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        專家教你如何設計好液晶電視電磁兼容?

        -2018-10-16-

        上海海悅電子科技有限公司成立于2006年,公司自成立至今一直專注于安規與電磁兼容測試設備的研發、生產和銷售,公司的主要人員具有近20年的從業經歷,有著豐富的實踐經驗,已經成功給多家大型認證實驗室提供過測試設備的規劃以及相應試驗設備供應,公司自行生產數百種各類安規設備、試驗儀器,并承接非標定制試驗設備。

        公司一直以嚴謹的態度,秉承“以誠信為基石,提供專業的技術服務,完善的解決方案,高品質的試驗設備”的理念,不斷的完善售后服務,提高產品品質,努力成為同行業的佼佼者.

        公司同時代理銷售國內外多家知名的安規設備廠商產品,包括:美國COMPWEST、意大利ATS、美國ED&D、臺灣鯨揚、日本SOKEN、日本KIKUSUI、日本YOGOGAWA、臺灣艾普斯、日本SOKEN、日本ESPEC等等。

         公司在電磁兼容領域提供完整的EMI與EMS設備,代理供應包括歐洲EM-TEST、意大利AFJ、德國FRANKONIA、瑞士EMC-PARTNER、日本MORITA等眾多廠家產品,同時公司也是北京科環在華東區銷售網點。

        電磁兼容(EMC)是液晶電視設計中不可避免的重要問題。如果EMC設計不好,將會導致電視在播放的過程中出現水波紋以及頻閃等問題,嚴重時將會導致無法收看。

        EMC設計實際上就是針對產品中產生的電磁干擾進行優化設計,使之符合各國或地區的EMC標準。其定義是:設備或系統在其電磁環境中能正常工作且不對該環境中任何事物構成不能承受的電磁干擾(EMI)的能力。

        電磁干擾一般都分為兩種,傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合(干擾)到另一個電網絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合(干擾)到另一個電網絡。

        液晶電視結構主要包括:液晶顯示模塊,電源模塊,驅動模塊(主要包括主驅動板和調諧器板)以及按鍵模塊。一般液晶顯示模塊由生產廠商在生產前已經完成EMC的測試。這里主要介紹一下設計電源模塊、驅動模塊、按鍵模塊,以及整機設計時應注意的電磁干擾問題。

        電源模塊EMC設計

        電源部分兩大主要功能就是實現驅動液晶屏的背光以及為其他模塊(包括驅動模塊,按鍵模塊)提供直流電源。


        電源模塊的設計好壞直接影響到整個系統,如果設計不好,將會導致電視出現大的水波紋,嚴重時將會導致電視不能使用。同時還會嚴重影響到附近的其他設備的正常使用。

        液晶電視的電源部分采用的都是開關電源。開關電源引起電磁干擾問題的原因是很復雜的。設計開關電源時,要防止開關電源對電網和附近的電子設備產生干擾;還要加強開關電源本身對電磁干擾環境的適應能力。

        針對開關電源的EMC問題,在設計時應采用以下主要措施:

        軟開關技術:開關器件開通/關斷時會產生浪涌電流和尖峰電壓,這是開關管產生電磁干擾及開關損耗的主要原因。軟開關技術是減小開關器件損耗和改善開關器件EMC特性的重要方法。該技術主要是使開關電源中的開關管在零電壓、零電流時進行開關轉換從而有效地抑制電磁干擾。

        調制頻率控制:電磁干擾是根據開關頻率變化的,干擾的能量集中在離散的開關頻率點上導致干擾強度大。通過將開關信號的能量調制分布在一個很寬的頻帶上,產生一系列離散邊頻帶,這樣就將干擾頻譜展開,干擾能量分布在離散頻帶上,從而降低開關頻率點上的電磁干擾強度。

        元器件布局與走線:將電源輸入信號和輸出信號相關聯的元器件都放置在相應的端口附近,以避免因耦合路徑而產生干擾。將相互關聯的元器件放在一起,避免走線過長帶來干擾。

        另外還要盡量避免信號線平行走線。如果無法避免,盡量加大線間距?;蛘咴谥虚g加一根地線,以減少相互之間的干擾。

        主驅動板EMC設計

        液晶電視的主驅動板主要包括:模擬信號部分,高速數字電路部分,噪聲源DC-DC電源部分。

        元器件布局與走線:在布局上,要把模擬信號部分,高速數字電路部分,噪聲源DC-DC電源部分這三部分合理地分開,使相互間的信號耦合小。而在器件布設方面,還是遵從相互有關的器件盡量靠近的原則,這樣可以獲得較好的抗噪聲效果。

