液晶電視顯示屏電磁兼容設計技術(shù)

  EMC設計是液晶電視設計中不可避免的重要技術(shù)。如果EMC設計不好，將會(huì )導致電視在播放的過(guò)程中出現水波紋以及頻閃等技術(shù)，嚴重時(shí)將會(huì )導致無(wú)法收看。EMC設計實(shí)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(huán)境中能正常工作且不對該環(huán)境中任何事物構成不能承受的電磁干擾(電磁干擾)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(guò)導電介質(zhì)把一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )上的信號耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )。輻射干擾是指干擾源通過(guò)空間把其信號耦合(干擾)到另一個(gè)電網(wǎng)絡(luò )。
       液晶電視結構主要包括：液晶顯示模塊，電源模塊，驅動(dòng)模塊(主要包括主驅動(dòng)板和調諧器板)以及按鍵模塊。一般液晶顯示模塊由生產(chǎn)廠(chǎng)商在生產(chǎn)前已經(jīng)完成EMC的測量。這里主要說(shuō)明一下設計電源模塊、驅動(dòng)模塊、按鍵模塊,以及整機設計時(shí)應注意的電磁干擾技術(shù)。

 電源模塊EMC設計
?

       電源部分兩大主要功能就是實(shí)現驅動(dòng)液晶屏的背光以及為其他模塊(包括驅動(dòng)模塊，按鍵模塊)提供直流電源。
電源模塊的設計好壞直接干擾到整個(gè)系統，如果設計不好，將會(huì )導致電視出現大的水波紋，嚴重時(shí)將會(huì )導致電視不能使用。同時(shí)還會(huì )嚴重干擾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(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源引起電磁干擾技術(shù)的原因是很復雜的。設計開(kāi)關(guān)電源時(shí)，要防止開(kāi)關(guān)電源對電網(wǎng)和附近的電子設備產(chǎn)生干擾；還要加強開(kāi)關(guān)電源本身對電磁干擾環(huán)境的適應能力。

  針對開(kāi)關(guān)電源的EMC技術(shù)，在設計時(shí)應采用以下主要方法：

       軟開(kāi)關(guān)技術(shù)：開(kāi)關(guān)器件開(kāi)通/關(guān)斷時(shí)會(huì )產(chǎn)生浪涌電流和尖峰電壓，這是開(kāi)關(guān)管產(chǎn)生電磁干擾及開(kāi)關(guān)損耗的主要原因。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是減小開(kāi)關(guān)器件損耗和改善開(kāi)關(guān)器件EMC特點(diǎn)的重要方法。該技術(shù)主要是使開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)管在零電壓、零電流時(shí)進(jìn)行開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)頻率變化的，干擾的能量集中在離散的開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)上導致干擾強度大。通過(guò)將開(kāi)關(guān)信號的能量調制分布在一個(gè)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(kāi)，干擾能量分布在離散頻帶上，從而降低開(kāi)關(guān)頻率點(diǎn)上的電磁干擾強度。
       元器件布局和走線(xiàn)：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(xiàn)過(guò)長(cháng)帶來(lái)干擾。另外還要盡量避免信號線(xiàn)平行走線(xiàn)。如果無(wú)法避免，盡量加大線(xiàn)間距?；蛘咴谥虚g加一根地線(xiàn)，以減少相互之間的干擾。

       
主驅動(dòng)板EMC設計
?
     液晶電視的主驅動(dòng)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。
  元器件布局和走線(xiàn)：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(kāi)，使相互間的信號耦合為*小。而在器件布設方面，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電源部分和地：在印刷電路板上，電源線(xiàn)和地線(xiàn)*重要。讓模擬電路和數字電路分別擁有自己的電源和地線(xiàn)通路?？朔姶鸥蓴_，*主要的手段就是接地。
      在液晶電視的驅動(dòng)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(kāi)，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(shí)存在著(zhù)模擬地和數字地，在印制板鋪地時(shí)應該將它們分開(kāi)。以減低相互干擾。在使用雙層板以及幾層板PCB的布局中，一般都會(huì )將其中一層銅箔作為專(zhuān)門(mén)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(kāi)鋪地。如液晶電視的主驅動(dòng)板經(jīng)常會(huì )使用的AD公司的模數轉換芯片AD9883，在印制板設計時(shí)我們就可以將該芯片模擬部分的地和數字部分的地分開(kāi)鋪地。*后再通過(guò)一根比較短的導線(xiàn)將兩地單點(diǎn)連接起來(lái)?；蛘呤菍傻赝ㄟ^(guò)一個(gè)1nF的旁路電容連接起來(lái)。

