18英寸液晶监视器|液晶显示器的电磁兼容(EMC)分析

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  <table cellspacing="0" cellpadding="0" width="760" border="0"><tbody><tr><td width="50%" rowspan="2"><p class="a" style="TEXT-INDENT: 0px"><b><span class="text">０　摘要</span></b><span class="text"><br />　　本文论述的是关于１８英寸液晶监视器的辐射ＥＭＩ的评价与减小情况的研究，评价被分类两部分；第一是印制电路板（ＰＣＢ）级ＥＭＩ源的确定；第二是分析了这些源所激励的ＥＭＩ“天线”的特性。减小ＥＭＩ的方法将在文中详细介绍，并在适当的地方会采取一些修改。对ＥＭＩ辐射的测量证实了这些建议的效果。<br /><b>１　引言</b><br />　　ＥＭＣ情况研究集中在如图１所描述的１８英寸液晶监视器的评价上。这个液晶监视器包括了一个液晶显示器部件，一块主PCB和一些辅助PCB。液晶显示器部件包括一个液晶阵列，一些连接的PCB和一个荧光照明装置。主PCB把来自个人计算机的显示信息转换成能够被液晶监视器数字式处理的信号。辅助PCB为荧光照明装置提供电源，并将来自监视器前方按键的信息传输到主PCB。</span> </p></td><td width="50%"><p align="center"><img height="237" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/EMCfx-1&#46;gif" width="250" /> </p></td></tr><tr><td width="50%"><p class="text1" align="center">图1 18英寸液晶监视器简图 </p></td></tr><tr><td width="100%" colspan="2"><p class="text">液晶监视器的不同位置有四个屏蔽体。屏蔽体１罩着液晶监视器；屏蔽体２围着主ＰＣＢ；屏蔽体３笼罩了屏蔽体２并且固定在了屏蔽体１上；屏蔽体４覆盖了一个辅助ＰＣＢ，这块电路板是变换电路ＰＣＢ，它为液晶显示器部件的荧光照明装置提供电源。<br />　　液晶监视器里的电路在一定的时钟频率范围内运行。模拟的红绿蓝输入信号根据显示器的分辨率在从３５ＭＨｚ到１３８ＭＨｚ的时钟速率范围内被数字化；另外，根据显示器的分辨率，主处理器的存储芯片的时钟被锁定在８０ＭＨｚ到１０１ＭＨｚ的范围内。使用模数转换器在相同的时钟速率下去处理数字显示数据，然而在处理器的输出钟频为固定的４２&#46;５ＭＨｚ。<br />　　图２是液晶监视器的从０ＭＨｚ到１０００ＭＨｚ的辐射频谱。在这次测量中，输出时钟工作在４２&#46;５ＭＨｚ，模数转换时钟运行在７８ＭＨｚ，存储时钟运行在８０ＭＨｚ。 </p></td></tr><tr><td align="center" width="50%"><img height="198" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/EMCfx-2&#46;gif" width="216" /></td><td align="center" width="50%"><img height="193" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/EMCfx-3&#46;gif" width="217" /></td></tr><tr><td align="center" width="100%" colspan="2"><p class="text1">图2 来自18英寸液晶监视器辐射的EMI </p></td></tr><tr><td width="100%" colspan="2"><p class="a" style="TEXT-INDENT: 0px"><b><span class="text">２　液晶监视器ＥＭＩ的改进</span></b><span class="text"><br />　　ＥＭＩ的分析集中在主ＰＣＢ，因为主ＰＣＢ产生的频率谐波在辐射频谱中占主要地位。在主ＰＣＢ上的所有的ＥＭＩ改进能被分为三个不同的部分；去耦、印制线布线和电源绝缘区布局。<br /><b>２&#46;１　去耦</b><br />　　在时域中，去耦电容起到了电荷源的作用，它提供了反向改变电源总线电压的电流；在频域中，去耦电容减小了电源的阻抗。在任何情况下，都必须注意如何连接这种电容。如果去耦回路中有太多的电感（互感），电容就不能足够地提供电流，并且从电源总线看过去的阻抗也会增加。过多的互感会减小电容的影响，并且可能导致产生出有驱动ＥＭＩ天线能力的带噪声的功率平面。<br />　　去耦电容能够被分成三种：本体的，局部的和板间的。