        DC-DC電源部分與地:在印刷電路板上,電源線和地線重要。讓模擬電路和數字電路分別擁有自己的電源和地線通路??朔姶鸥蓴_,主要的手段就是接地。

        在液晶電視的驅動板上,主要將電源部分(DC-DC)的地和其他如解碼和主芯片處理的部分的地分開,以減少電源地對圖像顯示和電視伴音的干擾。

        如果在設計電路時存在著模擬地和數字地,在印制板鋪地時應該將它們分開。以減低相互干擾。在使用雙層板以及多層板PCB的布局中,一般都會將其中一層銅箔作為專門的接地平面。這樣做的目的是該接地充當屏蔽層。

        集成芯片:在同一集成芯片中,也將模擬地和數字地分開鋪地。如液晶電視的主驅動板經常會使用的AD公司的模數轉換芯片AD9883,在印制板設計時我們就可以將該芯片模擬部分的地和數字部分的地分開鋪地。再通過一根比較短的導線將兩地單點連接起來?;蛘呤菍傻赝ㄟ^一個1nF的旁路電容連接起來。

        晶振:數字電路中的時鐘電路是目前電子產品中主要的電磁干擾源之一,是EMC設計的主要內容。晶振是一個強輻射發射源。晶振內部電路產生大的RF電流,以至于晶體的地引線不能以很少的損耗充分地將比較大的Ldi/dt電流引到地平面,結果金屬外殼變成了單極天線。晶振的周邊就是一個輻射場。

        故晶振電路盡量遠離接口電路,如串口、地址線、數據線等。以避免接口電路將晶振的諧波信號帶出印制板以造成電磁干擾。晶振的兩個腳都要加RC濾波電路。同時一定要將晶振的金屬外殼與印制板上的地連接起來。另外,晶振與芯片引腳盡量靠近,用地線把時鐘區隔離起來,放置一個局部地平面并且通過多個過孔與地線連接。

        電容去耦:利用電容去耦來降低電磁干擾,電容去耦可以分為三種:整體的、局部的和板間的。

        整體去耦電容工作在低頻狀態,為整個電路板提供一個穩定的電壓和電流。它應放置在緊靠印制電路板電源線和地線的地方。典型的去耦電容值是0.1μF。這個電容的分布電感的典型值是5μH。0.1μF的去耦電容有5μH的分布電感,它的并行共振頻率大約在7MHz左右,也就是說,對于10MHz以下的噪聲有較好的去耦效果,對幾十MHz以上的噪聲幾乎不起作用。所以對于20MHz以上的噪聲,采用0.01μF的電容去耦。

        局部去耦電容使集成電路得到的供電電壓比較平穩;另外還旁路掉該器件的高頻噪聲。

        板間去耦電容是指電源面和接地面之間的電容,主要解決電源中產生的高頻瞬變電流。電源輸入端跨接一個10~100uF的電解電容器,如果印制電路板的位置允許,采用100uF以上的電解電容器的抗干擾效果會更好。去耦電容的引線不能過長,一般都緊靠在集成電路電源旁邊,連線要粗一些。

        磁珠濾波:在主板上的所有信號輸入端(如YPBPR接口、VGA接口)都要加入磁珠濾波。磁珠專用于抑制信號線、電源線上的高頻噪聲和尖峰干擾,還具有吸收靜電脈沖的能力。它扮演高頻電阻的角色,即將高頻衰減掉。該器件允許直流信號通過,而濾除交流信號。

        選擇磁珠時,必須注意以下幾個因素:

        1、不需要的信號頻率范圍為多少;

        2、噪聲源是誰;

        3、需要多大的噪聲衰減;

        4、環境條件是什么(溫度,直流電壓,結構強度);

        5、電路和負載阻抗是多少;

        6、是否有空間在PCB板上放置磁珠。

        前三條通過觀察廠家提供的阻抗頻率曲線就可以判斷。在阻抗曲線中三條曲線都非常重要,即電阻R,感抗X和總感抗Z。如圖1所示:



        圖1:反映磁珠電阻、感抗和總感抗的阻抗曲線及等效電路拓撲。

        總阻抗通過下面的公式⑴來描述:

        Z=(R + 2πFL)

        通過這一曲線,選擇在期望衰減噪聲的頻率范圍內具有阻抗而在低頻和直流下信號衰減盡量小的磁珠。

        片式磁珠在過大的直流電壓下,阻抗特性會受到影響,另外,如果工作溫升過高,或者外部磁場過大,磁珠的阻抗都會受到不利的影響。

        使用片式磁珠還是片式電感主要還在于應用。在諧振電路中需要使用片式電感。而需要消除不需要的電磁干擾噪聲時,使用片式磁珠是好的選擇。

        調諧器板EMC設計

        調諧器板主要包括:調諧器部分、音頻處理部分。

        在進行調諧器板部分的電路設計和PCB板布板時,尤其要注意電磁干擾的問題,必須考慮下面幾點:

