电容IC设计方案以及电容降压原理图设计

[导读]电容式触摸按键IC设计方法与注意事项电容式触摸按键IC工作原理：任何两个导电的物体之间都存在着感应电容，一个按键即一个焊盘与大地也可构成一个感应电容，在周围环境不变

电容式触摸按键IC设计方法与注意事项

电容式触摸按键IC工作原理：任何两个导电的物体之间都存在着感应电容，一个按键即一个焊盘与大地也可构成一个感应电容，在周围环境不变化的情况下，该感应电容值是固定不变的微小值。当有人体手指靠近触摸按键时，人体手指与大地构成的感应电容并联焊盘与大地构成的感应电容，会使总感应电容值增加。电容式触摸按键IC在检测到某个按键的感应电容值发生改变后，将输出某个按键被按下的确定信号。电容式触摸按键因为没有机械构造，所有的检测都是电量的微小变化，所以对各种干扰敏感得多，触摸按键设计、触摸面板的设计以及触摸IC的选择都十分关键。这里华强北IC代购网为大家介绍电容式触摸按键IC的设计方法与注意事项。

一、触摸按键设计

1.触摸PAD材料

触摸PAD可以用PCB铜箔、金属片、平顶圆柱弹簧、导电棉、导电油墨、导电橡胶、导电玻璃的ITO层等。不管使用什么材料，按键感应盘必须紧密贴在面板上，中间不能有空气间隙。

当用平顶圆柱弹簧时，触摸线和弹簧连接处的PCB，镂空铺地的直径应该稍大于弹簧的直径，保证弹簧即使被压缩到PCB板上，也不会接触到铺地。

2.触摸PAD形状

原则上可以做成任意形状，中间可留孔或镂空。我们推荐做成边缘圆滑的形状，可以避免尖端放电效应。一般应用圆形和正方形较常见。

3.触摸PAD面积大小

按键感应盘面积大小：最小4mm&TImes;4mm，最大30mm&TImes;30mm。实际面积大小根据灵敏度的需求而定，面积大小和灵敏度成正比。一般来说，按键感应盘的直径要大于面板厚度的4倍，并且增大电极的尺寸，可以提高信噪比。各个感应盘的形状、面积应该相同，以保证灵敏度一致。通常，在绝大多数应用里，12mm&TImes;12mm是个典型值。

4.触摸PAD之间距离

各个触摸PAD间的距离要尽可能的大一些(大于5mm)，这样可以减少它们形成的电场之间的相互干扰。当用PCB铜箔做触摸PAD时，若触摸PAD间距离较近(5mm～10mm)，触摸PAD必须用铺地隔离，参考图1。如果各个触摸PAD距离较远，也应该尽可能的铺地隔离。适当拉大各触摸PAD间的距离，对提高触摸灵敏度有一定帮助。

二、触摸面板的选择

1.触摸面板材料

面板必须选用绝缘材料，可以是玻璃、聚苯乙烯、聚氯乙烯(pvc)、尼龙、树脂玻璃等，按键正上方1mm以内不能有金属，触摸按键50mm以内的金属必须接地，否则，金属会影响案件的灵敏度。在生产过程中，要保持面板的材质和厚度不变，面板的表面喷涂必须使用绝缘的涂料。

2.触摸面板厚度

通常面板厚度设置在0～10mm之间。不同的材料对应着不同的典型厚度，例如亚克力材料一般设置在2mm～4mm之间，普通玻璃材料一般设置在3mm～6mm之间。

3.双面胶

触摸按键PCB与触摸面板通过双面胶粘接，双面胶的厚度取0.1～0.15mm比较合适，推荐采用3M468MP，其厚度0.13mm。要求PCB与面板之间没有空气，因为空气的介电系数为1，与面板的介电系数差异较大。空气会对触摸按键的灵敏度影响很大。所以双面胶与面板，双面胶与PCB粘接，都是触摸按键生产装配中的关键工序，必须保证质量。

三、电容式触摸按键IC的选择与应用

目前，世界知名电子元器件供应商均加大了对电容式触摸按键IC的应用研究，并推出了众多的专业芯片(本文简称触摸芯片)，也有众多基于MCU集成类的IC，设计人员选择空间较大，可以根据功能的需求和芯片的性价比来选择适合设计需要的IC，也可以自己设计基于MCU的A/D口实现触摸IC，本文选用12按键带自校正功能的容性触摸感应器SC12A。

SC12A是带自校正的容性触摸感应器，可以检测12个感应盘是否被触摸。它可以通过任何非导电介质(如玻璃和塑料)来感应电容变化，这种电容感应的开关可以应用在很多电子产品上。