体去耦电容在低频（亚ＭＨｚ范围）时可提供电荷；局部去耦电容在较高的频率（在几百ＭＨｚ以上）也能提供电荷；在最高的频率，电源面和接地面间的板间电容成为了去耦电流的主要来源。</span> </p></td></tr><tr><td width="50%" rowspan="2"><p class="text">主ＰＣＢ最初设计的去耦方案需要改进。例如，体电容没有放置在最合适的地方，它一般被放置在有电源面的ＰＣＢ上，因为体电容工作在低频，所以在电源总线的高电感可以被忽略。<br />　　在这种设计中，主ＰＣＢ上的体去耦电容被放置在靠近集成电路的地方，在那里印制线的密度非常高。移动体去耦电容离开这个区域并不会减小低频去耦，而且还会为ＰＣＢ上布关键性的信号印制线提供空间。图３所显示的就是体去耦电容是如何被放置在高密度的印制线区域内的。 </p></td><td width="50%"><p align="center"><img height="139" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/EMCfx-14&#46;gif" width="203" /> </p></td></tr><tr><td width="50%"><p class="text1" align="center">图3 高印制线密度内放置的体电容 </p></td></tr><tr><td width="100%" colspan="2"><p class="text">局部去耦电容的连接同样需要改进。在ＰＣＢ上局部去耦电容需要放置在距离集成电路很近的地方，其间的距离大约是３０密耳。另外，为了更好的效果，局部去耦电容和电源总线之间的互感需要最小化。对于大部分情况，在主ＰＣＢ上局部去耦电容会被放置在靠近集成电路之处。然而，许多局部去耦电容与电源总线的连接很差。在很多时候，经过一个共用的印制线使多个去耦电容与电源面和接地面连接起来。对于接地和电源来说，这些共用的印制线上的所有电容只有一个通孔。通过这种方式连接局部去耦电容就产生了许多的互感。图４所示的就是一些被放置在ＰＣＢ上的局部去耦电容。连接局部去耦电容更好的方式就是应该为每个电容在连接处提供两个通孔：一个通孔直接连接地平面，另一个直接连接电源平面。另外，去耦电容和集成电路不应该共用电源通孔和接地通孔，如果这样的话就为去耦电容提供了一条线路。为了取得最大互感的地方。为了得到最大互感，较长的电源和接地通孔应该互相紧密放置。这样，去耦电容和集成电路都被放到了ＰＣＢ的最上层，并且从上到下的层叠的顺序是信号面——接地面——电源面——信号面。来自最上层的最长的通孔应该是电容和集成电路的电源通孔。因此，去耦电容和集成电路的电源通孔应该尽可能的互相靠近。如果电容被放置ＰＣＢ的反面（如图５所示），那么集成电路的电源通孔和电容的接地通孔应该被放置得尽可能靠近。 </p></td></tr><tr><td align="center" width="50%"><img height="135" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/EMCfx-4&#46;gif" width="195" /></td><td align="center" width="50%"><img height="179" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/EMCfx-5&#46;gif" width="295" /></td></tr><tr><td class="text1" align="center" width="50%"><p class="a" style="TEXT-INDENT: 0px">图4 与电源和接地并联共用相同印制线和通孔的三个电容 </p></td><td class="text1" align="center" width="50%"><p class="a" style="TEXT-INDENT: 0px">图5 去耦电容的接地通孔和集成电路的电源通孔间的互电容 </p></td></tr><tr><td width="100%" colspan="2"><p class="text">面间电容可以通过电源层和接地层间共同的表面积的增加而增大。在这个设计中，一些接地的临时线被布到了电源层。通过移动这些接地的临时线，并用电源层存在的电源隔离区域代替这些临时线，就会增加层间电容。<br /><b>２&#46;２　印制线布线</b><br />　　设计者通常在ＰＣＢ的接地层留下间隙。这些间隙可能是接地层的高速时钟线或者其他印制线布线的结果。有时间隙置于接地层，以使板上的低频区域与高频电路隔开。由于连接器插头空隙区可能会不经意的产生间隙。当回流电流被迫绕着接地层的间隙流动的时候，间隙周围就产生了不同的电位。这个电位差可能就是ＥＭＩ的原因。<br />　　在主ＰＣＢ上，有一些信号层的印制线穿过了邻近接地层间隙的地方。例如，信号层上的高速数据和地址线穿过了接地层上的由时钟印制线产生的位于接地层的间隙，如图６所示。<br />　　接地层的隔离间隙被用来隔离电源电路和数字电路。