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    液晶電視的電磁兼容EMC設(shè)計方案
  • 液晶電視的電磁兼容EMC設(shè)計方案
  •   發(fā)布日期: 2019-10-28  瀏覽次數(shù): 1,022

    電磁兼容(EMC)是液晶電視設(shè)計中不可避免的重要問題。如果EMC設(shè)計不好,將會導(dǎo)致電視在播放的過程中出現(xiàn)水波紋以及頻閃等問題,嚴(yán)重時將會導(dǎo)致無法收看。EMC設(shè)計實際上就是針對產(chǎn)品中產(chǎn)生的電磁干擾進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,使之符合各國或地區(qū)的EMC標(biāo)準(zhǔn)。其定義是:設(shè)備或系統(tǒng)在其電磁環(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構(gòu)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(dǎo)干擾和輻射干擾。傳導(dǎo)干擾是指通過導(dǎo)電介質(zhì)把一個電網(wǎng)絡(luò)上的信號耦合(干擾)到另一個電網(wǎng)絡(luò)。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(wǎng)絡(luò)。

     

    液晶電視結(jié)構(gòu)主要包括:液晶顯示模塊,電源模塊,驅(qū)動模塊(主要包括主驅(qū)動板和調(diào)諧器板)以及按鍵模塊。一般液晶顯示模塊由生產(chǎn)廠商在生產(chǎn)前已經(jīng)完成EMC的測試。這里主要介紹一下設(shè)計電源模塊、驅(qū)動模塊、按鍵模塊,以及整機(jī)設(shè)計時應(yīng)注意的電磁干擾問題。

    電源模塊EMC設(shè)計

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

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

    液晶電視的電源部分采用的都是開關(guān)電源開關(guān)電源引起電磁干擾問題的原因是很復(fù)雜的。設(shè)計開關(guān)電源時,要防止開關(guān)電源對電網(wǎng)和附近的電子設(shè)備產(chǎn)生干擾;還要加強(qiáng)開關(guān)電源本身對電磁干擾環(huán)境的適應(yīng)能力。

    針對開關(guān)電源的EMC問題,在設(shè)計時應(yīng)采用以下主要措施:

    軟開關(guān)技術(shù):開關(guān)器件開通/關(guān)斷時會產(chǎn)生浪涌電流和尖峰電壓,這是開關(guān)管產(chǎn)生電磁干擾及開關(guān)損耗的主要原因。軟開關(guān)技術(shù)是減小開關(guān)器件損耗和改善開關(guān)器件EMC特性的重要方法。該技術(shù)主要是使開關(guān)電源中的開關(guān)管在零電壓、零電流時進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換從而有效地抑制電磁干擾。

    調(diào)制頻率控制:電磁干擾是根據(jù)開關(guān)頻率變化的,干擾的能量集中在離散的開關(guān)頻率點(diǎn)上導(dǎo)致干擾強(qiáng)度大。通過將開關(guān)信號的能量調(diào)制分布在一個很寬的頻帶上,產(chǎn)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(guān)頻率點(diǎn)上的電磁干擾強(qiáng)度。

    元器件布局與走線:將電源輸入信號和輸出信號相關(guān)聯(lián)的元器件都放置在相應(yīng)的端口附近,以避免因耦合路徑而產(chǎn)生干擾。將相互關(guān)聯(lián)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(qū)動板EMC設(shè)計

    液晶電視的主驅(qū)動板主要包括:模擬信號部分,高速數(shù)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(shù)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為最小。而在器件布設(shè)方面,還是遵從相互有關(guān)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,電源線和地線最重要。讓模擬電路和數(shù)字電路分別擁有自己的電源和地線通路??朔姶鸥蓴_,最主要的手段就是接地。

    在液晶電視的驅(qū)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(shè)計電路時存在著模擬地和數(shù)字地,在印制板鋪地時應(yīng)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(dāng)屏蔽層。

