智能家居網絡控制器退耦技術應用

王 成，陳文杰，潘小釵，馬 帥，王 威

（浙江達峰科技有限公司 浙江 杭州 310023）

智能家居中網絡控制器控制方式多種，浙江達峰科技有限公司開發的網絡觸摸控制器為機械手動控制和移動控制（ZIGBEE和WIFI），兩種控制方式可集合在一起，移動控制方式有手機、網關、計算機等，機械手動控制為觸摸按鍵控制。在沒有外界干擾的情況下，網絡觸摸控制器在這些控制方式下能很好的實現既定的功能。在施加外界干擾情況下，手動觸控方式可能就存在相關問題，例如觸摸不靈敏，觸摸按鍵不響應，響應延遲等，移動控制可能存在發送指令無響應，或發送丟失等。因此，對于干擾源的抑制和降低是很值得研究學習。退耦技術應用優化，可以降低成本，提高產品抗干擾的能力，達到優化設計的目的[1]。

本課題采用硬件電路設計解決上述存在的問題，一方面通過添加退耦電容，另一方面通過合理的布局布線設計和PCB設計，二者結合的方法降低和抑制干擾，并且通過具體的試驗驗證（脈沖群干擾試驗），很好的驗證了退耦技術應用[2]。

1 方案設計及器件選擇

浙江達峰科技有限公司生產的網絡控制器采用ZIGBEE無線通信模塊，配合網關，以及不同類型的通信轉發模塊，可以適用于遙控器，網關，手機，電腦等移動控制。

在網絡控制器中具體設計采用模塊化設計，這樣便于產品設備規約化處理，便于故障排查和生產設計，具體設備模塊化設計如圖1所示。

圖1 設備模塊化設計Fig.1 Modular design

設備模塊化功能分為3個模塊，各個模塊功能介紹如下：

1）通訊/控制板

ZigBee通訊控制板，通訊控制板完成通訊協議接收、解析、簡單執行的功能。ZigBee通訊控制板內嵌協議棧，支持路由、組網等功能。通訊控制板小模塊化設計，采用插板方式插在控制接口板上或電源板上，也可以集成到控制接口板。

2）控制/接口板

控制接口板ZigBee通訊控制板采用ZigBee模塊，內嵌協議棧，支持路由、組網等功能。

3）電源/執行板

電源/執行板實現供電或執行功能。

在具體的網絡觸摸控制器設計，其具體結構圖如圖2所示。

圖2 觸摸控制器結構圖Fig.2 Touch controller block diagram

在觸摸按鍵控制器中，電源/執行板包含電源電路（提供12 V和3.3 V輸出電壓）和繼電器執行模塊，外留負載接口；控制/接口板包含單片機主控制電路，ZIGBEE通訊電路和按鍵掃描和觸摸驅動電路。所設計的電路板一共為2塊，中間通過通信口連接。其中控制/接口板對于退耦技術有很高的實質性的應用。

2 退耦技術

PCB設計的經驗法則：“在電路板的電源接入端放置一個 1～10μF的電容，濾除低頻噪聲；在電路板上每個器件的電源與地線之間放置一個0.01～0.1μF的電容，濾除高頻噪聲。”退耦是為了給電源電路干擾信號提供一個低阻抗的出路。一般選擇0.1μF電容作為退耦電容。在高速PCB設計[3]中，這個容值需要依據信號頻率具體計算，防止濾除有效信號。

實際電源系統中主要存在電源塌陷噪聲，其噪聲分布不僅僅局限于與芯片內部，其實與整個電路板芯片引腳，走線長度，地線處理都有關系。因此，在具體的網絡觸摸控制器設計中，弱電電路和強電電路區域必須要分開，保持足夠的電氣間隙和爬電距離。對于開關電源電路紋波要求必須符合企業或國家標準，以降低電源前端EMI傳導和EMC電磁干擾[3-4]。弱電電路部分充分要考慮退耦電容的使用以及在實際PCB設計中退耦技術的處理，改善整個產品EMI和EMC性能。

3 觸摸驅動電路設計

針對退耦技術具體應用，選擇電容式觸摸芯片CP2524作為具體分析電路。這個系列的觸摸芯片通過感應觸摸，引起感應電極上的電容變化，進而將電容信號變化量轉換成數字信號。在CP2524芯片中應用中注重3個引腳功能，電源引腳，PD引腳和IADJ（調節靈敏度）。其中PD是掉電有效，高有效[5]。