       晶振：數字電路中的時(shí)鐘電路是目前電子產(chǎn)品中主要的電磁干擾源之一，是EMC設計的主要內容。晶振是一個(gè)強輻射發(fā)射源。晶振內部電路產(chǎn)生大的RF電流，以至于晶體的地引線(xiàn)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(xiàn)。晶振的周邊就是一個(gè)輻射場(chǎng)。
       故晶振電路盡量遠離接口電路,如串口、地址線(xiàn)、數據線(xiàn)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(gè)腳都要加RC濾波電路.同時(shí)一定要將晶振的金屬外殼和印制板上的地連接起來(lái)。另外，晶振和芯片引腳盡量靠近,用地線(xiàn)把時(shí)鐘區隔離起來(lái)，放置一個(gè)局部地平面并且通過(guò)多個(gè)過(guò)孔和地線(xiàn)連接。
電容去耦：利用電容去耦來(lái)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(gè)電路板提供一個(gè)穩定的電壓和電流。它應放置在緊靠印制電路板電源線(xiàn)和地線(xiàn)的地方。典型的去耦電容值是0.1μF。這個(gè)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(shuō)，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(chǎn)生的高頻瞬變電流。電源輸入端跨接一個(gè)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(huì )更好。去耦電容的引線(xiàn)不能過(guò)長(cháng)，一般都緊靠在集成電路電源旁邊，連線(xiàn)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(zhuān)在抑制信號線(xiàn)、電源線(xiàn)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(guò),而濾除交流信號。
選購磁珠時(shí)，必須注意以下幾個(gè)因素：
1、不需要的信號頻率范圍為多少；
2、噪聲源是誰(shuí)；
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(guò)觀(guān)察廠(chǎng)家提供的阻抗頻率曲線(xiàn)就可以判斷。在阻抗曲線(xiàn)中三條曲線(xiàn)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(xiàn)及等效電路拓撲。
     總阻抗通過(guò)下面的公式⑴來(lái)描述：Z＝(R + 2πFL)
    通過(guò)這一曲線(xiàn),選購在期望衰減噪聲的頻率范圍內具有*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(guò)大的直流電壓下,阻抗特點(diǎn)會(huì )受到干擾,另外,如果工作溫升過(guò)高,或者外部磁場(chǎng)過(guò)大,磁珠的阻抗都會(huì )受到不利的干擾。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(shí),使用片式磁珠是*佳的選購。

      
 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(jìn)行調諧器板部分的電路設計和PCB板布板時(shí)，尤其要注意電磁干擾的技術(shù)，必須考慮下面幾點(diǎn)：
1、首先要將TUNER部分的地(即模擬地)和其他部分的地分開(kāi)鋪地。
2、一定要將TUNER的金屬外殼和地連接起來(lái)，連接點(diǎn)多一些能更好地消除電磁干擾。調諧器TUNER內部本來(lái)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(shí)，盡量選用傳導性好、抗電磁干擾性強的端子，同時(shí)也需要將接口端子的所用地和大地完整連接起來(lái)。同時(shí)也加磁珠濾波。
4、信號線(xiàn)盡量短而直，如果無(wú)法避免，可采取飛線(xiàn)過(guò)渡。信號線(xiàn)切忌形成環(huán)形。因為環(huán)形相當于線(xiàn)圈的匝數，環(huán)形布線(xiàn)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和地連接在一起。如有大面積的死銅形成天線(xiàn)，則會(huì )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(xiàn)。
 
       音頻處理部分要特別注意在印制板的走線(xiàn)布局中，首先應避免將高速信號線(xiàn)和音、視頻線(xiàn)走在一起。例如：如果將I2C總線(xiàn)中的時(shí)鐘線(xiàn)SCL和數據線(xiàn)SDA的走線(xiàn)和音頻線(xiàn)的走線(xiàn)靠得很近。由于I2C總線(xiàn)中的時(shí)鐘線(xiàn)SCL和數據線(xiàn)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(shí)，如果能聽(tīng)到揚聲器發(fā)出有規律的“咯噠、咯噠”聲。這可能就是因為在印制板布板時(shí)忽視了上面的技術(shù)。

整機EMC設計
?
       由于屏線(xiàn)主要是上屏的數據等。會(huì )對系統造成很大的干擾。減小干擾*好辦法是使用雙絞線(xiàn)和屏蔽線(xiàn)。如果是TTL屏，屏線(xiàn)需要在連接線(xiàn)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(xiàn)，同時(shí)再加上磁環(huán)。以減少屏線(xiàn)對整個(gè)系統的電磁干擾。帶屏蔽的雙絞線(xiàn)，可以信號電流在兩根內導線(xiàn)上流動(dòng)，噪聲電流在屏蔽層里流動(dòng)，因此消除了公共阻抗的耦合，而任何干擾將同時(shí)感應到兩根導線(xiàn)上，使噪聲相消。
       在電源和主控制板之間的連線(xiàn)(標號為4)上也需要加一個(gè)磁環(huán)。主要是因為電源線(xiàn)對主板會(huì )產(chǎn)生比較大的電磁干擾。
       在按鍵板跟主板的連接線(xiàn)(標號為9)上也應該加上一個(gè)磁環(huán)。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(chǎn)生電磁干擾。加磁環(huán)可以有效地屏蔽電磁干擾。
       在跟揚聲器連接的音頻線(xiàn)(標號為10)上加上磁環(huán)，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(xiàn)(標號6、7、8)連接，則需要在連接線(xiàn)上加磁環(huán)。以減少排線(xiàn)間的電磁干擾。
       以上所加的磁環(huán)可以根據具體的情況來(lái)加，可以通過(guò)反復的實(shí)驗來(lái)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(chǎn)生電磁干擾的主要原因。主頻率的頻率諧波，*容易產(chǎn)生電磁干擾。在做EMC的實(shí)驗中，主頻率的頻率諧波的地方電磁干擾都很大。在設計時(shí)要對主芯片加一定的屏蔽方法。主要的屏蔽方法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(dòng)板和整個(gè)系統的散熱技術(shù)，規則屏蔽罩上開(kāi)孔散熱。但是其*大尺寸必須小于噪聲*短波長(cháng)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(huì )造成大的干擾。這樣傳導就過(guò)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技術(shù)。
       通常屏蔽罩上都有開(kāi)口和接縫，他們會(huì )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(kāi)口的電磁泄露和該開(kāi)口的尺寸、輻射源的特點(diǎn)和輻射源到開(kāi)口的距離有關(guān)。通過(guò)設計開(kāi)口尺寸和輻射源到開(kāi)口的距離來(lái)滿(mǎn)足屏蔽的規則。