电容触摸按键设计：如何利用工具箱进行CapSense布局

在典型的CapSense应用中，电容式传感器由FR4/FR2或柔性印刷电路（FPC）上的走线构成。设计CapSense布局为设计阶段中的重要步骤，遵循CapSense布局的最佳实践会帮助您获得更高的抗噪能力、较低的寄生电容（CP）以及更高的信噪比（SNR）。通过工具箱计算，能预评估出设计是否能达到要求，以便做出调整，更好、更快的实现设计预期。

 

一、设计CapSense布局需要考虑的因素

● 寄生电容（CP）：高传感器CP值使之难以检测到传感器电容的小变化，因而降低了灵敏度。CapSense布局的设计要满足传感器CP为最小的条件。

● 走线长度：更长的走线长度会使传感器CP增加并降低了传感器灵敏度。此外，长的走线如天线一样，并降低了传感器的抗噪能力。

● 传感器尺寸：传感器的尺寸取决于覆盖层的厚度。更厚的覆盖层，传感器尺寸也会更大。

● 功耗：传感器的功耗取决于传感器的CP。高的传感器CP将会延长传感器的扫描时间，并增大总的功耗。要想降低功耗，需要降低传感器CP。

● 请遵循布局最佳实践，以便得到：低CP、高SNR以及低功耗。

二、设计工具箱帮助优化CapSense布局

CY8CMBR3xxx设计工具箱是一个提供了通用布局指导、传感器尺寸估计、寄生电容估计、平均电流消耗以及传感器响应时间的电子表格。该设计工具箱是一个Excel表格，可以从EZ-Click访问，也可在Cypress官方网站CY8CMBR3xxx产品页面中找到最新版本设计工具箱的下载链接。该工具箱包括四个部分：通用布局指导，布局估计，CP、功耗以及响应时间计算，设计验证

1.通用布局指导

下面的数据表提供了有关传感器形状、最小和最大尺寸、传感器位置以及在PCB或FPC上布线等问题的建议。请按照这些请按照这些指导来设计。

2.布局估计

布局估计数据表基于最终系统要求和工业设计而推荐了最小和最大的走线长度，如上面表格所示。该数据表的输入参数如下：

覆盖层厚度：输入设计中将要使用的覆盖层厚度。CY8CMBR3xxx支持的最厚塑料覆盖层分别为5毫米（对于按键传感器）和2毫米（对于滑条传感器）。

● 覆盖层介电常数：输入覆盖层介电常数。有关一些材料的介电常数的详细信息，请查阅该数据表中的表C。材料的介电常数更高，传感器的灵敏度将更高。

● 每英寸走线的电容：请参考该数据表中的表C并输入每英寸走线的电容。与FPC相比，FR4PCB的Cp更低。

● 按键灵敏度：该参数决定了按键直径和最大覆盖层厚度。选择400fF值为系统的最低灵敏度，并选择100fF为系统的最高灵敏度。

● 滑条灵敏度：如果您的设计有一个滑条，请输入滑条的灵敏度。覆盖层更厚，灵敏度便更低。

● 噪声条件：噪声条件是决定传感器尺寸的因素之一。如果您的设计需要在高噪声环境下工作，请选择“High”值。如果噪声条件不确定，选择“Medium”值。

● 接近传感器类型：如果您的设计需要接近传感器，请选择接近传感器类型。

● 所需的接近距离：选择所需的接近距离。有效范围为1到30厘米。

● ALP滤波器：如果您的设计要求更大的接近距离和更小的环绕尺寸，便选择“Enabled”，否则，选择“Disabled”。当使能高级低通（ALP）滤波器时，接近传感器的响应时间将会增大。

基于所输入的参数，工具箱将给出下面内容：

● 用以获得 5:1 信噪比（ SNR）的最小按键直径：如果信噪比（ SNR）为 5:1 时所需的最小按键直径大于 15 毫米，工具箱将显示一个警报信息，提示您降低覆盖层厚度或增大传感器灵敏度。

● 用以获得 5:1 信噪比（ SNR）的最小滑条尺寸：当所需滑条尺寸超出范围时，工具箱将显示警报信息。在此情况下，需要降低覆盖层厚度或降低传感器灵敏度。

● 按键和滑条传感器的最大允许走线长度。

● 滑条段间的间隙和按键离地间隙。

● 在 SNR 为 5:1 的情况下，用以获得所需接近距离的最小接近环绕直径。

3. CP、功耗以及响应时间计算

电路板布局完成后，通过使用CP、功耗以及响应时间计算数据表，可以估计设计的CP、平均电流消耗以及响应时间。

3.1估计CP值

请按照下面步骤来估计传感器CP：

a、从表A的下拉列表中，选择器件型号。

b、如果选中了“CY8C3106S”器件型号，并设计中需要滑条，请输入滑条数量和每个滑条组中的段数量。

c、从表B的“传感器类型”列中，选择所需的传感器类型。未连接到任何传感器或不适用于所选器件型号的引脚，请选择NC（无连接）。有关引脚的详情，请参考CY8CMBR3xxx数据手册。

