觸摸屏Touch IC ESD/EOS防護(hù)方案及TVS選型

觸控技術(shù)是一種通過(guò)觸摸屏幕或其它觸摸表面來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的技術(shù)，隨著科技的不斷發(fā)展，觸控屏已經(jīng)成為手機(jī)、車機(jī)、IOT交互等現(xiàn)代電子設(shè)備中不可或缺的一部分。

最早的觸摸屏是電阻式，它由兩層導(dǎo)電材料構(gòu)成，當(dāng)用戶觸摸屏幕時(shí)，兩層導(dǎo)電材料會(huì)接觸，從而改變電阻值，從而實(shí)現(xiàn)位置的檢測(cè)。電阻式屏幕具有成本、技術(shù)低等優(yōu)勢(shì)，缺點(diǎn)是只能單點(diǎn)觸摸，連續(xù)滑動(dòng)很容易出現(xiàn)斷點(diǎn)；電容式觸摸屏有自容式、互容式等等方式，目前觸目所及大部分就是互容式觸摸屏，電容式觸摸屏外形可塑性強(qiáng)，比如窄邊框、無(wú)邊框、折疊屏等，目前消費(fèi)產(chǎn)品大都是采用電容屏。

觸摸屏的優(yōu)勢(shì)在于直觀的操作方式，由于它們可以通過(guò)直接與圖標(biāo)和按鈕接觸來(lái)進(jìn)行輸入，所以對(duì)不熟悉的用戶來(lái)說(shuō)很容易理解并且易于使用。觸摸面板還允許將顯示器和輸入組合到一塊硬件中（圖1），從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化和簡(jiǎn)單化。這些觸摸屏內(nèi)部結(jié)構(gòu)的主要核心是一個(gè)用于處理計(jì)算的IC芯片，電路基板上另有一層特定圖案的透明電極模組，面板的最表面則覆蓋著絕緣玻璃或塑料蓋。當(dāng)手指接近表面時(shí)，多個(gè)電極之間的電容量會(huì)同時(shí)發(fā)生變化，可以通過(guò)測(cè)量這些電流之間的比率來(lái)精確識(shí)別接觸的位置(圖2)。

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圖1.電容屏結(jié)構(gòu)

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圖2.觸摸電路基板檢測(cè)電路

現(xiàn)今，觸摸屏已被廣泛應(yīng)用于各種移動(dòng)型產(chǎn)品中，但如與有線/無(wú)線充電器或其他負(fù)載連接時(shí)因插拔所導(dǎo)致的ESD/EOS噪聲，這期間將可能通過(guò)設(shè)備物理層耦合到傳感器，而對(duì)觸摸的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性造成影響。以手機(jī)產(chǎn)品為例，不完善的邊緣布局或天線設(shè)計(jì)，甚至是未完整考慮防護(hù)的接口設(shè)備，這些都已被證明是ESD/EOS的重大來(lái)源。觸摸處理器采用深納米技術(shù)CMOS工藝，同樣的芯片面積可以放更多的晶體管，好處是提升產(chǎn)品運(yùn)算性能，但在器件級(jí)ESD耐受度的趨勢(shì)卻是越來(lái)越弱（器件級(jí)HBM通常要求通過(guò)2kV）。處理器中每個(gè)IO都有內(nèi)嵌ESD電路，且這些IO ESD cell的最大允許電流及電導(dǎo)(Admittance)與它們的尺寸成正比，但受IO電容和芯片尺寸的限制IO cell無(wú)法任意完成設(shè)計(jì)，受限的設(shè)計(jì)導(dǎo)致進(jìn)入深納米技術(shù)的觸摸處理器對(duì)ESD越來(lái)越敏感。當(dāng)產(chǎn)品受到外界ESD轟擊時(shí)，IO ESD cell鉗位電壓會(huì)隨ESD電流的增大而上升，當(dāng)ESD能量過(guò)大時(shí)，鉗位電壓可能升高到IC內(nèi)部最大允許電壓以上從而造成誤動(dòng)作或當(dāng)機(jī)；嚴(yán)重者（工廠ESD測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：接觸放電±8kV/空氣放電±15kV），將直接擊穿IC內(nèi)部ESD保護(hù)電路后，能量繼續(xù)傳導(dǎo)到內(nèi)部電路，造成多次損壞。

另一方面，通常TVS保護(hù)器件制程在幾百納米，TVS瞬間可以泄放ESD的能力直接與芯片面積成正比，且其耐受度遠(yuǎn)優(yōu)于IC內(nèi)嵌ESD防護(hù)設(shè)計(jì)。所以，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)靜電放電抗擾度設(shè)計(jì)時(shí)建議在IC外部增加TVS，此時(shí)ESD電流會(huì)先通過(guò)外部TVS泄放，IC內(nèi)部損壞的可能性則大大降低（圖3和圖4）。

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圖3.ESD最佳泄放路徑

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圖4.Touch FPC TVS防護(hù)設(shè)計(jì)

隨著手機(jī)、平板、智慧穿戴待機(jī)時(shí)長(zhǎng)要求，電池容量希望可以做的更大，產(chǎn)品內(nèi)部沒(méi)有足夠的空間擺放更多器件，小封裝TVS優(yōu)勢(shì)便能體現(xiàn)出來(lái)，晶焱科技推薦0201（0.6mm×0.3mm）封裝以滿足PCB空間需求和廠內(nèi)ESD測(cè)試要求。如表1，針對(duì)通信接口SPI/IIC推薦AZ5A23-01F和AZ5B85-01B,均滿足ESD Level 4測(cè)試要求。另外，晶焱科技與Touch IC廠商配合，在觸摸處理器量產(chǎn)前便完成參考設(shè)計(jì)電路的驗(yàn)證，以提供最好的技術(shù)支持來(lái)滿足客戶對(duì)ESD/EOS設(shè)計(jì)要求。

表1. Touch FPC接口ESD/EOS防護(hù)方案

未來(lái)幾年，智慧手機(jī)采用的電容式觸摸屏仍將是該領(lǐng)域的主導(dǎo)技術(shù)，紅外、光、聲波等觸覺(jué)傳感器技術(shù)將緊隨其后。無(wú)論采用哪種技術(shù)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互應(yīng)用，接口芯片都需要在設(shè)計(jì)初期考慮ESD/EOS問(wèn)題，以降低生產(chǎn)過(guò)程或終端客戶使用過(guò)程中的不良比率，避免返修成本及商譽(yù)損失。

提供原廠技術(shù)支持和方案應(yīng)用075582542001，82574660謝謝惠顧~

審核編輯 黃宇