eine bessere Transparenz zu erreichen, montieren einschichtige Touchscreens Tx- und Rx-Arrays auf einer einzigen ITO-Schicht, und jedes Array wird nacheinander von einer separaten Brücke überspannt. Daher kann das Tx-Array keine Abschirmung zwischen der LCD-Vcom-Ebene und den Rx-Elektroden des Sensors bilden. Dies birgt die Möglichkeit einer starken Vcom-Interferenzkopplung.
Störungen des Ladegeräts
Eine weitere potenzielle Quelle für Touchscreen-Störungen ist das Schaltnetzteil des netzbetriebenen Telefonladegeräts. Störungen werden über die Finger auf den Touchscreen übertragen, wie in Abbildung 5 dargestellt. Kleine Ladegeräte für Mobiltelefone verfügen normalerweise über Wechselstromleitungs- und Neutralleitereingänge, aber keinen Erdungsanschluss. Das Ladegerät ist sicherheitsisoliert, sodass zwischen dem Netzeingang und der Sekundärseite des Ladegeräts keine Gleichstromverbindung besteht. Allerdings entsteht dadurch immer noch eine kapazitive Kopplung über den Schaltnetzteil-Trenntransformator. Eine Störung des Ladegeräts erzeugt einen Rückweg durch einen Finger, der den Bildschirm berührt.
Hinweis: In diesem Zusammenhang bezieht sich die Störung des Ladegeräts auf die angelegte Spannung des Geräts gegenüber der Erde. Diese Störung kann aufgrund ihrer Äquivalenz bei Gleichstrom und Gleichstromerde als „Gleichtaktstörung“ bezeichnet werden. Das zwischen dem Gleichstromausgang des Ladegeräts und der Gleichstrommasse erzeugte Stromschaltgeräusch kann den normalen Betrieb des Touchscreens beeinträchtigen, wenn es nicht ausreichend herausgefiltert wird. Dieses Problem mit dem Stromversorgungsunterdrückungsverhältnis (Power Supply Rejection Ratio, PSRR) ist ein weiteres Problem, das in diesem Artikel nicht behandelt wird.
Kopplungsimpedanz des Ladegeräts
Schaltstörungen des Ladegeräts werden durch die Primär-Sekundär-Leckkapazität des Transformators (ca. 20 pF) gekoppelt. Dieser schwache kapazitive Kopplungseffekt kann durch die parasitäre Nebenschlusskapazität kompensiert werden, die in der relativ verteilten Masse des Ladekabels und des mit Strom versorgten Geräts selbst auftritt. Wenn das Gerät in die Hand genommen wird, erhöht sich die Shunt-Kapazität, was normalerweise ausreicht, um die Schaltstörung des Ladegeräts zu beseitigen, sodass die Störung die Touch-Bedienung nicht beeinträchtigt. Eine der schlimmsten Störungen durch das Ladegerät tritt auf, wenn das tragbare Gerät an das Ladegerät angeschlossen und auf einen Tisch gestellt wird und die Finger des Bedieners nur Kontakt mit dem Touchscreen haben.
Störkomponente des Ladegerätschalters
Ein typisches Ladegerät für Mobiltelefone verwendet eine Flyback-Schaltungstopologie. Die von dieser Art von Ladegerät erzeugte Interferenzwellenform ist komplexer und variiert je nach Ladegerät stark, abhängig von den Schaltungsdetails und der Strategie zur Steuerung der Ausgangsspannung. Abhängig vom konstruktiven Aufwand und den Stückkosten, die der Hersteller in die Abschirmung des Schalttransformators investiert, können auch die Störamplituden stark variieren. Typische Parameter sind:
Wellenformen: Einschließlich komplexer PWM-Rechteckwellen und LC-Ringing-Wellenformen. Frequenz: 40–150 kHz unter Nennlast. Wenn die Last sehr gering ist, sinkt die Impulsfrequenz oder der Sprungzyklusbetrieb unter 2 kHz. Spannung: bis zur Hälfte der Spitzenspannung des Netzteils =Vrms/√2.