然而，如果相邻层的高速线穿过间隙的话，那建立这个间隙的好处就失去了。在一个较早的原型中，隔离间隙很长，因此，在相邻层上的一些模拟红绿蓝印制线在间隙上穿过。图７所示的就是红绿蓝印制线穿过接地面的间隙的情况。缩短隔离间隙或者绕着间隙布红绿蓝印制线就可消除潜在的ＥＭＩ源。 </p></td></tr><tr><td align="center" width="50%"><img height="139" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/EMCfx-6&#46;gif" width="260" /></td><td align="center" width="50%"><img height="154" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/EMCfx-7&#46;gif" width="260" /></td></tr><tr><td class="text1" align="center" width="50%"><p style="TEXT-INDENT: 0px">图6 通过相邻接地层上间隙的顶层高速印制线 </p></td><td class="text1" align="center" width="50%"><p style="TEXT-INDENT: 0px">图7 穿过接地面间隙的输入红绿蓝印制线 </p></td></tr></tbody></table><table cellspacing="0" cellpadding="0" width="760" border="0"><center><tbody><tr><td width="758" colspan="2"><p class="a" style="TEXT-INDENT: 0px"><b><span class="text">２&#46;３　电源绝缘区的布局</span></b><span class="text"><br />　　主ＰＣＢ上的电源层被分成许多不同的电源绝缘区。结果，电源层产生了许多间隙。当相邻层的信号印制线的回流电流围绕这些间隙流动时，这些间隙形成了一个潜在的ＥＭＩ源。为了减小这些潜在的ＥＭＩ源，要通过移动或者重新建立电源绝缘区来减少相邻层通过这些间隙　的印制线的数量。例如，如图８所示，一个可驱动ＰＣＢ全部长度的１２伏电源面不得已而在信号层上布线。如图９所示，一个电源绝缘区应该被移动，以使红绿蓝信号线不通过任何一个间隙。为了进一步减小潜在的ＥＭＩ源，只有低速信号印制线能布在邻近的信号层。</span> </p></td></tr><tr><td align="center" width="384"><img height="131" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/EMCfx-8&#46;gif" width="260" /></td><td align="center" width="372"><img height="150" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/EMCfx-9&#46;gif" width="260" /></td></tr><tr><td class="text1" align="center" width="386"><p class="a" style="TEXT-INDENT: 0px">图8 电源绝缘区应该被布在信号层<br />以避免在信号层建立一个大的间隙 </p></td><td class="text1" align="center" width="374"><p class="a" style="TEXT-INDENT: 0px">图9 移动12伏的电源绝缘区以使相邻层的红<br />绿蓝印制线不通过电源绝缘区产生的间隙 </p></td></tr></tbody></center><tr><td align="center" width="756" colspan="2"><p class="a" style="TEXT-INDENT: 0px" align="left"><b><span class="text">３　ＥＭＩ“天线”的测定法</span></b><span class="text"><br />　　在液晶监视器上可能有许多ＥＭＩ“天线”。为了找出哪个ＥＭＩ“天线”ＥＭＩ的影响最大，利用了可选择的屏蔽方法。所选择的屏蔽方法包括了用铜带和铝箔去屏蔽所有可能的ＥＭＩ源，然后每一次有选择性地暴露一个可能的ＥＭＩ“天线”。用这种方法，每个ＥＭＩ“天线”的贡献都可以被量化出来。<br />　　最重要的ＥＭＩ“天线”被发现是在屏蔽体２背面驱动的屏蔽体１。这个“天线”如图１０所示。当屏蔽体１和屏蔽体２被４个螺丝连接起来的时候，在高频时，这些螺丝并不是一个很好的电连接。这两个屏蔽体之间的不良连接就产生了一个ＥＭＩ“天线”。为了消除这个ＥＭＩ“天线”，可将指型簧片放置在两个屏蔽体之间。