在設計時，我們將PD引腳作為復位引腳，在3.3 V工作電壓輸入端接入104P小電容，便于退耦。所設計的CP2524觸摸驅動電路如圖3所示。

圖3 CP2524觸摸驅動電路Fig.3 CP2524 touch chip driver circuit

在具體的PCB布局設計中，將電源/執行板與控制接口板分開，通過通信口引入3.3 V工作電壓。因此，在控制主板上，對于電源線布置走線不可能按照最短路徑，其噪聲分布很是明顯。在實際設計中，3.3 V主電源輸入端附近放一個0.1μF小電容，并且盡可能的靠近電源端，之后對其他芯片供電。整個3.3 V電源線走線附近盡可能的鋪地（GND）。在圖3所示中，CP2524電源端放置C8，其放置位置盡可能靠近電源。在PD引腳端，建議單獨走一根粗地線。所有信號線，電源線盡可能走同一板面，地線走另一面。在電源線附近，要預留足夠的鋪設地線的空間。

鋪地（鋪銅）之后，就要添加過孔，將上下兩層地層連接，盡量保持一層地的完整性。一個過孔就相當于小電容，并且在電源線附近多放置，盡可能的靠近電源線，便于更好的提供退耦，去耦通道[5]。

4 測試及調試結果

實際中網絡觸摸控制器設計完成后需要功能測試，各種電氣性能實驗驗證。這里主要涉及到靜電放電和脈沖群干擾實驗。在實際設計中，若是電源線處置不合理，以及鋪銅（GND）不合理，導致退耦處理不好，會影響實驗的具體結果。初次設計控制板走線時，電源走線單一，電源線走線附近地層割裂，與另一層地層之間過孔太少，銜接太遠。

脈沖群干擾試驗中，設定干擾電壓1 kV，1.5 kV、2.5 kV。驗收標準為2.5 kV無異常，無死機。靜電放電試驗設定接觸放在為正負8 kV。脈沖群干擾測試分為2種，在干擾情況下，一種是手動觸摸按鍵，查看按鍵功能實現，另一種采用PC主機（電腦）進行通信測試。通信測試中，采用通訊調試板—RL12D-C07V2.00，設定好波特率等基本參數，發送抄讀幀“5A 5C 12 00 00 00 00 00 FF FF FF FF FF 01 01 04 C9 A5”，查看回復幀，應有5A 5C……A5的回復幀，長度為22字節。經過多次測試（測試次數99次），對比發送幀和回復幀吻合情況。

干擾電壓1 kV，觸摸按鍵測試和通信測試均正常。設定干擾電壓1.5 kV或2.5 kV，觸摸按鍵會出現很大失靈，觸摸按鍵無響應等情況。干擾電壓2.5 kV時，通信測試時接收出現較大的丟失率，超過20%。具體通信測試如圖4所示。

圖4 干擾下通信測試結果（改良前）Fig.4 Results under communication interference test（before improved）

改善方法一：在C8端外接接入0.1 uF的瓷片電容（引腳很短），在脈沖群干擾試驗中觸摸按鍵控制出現較大的改觀，在1.5 kV干擾電壓中，觸摸按鍵很少出現失靈，無響應等情況。但是在靜電放電試驗（正負8 kV接觸放電）中，因為這個電容會提供暫時性的充放電功能，導致負載電壓出現抖動，同樣導致試驗不合格。在C8端并聯2個或3個及以上的瓷片電容（0.1μF），對于退耦無多大改善效果（其效果與額外并聯一個瓷片電容基本無差別）。此方法不適用。

改善方法二：控制主板布局無改變，著重于電源線走線處理，將電源線分成2部分，分別走線，一線供電于IC芯片，另一條線供電于其他芯片。在電源線分線附近添加一個0.1μF小電容，在芯片電源端引腳盡可能放置一個0.1μF貼片小電容，在電源線走線附近兩側，鋪設地層，電源線另一層地層包含電源線走線區域，并且上下二層地層用過孔連接，保持一層地線的完整性，電源線附近地層過孔放置要多。改良設計后進行脈沖群干擾試驗2.5 kV測試，觸摸按鍵和通信測試均取得良好的測試結果，通信測試結果如圖5所示。

圖5 干擾下通信測試結果（改良后）Fig.5 Results under communication interference test（after improved）

5 結 論

在產品設計時，尤其對于網絡觸摸控制器而言，對于電源噪聲影響很敏感。尤其產品設計完工需要進行EMI和EMC測試，直接關系到產品設計的成敗。在原理圖上設計考慮退耦電容的同時，在進行具體的PCB設計時同樣需要考慮退耦的處理。只有考慮全面，以及實際性的試驗驗證，才能進一步增加退耦技術實際上的應用，絕不是停留在理論上。

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