Störkomponente der Stromversorgung des Ladegeräts
An der Vorderseite des Ladegeräts wird die Netzwechselspannung gleichgerichtet, um die Hochspannungsschiene des Ladegeräts zu erzeugen. Auf diese Weise wird der Schaltspannungskomponente des Ladegeräts eine Sinuswelle der halben Versorgungsspannung überlagert. Ähnlich wie bei Schaltstörungen wird auch diese Versorgungsspannung über einen Schalttrenntransformator eingekoppelt. Bei 50 Hz oder 60 Hz ist die Frequenz dieser Komponente viel niedriger als die Schaltfrequenz, sodass ihre effektive Kopplungsimpedanz entsprechend höher ist. Die Schwere von Versorgungsspannungsstörungen hängt von den Eigenschaften der Parallelimpedanz zur Erde und auch von der Empfindlichkeit des Touchscreen-Controllers gegenüber niedrigen Frequenzen ab.
Sonderfall Netzstörung: 3-poliger Stecker ohne Erdung
Netzteile mit höherer Leistung (z. B. Laptop-Netzteile) sind möglicherweise mit einem 3-poligen Netzstecker ausgestattet. Um EMI am Ausgang zu unterdrücken, kann das Ladegerät den Erdungsstift der Hauptstromversorgung intern mit der Gleichstrommasse des Ausgangs verbinden. Diese Art von Ladegerät verbindet normalerweise Y-Kondensatoren zwischen den heißen und neutralen Drähten und der Erde, um leitungsgebundene EMI von der Stromleitung zu unterdrücken. Unter der Annahme, dass eine absichtliche Erdungsverbindung besteht, beeinträchtigt dieser Adaptertyp keine PCs mit Stromversorgung und über USB angeschlossene tragbare Touchscreen-Geräte. Der gestrichelte Kasten in Abbildung 5 veranschaulicht diese Konfiguration.
Bei PCs und ihren über USB angeschlossenen tragbaren Touchscreen-Geräten tritt ein besonderer Fall von Ladegerätstörungen auf, wenn ein PC-Ladegerät mit einem 3-poligen Stromeingang an eine Steckdose angeschlossen wird, die keinen Erdungsanschluss hat. Der Y-Kondensator koppelt den Wechselstrom an den Gleichstrom-Masseausgang. Ein relativ großer Y-Kondensatorwert koppelt die Versorgungsspannung sehr effizient, wodurch große Versorgungsfrequenzspannungen über einen Finger auf dem Touchscreen mit relativ niedriger Impedanz gekoppelt werden können.
Zusammenfassung dieses Artikels
Projiziert-kapazitive Touchscreens, die heute in tragbaren Geräten weit verbreitet sind, sind anfällig für elektromagnetische Störungen und Störspannungen von internen oder externen Quellen werden kapazitiv an das Touchscreen-Gerät gekoppelt. Diese Störspannungen verursachen Ladungsbewegungen innerhalb des Touchscreens, was die Messung der Ladungsbewegung verfälschen kann, wenn ein Finger den Bildschirm berührt. Daher hängt die effektive Gestaltung und Optimierung von Touchscreen-Systemen davon ab, den Interferenzkopplungspfad zu verstehen und ihn so weit wie möglich zu reduzieren oder zu kompensieren.
Interferenzkopplungspfade beinhalten parasitäre Effekte wie die Kapazität der Transformatorwicklung und die Kapazität der Fingervorrichtung. Eine ordnungsgemäße Modellierung dieser Effekte kann eine gute Vorstellung von der Quelle und dem Ausmaß der Störung liefern.
Bei vielen tragbaren Geräten stellt das Ladegerät eine große Störquelle für den Touchscreen dar. Wenn der Finger des Bedieners den Touchscreen berührt, führt die erzeugte Kapazität dazu, dass der Interferenzkopplungskreis des Ladegeräts abgeschaltet wird. Die Qualität der internen Abschirmung des Ladegeräts und die ordnungsgemäße Erdung des Ladegeräts sind die Schlüsselfaktoren für die Störkopplung des Ladegeräts.
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