ＥＭＩ测试显示，在放置了指型簧片后，在低于５００ＭＨｚ时ＥＭＩ平均降低了２到３ｄＢ；而在高于５００ＭＨｚ时平均降低了５到１０ｄＢ。<br />　　另一个ＥＭＩ“天线”如图１１所示，它被认定是在变换器ＰＣＢ对面的屏蔽体２，这个辅助ＰＣＢ为荧光装置提供了电源。为了减小来自这个ＥＭＩ“天线”的辐射，两个部件之间的电缆被用铁氧体裹起来。测量显示，所辐射的ＥＭＩ在８００ＭＨｚ到１０００ＭＨｚ之间有２到３ｄＢ的轻微减小。尽管这个减少很小，但是由于监视器在这些频率需要有附加衰减，所以证明了使用铁氧体的正确性。</span> </p></td></tr><center><tr><td align="center" width="386"><img height="149" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/EMCfx-10&#46;gif" width="220" /></td><td align="center" width="374"><img height="123" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/EMCfx-11&#46;gif" width="200" /></td></tr><tr><td class="text1" align="center" width="386"><p style="TEXT-INDENT: 0px">图10 屏蔽体1和屏蔽体2之间的EMI“天线” </p></td><td class="text1" align="center" width="374"><p style="TEXT-INDENT: 0px">图11 屏蔽体2和辅助PCB之间的EMI“天线” </p></td></tr><tr><td width="756" colspan="2"><p class="text">一些其他的低速电缆需要用铁氧体来减小ＥＭＩ。在主ＰＣＢ和按键ＰＣＢ之间的一簇电线，以及来自主ＰＣＢ为液晶监视器组件提供电源的电缆都携带了很多的噪声电流，这些证明了在电缆上加上铁氧体的正确性。<br />　　在主ＰＣＢ和液晶监视器组件之间携带高速显示数据的屏蔽电缆并没有在远离屏蔽体之处连接到屏蔽体２上。没有连接到屏蔽体２上的电缆允许噪声电流自主ＰＣＢ到屏蔽体２，并进行辐射。因此，高速数据电缆外部屏蔽体和屏蔽体２之间的连接要建立。辐射测量表明，当这种连接建立时，对于４２&#46;５ＭＨｚ的输出时钟的谐波有了很大的减少，而在８００ＭＨｚ左右有适度减小。<br />　　进入屏蔽体２并连接到主ＰＣＢ的红绿蓝电缆和电源电缆对辐射ＥＭＩ的贡献不大，因此勿需改进。<br /><b>４　建议的效果</b><br />　　当所有的减少辐射ＥＭＩ的方法都使用了，附加的辐射测量也就可以做出了。图１２所示的是ＥＭＩ“天线”改进前的辐射测量结果；图１３所示的是改进后的辐射测量结果。 </p></td></tr><tr><td align="center" width="384"><img height="239" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/EMCfx-12&#46;gif" width="220" /></td><td align="center" width="372"><img height="237" src="http://www&#46;rite-emc&#46;com&#46;cn/image/EMCfx-13&#46;gif" width="220" /></td></tr><tr><td class="text1" align="center" width="384"><p style="TEXT-INDENT: 0px">图12 对EMI“天线”没有进行任何改造的辐射EMI的测量结果 </p></td><td class="text1" align="center" width="372"><p style="TEXT-INDENT: 0px">图13 对EMI天线进行改进后的辐射EMI的测量结果 </p></td></tr><tr><td width="758" colspan="2"><p class="text">在５００ＭＨｚ以下，所有的谐波都降低了３到５ｄＢ，一些降低了１０ｄＢ。在５００ＭＨｚ以上，大多数时钟谐波都降低了５ｄＢ，一些降低的更多。<br /><b>５　结论</b><br />　　在液晶监视器中的最重要的ＥＭＩ源并不是源于液晶监视器面板自身，而是来自用于处理并将模拟红绿蓝数据转换成为液晶显示器面板能够用的数字信号的主ＰＣＢ。重要的ＥＭＩ源就是由模数转换器、主处理器和存储芯片使用的不同时钟。潜在的ＥＭＩ源（例如低压数字信号集成电路的输出）并不象最初所想的为ＥＭＩ起到很大的贡献。ＥＭＩ“天线”主要包括没有适当彼此连接的屏蔽体，同时也包括其他滤波不良的电缆连接的ＰＣＢ。在一个宽频率范围内，合适的设计可使辐射的ＥＭＩ减少３～５ｄＢ，或者更多。</p></td></tr></center></table>