高灵敏度触控按键MCU PCB设计要点

        自电容触摸的灵敏度和抗干扰性能，会受到诸多因素影响，如电极形状和大小，触摸按键周围走线的方式，面 板的厚度，空气层的有无，以及产品的内部结构等等。本手册是赛元为触摸按键MCU应用提供的PCB Layout设 计技术手册，介绍如何设计触摸按键以及周边区域走线，并对影响的各因素进行了说明，同时提供推荐的应用示例。 目的是为了让客户在针对触摸按键MCU设计PCB时能更好的发挥触控性能，同时提高系统稳定性。

 一.触控按键MCU通用方案PCB设计要点

1.1赛元触控按键MCU应用电路

如上图以SC95F861xB赛元芯片电路为例，推荐的电路接法。

说明：

（1）. Cadj 容值： 推荐103电容，精度10%；

（2）. TK管脚上匹配电阻取值范围： 510Ω - 5.6K 推荐值：510R

1.2 Layout整体布局要求

1.2.1 触摸按键的形状及材料选择

材料选择：通常为PCB铜箔、金属片、平顶弹簧、导电棉、导电橡胶、ITO 玻璃层等

按键形状：PCB铜箔推荐圆形，其次方形。当用弹簧作为感应盘，应保证弹簧压缩量为3~10mm。 应当避免尖角形状按键（小于90度），其尖角部分会集中电场，降低抗干扰能力，不建议使用。

按键尺寸：推荐10.0x10.0~15.0x15.0mm之间。 注：如果在电极中配置LED或其他器件，请注意开孔尽可能的小，以确保在触摸按键时获取足够的信噪比。

1.2.2 触摸按键及其布线

1.  布局时尽量将触摸MCU放置在多个触控按键的中心位置，尽量减短触摸芯片引脚和触摸感应按键焊盘之 间的走线长度，最大走线长度为200 mm，最大走线宽度为10mil。

2. 相邻触摸按键间距应超过10mm，以避免相邻按键影响。走线禁止布置在任何触摸感应按键下方，除非走 线是和该触摸按键相连的。

3. 触摸走线和其他电器器件，金属件的安全间距应超过10mm。

4.相邻触摸走线，触摸走线和时钟信号或者通信线之间的安全间距应超过2mm。若触摸走线必须与之交叉， 确保走线应呈直角。

5.触摸通道的匹配电阻推荐阻值为510R（最大值应小于5.6K欧姆），应尽量靠近触摸芯片对应管脚放置， 推荐距离小于10mm，以降低射频干扰并提供ESD保护。

6. 触摸按键若是PCB铜箔式感应按键，应敷阻焊油、不露铜。尽量少使用过孔，以减少寄生电容。

7. 基准电容Cadj接在MCU的CMOD与VSS管脚之间，作为触控感应电路的充放电电容，是实现触控功 能的重要器件，它保障了触控电路的正常工作。Cadj容值：推荐103电容。建议使用温度系数小精度高 的电容，以免造成灵敏度不一致或随温度变化而变化。一般插件电容建议 10%精度涤纶电容，如需贴片 电容则建议使用10%或更高精度的NPO材质电容或X7R材质电容。 同时Cadj电容需要尽量靠近芯片管脚，推荐距离小于10mm。

1.2.3 电源电路走线

1.电源线和地线应先经过电容滤波（电解电容+104瓷片电容）之后再分别接入MCU的VDD和VSS管脚， 也可将电解电容换为钽电容，容值不小于10uF；

2.104 电容布局时应紧靠MCU的VDD及VSS引脚放置，距离应小于10mm；

3.功率负载部分与MCU控制部分的电源分立，功率负载部分应在104电容前取电。

4.电源纹波应控制小于100mv，最大不超过200mv。

     VDD和VSS的布线方式可参考下图： U1为触控IC，两根高亮的走线一个连到U1的VDD，一个连到U1的VSS，这两根线先经过C1（10uF钽电 容）,再经过C2（104贴片电容），最后再接入U1的VDD和VSS管脚上。