    集成芯片:在同一集成芯片中,也將模擬地和數(shù)字地分開鋪地。如液晶電視的主驅(qū)動板經(jīng)常會使用的AD公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9883,在印制板設(shè)計時我們就可以將該芯片模擬部分的地和數(shù)字部分的地分開鋪地。最后再通過一根比較短的導(dǎo)線將兩地單點(diǎn)連接起來。或者是將兩地通過一個1nF的旁路電容連接起來。

    晶振:數(shù)字電路中的時鐘電路是目前電子產(chǎn)品中主要的電磁干擾源之一,是EMC設(shè)計的主要內(nèi)容。晶振是一個強(qiáng)輻射發(fā)射源。晶振內(nèi)部電路產(chǎn)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(jié)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(yuǎn)離接口電路,如串口、地址線、數(shù)據(jù)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(qū)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(tài),為整個電路板提供一個穩(wěn)定的電壓和電流。它應(yīng)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(wěn);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(chǎn)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(huán)境條件是什么(溫度,直流電壓,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度);

    5、電路和負(fù)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:

    液晶電視的電磁兼容EMC設(shè)計方案

    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?fù)洹?/p>

    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(nèi)具有最大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(yīng)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,使用片式磁珠是最佳的選擇。

    調(diào)諧器板EMC設(shè)計

    調(diào)諧器板主要包括:調(diào)諧器部分、音頻處理部分。

    在進(jìn)行調(diào)諧器板部分的電路設(shè)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(diǎn):

    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(diǎn)多一些能更好地消除電磁干擾。調(diào)諧器TUNER內(nèi)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(dǎo)性好、抗電磁干擾性強(qiáng)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(huán)形。因為環(huán)形相當(dāng)于線圈的匝數(shù),環(huán)形布線的輻射效應(yīng)最強(qiáng)。

    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(yīng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(zhuǎn)換電視頻道時,如果能聽到揚(yáng)聲器發(fā)出有規(guī)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(jī)EMC設(shè)計

    整機(jī)機(jī)內(nèi)的裝配圖(以其中的一種型號為例)如圖2所示:

    液晶電視的電磁兼容EMC設(shè)計方案

    圖2:反映各個EMI關(guān)注點(diǎn)的某型號整機(jī)機(jī)內(nèi)裝配圖。

    在上圖中標(biāo)號為5的連接線為數(shù)字板連接屏的屏線。由于屏線主要是上屏的數(shù)據(jù)等。會對系統(tǒng)造成很大的干擾。減小干擾最好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(wǎng)罩或者是磁環(huán)。如果LVDS屏,則需要使用雙絞線,同時再加上磁環(huán)。以減少屏線對整個系統(tǒng)的電磁干擾。帶屏蔽的雙絞線,可以信號電流在兩根內(nèi)導(dǎo)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(yīng)到兩根導(dǎo)線上,使噪聲相消。

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

    在按鍵板跟主板的連接線(標(biāo)號為9)上也應(yīng)該加上一個磁環(huán)。主要原因是按鍵板上不斷有數(shù)據(jù)變換(遙控接收頭)而導(dǎo)致對系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾。加磁環(huán)可以有效地屏蔽電磁干擾。

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

    以上所加的磁環(huán)可以根據(jù)具體的情況來加,可以通過反復(fù)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(shù)字板和調(diào)諧器板)和電源部分都需要屏蔽罩。

    主芯片的主頻率是產(chǎn)生電磁干擾的主要原因。主頻率的頻率諧波,最容易產(chǎn)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(shè)計時要對主芯片加一定的屏蔽措施。主要的屏蔽措施在數(shù)字板上加金屬屏蔽罩。加屏蔽罩是最有效的抗電磁干擾的途徑。但是因為要考慮到驅(qū)動板和整個系統(tǒng)的散熱問題,要求屏蔽罩上開孔散熱。但是其最大尺寸必須小于噪聲最短波長的1/100。

    調(diào)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(dǎo)就過不了。并且由于電源的發(fā)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(guān)。通過設(shè)計開口尺寸和輻射源到開口的距離來滿足屏蔽的要求。

    來源:電子工程網(wǎng)


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