1.特征

12个完全独立的触摸感应按键;保持自动校正，无需外部干预;按键输出经过完全消抖处理;多接口-I2C串行接口/BCD码输出;所有按键共用一个灵敏度电容。

2.管脚

3.芯片功能

(1)初始化时间：上电复位后，芯片需要300ms进行初始化，计算感应管脚的环境电容，然后才能正常工作。

(2)灵敏度：由CDC端口接的电容值决定。数值越小，灵敏度越高。

(3)自校正：根据外部环境温度和湿度等的漂移，芯片会一直调整每个按键的电容基准参考值。从检测到按键开始，芯片会停止校正一段时间，这段时间大约15～50秒。然后芯片会继续自校正，也就是说检测按键有效的时间不会超过15～50秒。

(4)触摸反应时间：每个通道大约每隔12.5ms采样一次。经过按键消抖处理以后，检测到按键按下的反应时间大概是68毫秒，检测按键离开的反应时间大概是44毫秒。所以检测按键的最快频率大概是每秒9次。

(5)BCD码输出：SC12A可以检测多个按键同时有效。但是如果使用BCD码输出，就不能同时输出多个按键值。无按键时，BCD[3:0]输出为F。按键优先级由CIN0到CIN11依次降低。

4.应用电路(如图1所示)

电容降压原理

电容降压的工作原理是利用电容在一定的交流信号频率下产生的容抗来限制最大工作电流。例如，在50Hz的工频条件下，一个1uF的电容所产生的容抗约为3180欧姆。

当220V的交流电压加在电容器的两端，则流过电容的最大电流约为70mA。虽然流过电容的电流有70mA，但在电容器上并不产生功耗，应为如果电容是一个理想电容，则流过电容的电流为虚部电流，它所作的功为无功功率。

根据这个特点，我们如果在一个1uF的电容器上再串联一个阻性元件，则阻性元件两端所得到的电压和它所产生的功耗完全取决于这个阻性元件的特性。

例如，我们将一个110V/8W的灯泡与一个1uF的电容串联，在接到220V/50Hz的交流电压上，灯泡被点亮，发出正常的亮度而不会被烧毁。因为110V/8W的灯泡所需的电流为8W/110V=72mA，它与1uF电容所产生的限流特性相吻合。

同理，我们也可以将5W/65V的灯泡与1uF电容串联接到220V/50Hz的交流电上，灯泡同样会被点亮，而不会被烧毁。因为5W/65V的灯泡的工作电流也约为70mA。

因此，电容降压实际上是利用容抗限流。而电容器实际上起到一个限制电流和动态分配电容器和负载两端电压的角色。

下图为阻容降压的典型应用，C1为降压电容，R1为断开电源时C1的泄放电阻，D1为半波整流二极管，D2在市电的负半周为C1提供放电回路，否则电容C1充满电就不工作了，Z1为稳压二极管，C2为滤波电容。输出为稳压二极管Z1的稳定电压值。

在实际应用中，可以用下图代替上图，这里用了Z1正向特性和反向特性，其反向特性(也就是其稳压特性)来稳定电压，其正向特性用来在市电负半周给C1提供放电回路。

在较大的电流应用中，可以用全波整流，如下图：

在小电压全波整流输出时，最大输出电流即为：

容抗：Xc=1/(2πfC)

电流：Ic = U/Xc=2πfCU

采用电容降压时应注意以下几点：

1、根据负载的电流大小和交流电的工作频率选取适当的电容，而不是依据负载的电压和功率。

2、限流电容必须采用无极性电容，绝对不能采用电解电容。而且电容的耐压须在400V以上。最理想的电容为铁壳油浸电容。

3、电容降压不能用于大功率条件，因为不安全。

4、电容降压不适合动态负载条件。

5、同样，电容降压不适合容性和感性负载。

6、当需要直流工作时，尽量采用半波整流。不建议采用桥式整流。而且要满足恒定负载的条件。

器件选择

1.电路设计时，应先测定负载电流的准确值，然后参考示例来选择降压电容器的容量。因为通过降压电容C1向负载提供的电流Io，实际上是流过C1的充放电电流Ic。C1容量越大，容抗Xc越小，则流经C1的充、放电电流越大。当负载电流Io小于C1的充放电电流时，多余的电流就会流过稳压管，若稳压管的最大允许电流Idmax小于Ic-Io时易造成稳压管烧毁。

2.为保证C1可靠工作，其耐压选择应大于两倍的电源电压。

3.泄放电阻R1的选择必须保证在要求的时间内泄放掉C1上的电荷。

设计举例

已知C1为0.33μF，交流输入为220V/50Hz，求电路能供给负载的最大电流。 C1在电路中的容抗Xc为：

Xc=1 /(2 πf C)= 1/(2*3.14*50*0.33*10-6)= 9.65K

流过电容器C1的充电电流(Ic)为：

Ic = U / Xc = 220 / 9.65 = 22mA。

通常降压电容C1的容量C与负载电流Io的关系可近似认为：C=14.5 I，其中C的容量单位是μF，Io的单位是A。电容降压式电源是一种非隔离电源，在应用上要特别注意隔离，防止触电。