1.2.4 覆盖面板选择

1.覆盖面板介电常数应介于 2.0-8.0 之间，且不能为导电材料，也不能在覆盖层上使用包含金属颗粒的油 漆。

2.PCB铜箔式感应按键要求感应盘铜箔与触摸面板表面的垂直距离不大于3mm，否则触摸灵敏度降低。

3.覆盖层的厚度选择：非玻璃材料最大厚度应小于5mm，玻璃材料最大厚度应小于8mm。

4.若是弹簧式感应按键，尽量保证弹簧按键到面板的距离一致、弹簧顶端与触摸面板之间尽量不要有缝隙。

1.3 敷铜要求

1.GND敷铜可增强PCBA的抗干扰性能，建议使用网格式敷铜，铜皮有效面积需小于40%；(接近感应应 用特殊，Layout相关请至指定章节2.3 接近感应感应按键设计进行了解)

2.GND敷铜的网络应从滤波电容104之后的GND上引出，这样可以最大限度的屏蔽干扰信号；

3.感应盘四周其它触控网络最少的TK通道，其周围应有GND敷铜，且GND敷铜与该TK通道的感应盘 或按键的投影面边沿处的距离不小于3mm，推荐距离3mm。

如下图：最左端TK4周围仅有右侧的1个TK通道，TK4周围触控网络数量最少，根据第3点要求需对 TK4 的感应盘周围进行GND敷铜处理。右侧的TK1周围只有左侧有一个TK通道，同理也需做相同处理。

在感应盘周围的GND网络敷铜时要注意： 1) 避免GND网络的铜皮形成闭合环路； 2) GND的敷铜仅限于感应盘周围，所有TK通道的走线附近不要敷铜，否则会降低触控按键的灵 敏度。

4.除第3条情况外，其它触控网络应尽量远离GND网络；

5.如果是双面板，要避免在TK通道的走线和感应盘背面进行GND网络的敷铜，以免影响触控灵敏度。

6.如需引出调试接口，SCK和SDA连线到接线端口的引线间距尽可能的保证在两倍线宽以上；不要走平行 线，如无法避免，请在两线之间加地线隔离，以确保使用Touch Key Tool进行调试时，采集数据正常工 作。如采集数据时仍出现无数据上传，可以在MCU端 SCK对地接101电容（尽量靠近IC管脚）。

7.每个TK通道上串接电阻到PAD，尽量不在触控走线及PAD附近敷铜（减少对地电容），布局及走线可 参考下图。触控PAD尽量与敷铜间保持一定的间距（>=3mm以上）

二 特殊的触摸方案应用示例

2.1 面板和触摸按键存在间隙的处理

图1.2 显示了面板和触摸键电极之间存在间隙时的处理方法

1. 当空气间隙加面板的总厚度小于4mm时，使用赛元隔空触摸应用能检测到触摸，PCB设计和常规一致。

2. 当空气间隙过大，超过10mm时，已经超过隔空触摸应用范围。此时需要将触摸按键延长到面板上，连接 材料常规使用的是弹簧，导电橡胶等导电材料。

2.2 滑轮滑条感应按键设计

图1.3 显示的是推荐的线性滑条模型 ，而表1显示的是推荐的线性滑条尺寸。

      滑轮滑条感应 PAD 在 PCB 板上采用交互锯齿现状排布，为了保证效果,感应盘的宽度应在一个手指的宽度 (7mm~15mm)且感应盘之间间隙应该在0.5mm以上。布线时原则上感应盘底部不能有任何器件且禁止在感应盘周 围平行走线，尤其是高频信号线。用于滑轮滑条TK走线不能穿过其他滑轮滑条感应盘区域。

2.2.1 滑条感应盘PCB设计 滑条使用的TK通道最少为2个。滑条总长度增加10mm~20mm建议增加一个TK通道，每个锯齿相互咬合， 但是前后锯齿之间要留有过渡区域，如图锯齿长度12mm而过渡区域取锯齿长度的3分之一也就是4mm，在滑条 的最前和最后要留一个较大的过渡区域，一般可取锯齿长度的2分之一为6mm，这两段留过渡区域目的是能更好 的滑出最大值和最小值。