        1. 首先要將TUNER部分的地(即模擬地)與其他部分的地分開鋪地。

        2. 一定要將TUNER的金屬外殼與地連接起來,連接點多一些能更好地消除電磁干擾。調諧器TUNER內部本來就存在高頻電路,故要做好屏蔽工作。

        3. 在選用接口端子(如AV端子、S-VIDEO端子等)時,盡量選用傳導性好、抗電磁干擾性強的端子,同時也需要將接口端子的所用地與大地完整連接起來。同時也加磁珠濾波。

        4. 信號線盡量短而直,如果無法避免,可采取飛線過渡。信號線切忌形成環形。因為環形相當于線圈的匝數,環形布線的輻射效應強。

        5. 盡量減少大面積的死銅,解決辦法是可以將它們與地連接在一起。如有大面積的死銅形成天線,則會引入電磁干擾。

        6. 石英晶體下面以及對噪聲敏感的器件下面不要走線。

        音頻處理部分要特別注意在印制板的走線布局中,首先應避免將高速信號線和音、視頻線走在一起。例如:如果將I2C總線中的時鐘線SCL和數據線 SDA的走線和音頻線的走線靠得很近。由于I2C總線中的時鐘線SCL和數據線SDA在不停地變化,從而干擾到聲音。很明顯地如,在你使用電視遙控器轉換電視頻道時,如果能聽到揚聲器發出有規律的“咯噠、咯噠”聲。這可能就是因為在印制板布板時忽視了上面的問題。

        整機EMC設計

        整機機內的裝配圖(以其中的一種型號為例)如圖2所示:


         

        圖2:反映各個EMI關注點的某型號整機機內裝配圖。

        在上圖中標號為5的連接線為數字板連接屏的屏線。由于屏線主要是上屏的數據等。會對系統造成很大的干擾。減小干擾辦法是使用雙絞線和屏蔽線。如果是 TTL屏,屏線需要在連接線的外面加屏蔽網罩或者是磁環。如果LVDS屏,則需要使用雙絞線,同時再加上磁環。以減少屏線對整個系統的電磁干擾。帶屏蔽的雙絞線,可以信號電流在兩根內導線上流動,噪聲電流在屏蔽層里流動,因此消除了公共阻抗的耦合,而任何干擾將同時感應到兩根導線上,使噪聲相消。

        在電源和主控制板之間的連線(標號為4)上也需要加一個磁環。主要是因為電源線對主板會產生比較大的電磁干擾。

        在按鍵板跟主板的連接線(標號為9)上也應該加上一個磁環。主要原因是按鍵板上不斷有數據變換(遙控接收頭)而導致對系統產生電磁干擾。加磁環可以有效地屏蔽電磁干擾。

        在跟揚聲器連接的音頻線(標號為10)上加上磁環,以減少音頻輸出對系統的電磁干擾。如果主板和調諧器板之間有排線(標號6、7、8)連接,則需要在連接線上加磁環。以減少排線間的電磁干擾。

        以上所加的磁環可以根據具體的情況來加,可以通過反復的實驗來確定。

        屏蔽罩的利用:通常,液晶顯示模塊、主控制板(包括數字板和調諧器板)和電源部分都需要屏蔽罩。

        主芯片的主頻率是產生電磁干擾的主要原因。主頻率的頻率諧波,容易產生電磁干擾。在做EMC的實驗中,主頻率的頻率諧波的地方電磁干擾都很大。在設計時要對主芯片加一定的屏蔽措施。主要的屏蔽措施在數字板上加金屬屏蔽罩。加屏蔽罩是有效的抗電磁干擾的途徑。但是因為要考慮到驅動板和整個系統的散熱問題,要求屏蔽罩上開孔散熱。但是其尺寸必須小于噪聲波長的1/100。

        調諧器板上的屏蔽主要是對TUNER部分的屏蔽。

        電源部分的屏蔽尤其重要,如果電源部分的屏蔽不好,則會造成大的干擾。這樣傳導就過不了。并且由于電源的發熱很厲害,所以該屏蔽罩一定要注意到散熱的問題。

        通常屏蔽罩上都有開口和接縫,他們會造成電磁泄露。從而使屏蔽效果不佳。解決接縫處電磁泄露的方法是在接縫處使用電磁密封襯墊。屏蔽罩上開口的電磁泄露與該開口的尺寸、輻射源的特性和輻射源到開口的距離有關。通過設計開口尺寸和輻射源到開口的距離來滿足屏蔽的要求。


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