關於18英寸液晶顯示器的輻射電磁幹擾設計
發布時間:2013-03-24 責任編輯:Lynnjiao
【導讀】本文將探討關於18英寸液晶顯示器的輻射電磁幹擾(EMI)的評價與減小情況的研究,減小EMI的方法將在文中詳細介紹,並在適當的地方會采取一些修改。對EMI輻射的測量證實了這些建議的效果。
液晶監視器包括了一個液晶顯示器部件,一塊主PCB和一些輔助PCB。液晶顯示器部件包括一個液晶陣列,一些連接的PCB和一個熒光照明裝置。主PCB把來自個人計算機的顯示信息轉換成能夠被液晶顯示器數字式處理的信號。輔助PCB為熒光照明裝置提供電源,並將來自監視器前方按鍵的信息傳輸到主PCB。
液晶顯示器的不同位置有四個屏蔽體。屏蔽體1罩著液晶顯示器;屏蔽體2圍著主PCB;屏蔽體3籠罩了屏蔽體2並且固定在了屏蔽體1上;屏蔽體4覆蓋了一個輔助PCB,這塊電路板是變換電路PCB,它為液晶顯示器部件的熒光照明裝置提供電源。
液晶顯示器裏的電路在一定的時鍾頻率範圍內運行。模擬的紅綠藍輸入信號根據顯示器的分辨率在從35MHz到138MHz的時鍾速率範圍內被數字化;另外,根據顯示器的分辨率,主處理器的存儲芯片的時鍾被鎖定在80MHz到101MHz的範圍內。使用模數轉換器在相同的時鍾速率下去處理數字顯示數據,然而在處理器的輸出鍾頻為固定的42.5MHz。
液晶監視器EMI的改進
EMI的分析集中在主PCB,因為主PCB產生的頻率諧波在輻射頻譜中占主要地位。在主PCB上的所有的EMI改進能被分為三個不同的部分;去耦、印製線布線和電源絕緣區布局。
去耦
在時域中,去耦電容起到了電荷源的作用,它提供了反向改變電源總線電壓的電流;在頻域中,去耦電容減小了電源的阻抗。在任何情況下,都必須注意如何連接這種電容。如果去耦回路中有太多的電感(互感),電容就不能足夠地提供電流,並且從電源總線看過去的阻抗也會增加。過多的互感會減小電容的影響,並且可能導致產生出有驅動EMI天線能力的帶噪聲的功率平麵。
去耦電容能夠被分成三種:本體的,局部的和板間的。體去耦電容在低頻(亞MHz範圍)時可提供電荷;局部去耦電容在較高的頻率(在幾百MHz以上)也能提供電荷;在最高的頻率,電源麵和接地麵間的板間電容成為了去耦電流的主要來源。
主PCB最初設計的去耦方案需要改進。例如,體電容沒有放置在最合適的地方,它一般被放置在有電源麵的PCB上,因為體電容工作在低頻,所以在電源總線的高電感可以被忽略。
在這種設計中,主PCB上(shang)的(de)體(ti)去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)被(bei)放(fang)置(zhi)在(zai)靠(kao)近(jin)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)的(de)地(di)方(fang),在(zai)那(na)裏(li)印(yin)製(zhi)線(xian)的(de)密(mi)度(du)非(fei)常(chang)高(gao)。移(yi)動(dong)體(ti)去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)離(li)開(kai)這(zhe)個(ge)區(qu)域(yu)並(bing)不(bu)會(hui)減(jian)小(xiao)低(di)頻(pin)去(qu)耦(ou),而(er)且(qie)還(hai)會(hui)為(wei)PCB上布關鍵性的信號印製線提供空間。
局部去耦電容的連接同樣需要改進。在PCB上局部去耦電容需要放置在距離集成電路很近的地方,其間的距離大約是30密耳。另外,為了更好的效果,局部去耦電容和電源總線之間的互感需要最小化。對於大部分情況,在主PCB上(shang)局(ju)部(bu)去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)會(hui)被(bei)放(fang)置(zhi)在(zai)靠(kao)近(jin)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)之(zhi)處(chu)。然(ran)而(er),許(xu)多(duo)局(ju)部(bu)去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)與(yu)電(dian)源(yuan)總(zong)線(xian)的(de)連(lian)接(jie)很(hen)差(cha)。在(zai)很(hen)多(duo)時(shi)候(hou),經(jing)過(guo)一(yi)個(ge)共(gong)用(yong)的(de)印(yin)製(zhi)線(xian)使(shi)多(duo)個(ge)去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)與(yu)電(dian)源(yuan)麵(mian)和(he)接(jie)地(di)麵(mian)連(lian)接(jie)起(qi)來(lai)。對(dui)於(yu)接(jie)地(di)和(he)電(dian)源(yuan)來(lai)說(shuo),這(zhe)些(xie)共(gong)用(yong)的(de)印(yin)製(zhi)線(xian)上(shang)的(de)所(suo)有(you)電(dian)容(rong)隻(zhi)有(you)一(yi)個(ge)通(tong)孔(kong)。通(tong)過(guo)這(zhe)種(zhong)方(fang)式(shi)連(lian)接(jie)局(ju)部(bu)去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)就(jiu)產(chan)生(sheng)了(le)許(xu)多(duo)的(de)互(hu)感(gan)。連(lian)接(jie)局(ju)部(bu)去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)更(geng)好(hao)的(de)方(fang)式(shi)就(jiu)是(shi)應(ying)該(gai)為(wei)每(mei)個(ge)電(dian)容(rong)在(zai)連(lian)接(jie)處(chu)提(ti)供(gong)兩(liang)個(ge)通(tong)孔(kong):一yi個ge通tong孔kong直zhi接jie連lian接jie地di平ping麵mian,另ling一yi個ge直zhi接jie連lian接jie電dian源yuan平ping麵mian。