2.2.2 滑轮感应盘PCB设计 滑轮感应盘是环状的交互锯齿且每个感应盘形状保持对称， PCB设计时每个感应盘中心过度区要大于2mm， 所用 TK通道数最小为3。

      设计方法（如图,实例为4通道滑轮）:首先根据滑轮的结构尺寸在Drill Drawing层画好滑轮的内外圆，然后 把环L三等分后画出滑轮一个通道二分之一的边框线，其中D1=D2=4mm，D1、D2与环的宽度是Y的比例关系： D/Y=1/3，D3=1mm。在完成边框线后，将边框线拷贝粘贴旋转 3 份就得到均匀对称的滑轮，最后填充铜皮即可。

2.3 接近感应感应按键设计

2.3.1 电容式接近感应简单原理

       电容式接近感应技术涉及测量目标物体接近传感器时的电容变化，目标可以是人体或者任何导电物体。电容式 接近感应可以使用导电物体做传感器(通常是铜和锡等)，电容式接近传感器通常位于PCB上。 当电容式接近传感器受到电压源激励时，传感器周围会产生电场，少量的电场线与附近的地面耦合，而大部分 电场线则投射到附近的空间。

      当物体靠近接近感应传感器时，一些电场线与目标耦合并形成电容。电容的这种变化由电容电路测量，以检测 接近的目标物体。

       为保证远距离情况下接近感应通道的性能，应当减小接近感应通道上的寄生电容CP。推荐使用线宽为2-3mm 的环形闭合走线作为接近感应TK通道的感应线圈，感应线圈的面积要尽量大。   

2.3.2 实现电容式接近感应的布局设计

      实际应用中实现电容式接近感应是一个挑战，因为接近感应距离取决于各种因素，如传感器布局、噪声的存 在、以及浮动或接地的导电物体等。

      接近感应结构取决于应用和所需的接近范围。在近距离接近感应(最大接近距离为 3CM)的控制应用中，为了 得到该接近距离，需要有小面积且实心填充形状的传感器，对于要求更大接近距离的应用，则要使用器件周围的大 型传感器回路，以便得到更大的接近距离。

注：图示中Outer Ground Loop 接地回路，是用以提高对ESD事件的抗性，没有ESD需求请勿添加。添加 Outer Ground Loop 接地回路后，需要实测权衡接近范围、抗噪性以及ESD性能。

常见的接近感应传感器构造：  PCB或FPC上的铜制走线：圆形或者方形等规则环形PCB或FPC走线可以作为接近传感器使用。

2.3.3 电容式接近感应线圈规格选择

      接近感应传感器大小取决于各种因素，比如：所需接近感应距离、噪声源的存在以及悬浮或接地的导电物 体。噪声源和悬浮或接地的导电物体会降低信噪比（SNR：信号强度与噪声强度的比值）和接近感应距离。

       初步赛元给出的距离与线圈规格大小的关系如下： 假设接近感应线圈是规则的圆形回路（直径D1）或方形线圈回路（对角线距离D2） 接近感应约为D1/D2的1.5倍感应距离。

        但由于终端系统的复杂环境，同样的传感器大小也可能会获得不同的接近感应距离。 建议使用与所需接近感应距离相接近的最小回路直径（在圆形回路的情况下）或对角（在方形回路的情况 下）开始进行环境实测。如果未能达到需要的接近感应距离，建议逐渐加大传感器回路直径或对角，直到获得所 需的接近感应距离为止。

2.3.4 电容式接近感应Layout设计要点

 2.3.5 电容式接近感应应用环境注意

接近感应线圈附近禁止放置金属物体或者近地放置，否则会降低灵敏度并降低感应距离。 因为金属或者地会捕捉部分电场，增加寄生电容CP，从而降低手指所产生的电容，缩短感应距离。

布局规则快速检查表