d、输入所选传感器的尺寸。“滑条长度”列只应用于滑条段。如果输入的传感器尺寸超过最大范围，工具箱将提示您减少传感器尺寸。要查看最小和最大传感器尺寸，请参考通用布局指导内容。

e、在“走线长度”列中，输入每个传感器的走线长度。

f、输入完这些参数后，工具箱将估计传感器Cp值，并显示在“传感器寄生电容（Cp）”列中。如果估计的Cp值大于45pF，要减少走线长度，直到Cp 值小于 45 pF 为止。如果传感器尺寸满足最大限制条件，建议不要减少传感器尺寸大小。

3.2 估计平均电流消耗

输入传感器尺寸（如估计CP值部分所述）后，请按照下面步骤来估计控制器的平均电流消耗：

a、在表B的“灵敏度”列中，选择每个传感器的灵敏度。灵敏度值越高，电流消耗将越低。

b、在表C中，选择扫描周期。扫描周期值越大，平均电流消耗将越低。

c、选择状态超时时间。超时时间越低，功耗也越低。根据您设计的要求来选择该值。

d、如果使能了EMC，请选择“Enabled”；否则，选择“Disabled”。

e、如果使能了蜂鸣器，选择蜂鸣器为ON时间值；否则，选择0。当使能蜂鸣器时，蜂鸣器为ON时间值的增大将会使平均电流消耗也增加。

f、如果使能了GPO上的PWM，请选择“Enabled”；否则，选择“Disabled”。

g、输入平均一个小时中的触摸数，以及每个传感器触摸的时间。该值取决于用户触摸传感器的频率。

h、输入完这些参数后，工具箱将显示估计的平均每小时的电流消耗，如图所示。

3.3 估计响应时间

传感器的响应时间取决于表B和表C中所输入值。要想估计按键和滑条的响应时间，请按照3.1和3.2节中所述的内容在表B和表C中分别输入参数。

请按照下面步骤来估计按键和滑条的响应时间：

a、在表D中，选择去抖动参数值。

b、如果使能了无限脉冲响应（IIR）和中值滤波器，在各自单元格中选择“Enabled”；否则，选择“Disabled”。

c、当输入这些参数时，工具箱将为按键和滑条分别显示了第一触摸和后续触摸的响应时间，如图所示。

要估计接近传感器的响应时间，请按照下面步骤进行操作：

a、要想估计不同工作模式下的接近传感器响应时间，请选择控制器的工作模式。有关每个工作模式的详情，请参考CY8CMBR3xxx的工作模式。

b、如果使能了高级低通（ALP）滤波器，请选择“Enabled”；否则，选择“Disabled”。

c、选择去抖动参数值。

d、输入这些参数后，工具箱将显示接近检测和接近释放的响应时间，如图所示。

4.验证设计

构建和测设原型板后，使用设计验证数据表来验证设计。要想使用设计验证数据表，必须在CP、功耗以及响应时间计算数据表的表B中输入参数。

“设计验证”数据表只会验证按键和滑条传感器的设计；它并不会验证或提供接近传感器设计的建议，这是因为接近传感器的设计取决于各种外部因素。

请按照下面步骤来验证您的设计：

a、使用EZ-Click来测量各个按键和滑条的原始信号、噪声以及CP值。

b、在表C中，输入每个传感器的原始信号、噪声以及CP值，如图所示。

c、工具箱基于这些参数而提供了推荐的传感器尺寸。如果在CP、功耗以及响应时间计算的表B中所输入的传感器尺寸大于或等于推荐的传感器尺寸，该设计的状态被显示为“通过”；否则，其状态为“失败”。

如果设计通过，原型阶段完成，此时设计可以就绪生产。

5.注意事项

如果设计中有接近传感器，工具箱将不会提供任何有关接近传感器的建议，并不会验证整个设计。

如果设计失败， 请按照下面步骤进行操作：

a、降低表 B 中的灵敏度参数值。

b、如果设计仍失败，请降低表A中的覆盖层厚度，如图所示。

c、降低灵敏度和覆盖层厚度后，如果设计仍失败，请根据表C中的推荐值在表B中输入新的传感器尺寸。

   

至此本文将CY8CMBR3xxx设计工具箱的使用介绍完毕，通过工具箱计算，预评估出您的设计是否能达到您的要求，以便您做出调整，实现更好、更快的设计以实现您的设计预期。