另ling外wai,去qu耦ou電dian容rong和he集ji成cheng電dian路lu不bu應ying該gai共gong用yong電dian源yuan通tong孔kong和he接jie地di通tong孔kong,如ru果guo這zhe樣yang的de話hua就jiu為wei去qu耦ou電dian容rong提ti供gong了le一yi條tiao線xian路lu。為wei了le取qu得de最zui大da互hu感gan的de地di方fang。為wei了le得de到dao最zui大da互hu感gan,較jiao長chang的de電dian源yuan和he接jie地di通tong孔kong應ying該gai互hu相xiang緊jin密mi放fang置zhi。這zhe樣yang,去qu耦ou電dian容rong和he集ji成cheng電dian路lu都dou被bei放fang到dao了lePCB的最上層,並且從上到下的層疊的順序是信號麵——接地麵——電源麵——信(xin)號(hao)麵(mian)。來(lai)自(zi)最(zui)上(shang)層(ceng)的(de)最(zui)長(chang)的(de)通(tong)孔(kong)應(ying)該(gai)是(shi)電(dian)容(rong)和(he)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)源(yuan)通(tong)孔(kong)。因(yin)此(ci),去(qu)耦(ou)電(dian)容(rong)和(he)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)源(yuan)通(tong)孔(kong)應(ying)該(gai)盡(jin)可(ke)能(neng)的(de)互(hu)相(xiang)靠(kao)近(jin)。如(ru)果(guo)電(dian)容(rong)被(bei)放(fang)置(zhi)PCB的反麵,那麼集成電路的電源通孔和電容的接地通孔應該被放置得盡可能靠近。
麵(mian)間(jian)電(dian)容(rong)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)電(dian)源(yuan)層(ceng)和(he)接(jie)地(di)層(ceng)間(jian)共(gong)同(tong)的(de)表(biao)麵(mian)積(ji)的(de)增(zeng)加(jia)而(er)增(zeng)大(da)。在(zai)這(zhe)個(ge)設(she)計(ji)中(zhong),一(yi)些(xie)接(jie)地(di)的(de)臨(lin)時(shi)線(xian)被(bei)布(bu)到(dao)了(le)電(dian)源(yuan)層(ceng)。通(tong)過(guo)移(yi)動(dong)這(zhe)些(xie)接(jie)地(di)的(de)臨(lin)時(shi)線(xian),並(bing)用(yong)電(dian)源(yuan)層(ceng)存(cun)在(zai)的(de)電(dian)源(yuan)隔(ge)離(li)區(qu)域(yu)代(dai)替(ti)這(zhe)些(xie)臨(lin)時(shi)線(xian),就(jiu)會(hui)增(zeng)加(jia)層(ceng)間(jian)電(dian)容(rong)。

圖題:18英寸液晶顯示器
印製線布線
設計者通常在PCB的de接jie地di層ceng留liu下xia間jian隙xi。這zhe些xie間jian隙xi可ke能neng是shi接jie地di層ceng的de高gao速su時shi鍾zhong線xian或huo者zhe其qi他ta印yin製zhi線xian布bu線xian的de結jie果guo。有you時shi間jian隙xi置zhi於yu接jie地di層ceng,以yi使shi板ban上shang的de低di頻pin區qu域yu與yu高gao頻pin電dian路lu隔ge開kai。由you於yu連lian接jie器qi插cha頭tou空kong隙xi區qu可ke能neng會hui不bu經jing意yi的de產chan生sheng間jian隙xi。當dang回hui流liu電dian流liu被bei迫po繞rao著zhe接jie地di層ceng的de間jian隙xi流liu動dong的de時shi候hou,間jian隙xi周zhou圍wei就jiu產chan生sheng了le不bu同tong的de電dian位wei。這zhe個ge電dian位wei差cha可ke能neng就jiu是shiEMI的原因。
在主PCBshang,youyixiexinhaocengdeyinzhixianchuanguolelinjinjiedicengjianxidedifang。liru,xinhaocengshangdegaosushujuhedizhixianchuanguolejiedicengshangdeyoushizhongyinzhixianchanshengdeweiyujiedicengdejianxi。
接(jie)地(di)層(ceng)的(de)隔(ge)離(li)間(jian)隙(xi)被(bei)用(yong)來(lai)隔(ge)離(li)電(dian)源(yuan)電(dian)路(lu)和(he)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)。然(ran)而(er),如(ru)果(guo)相(xiang)鄰(lin)層(ceng)的(de)高(gao)速(su)線(xian)穿(chuan)過(guo)間(jian)隙(xi)的(de)話(hua),那(na)建(jian)立(li)這(zhe)個(ge)間(jian)隙(xi)的(de)好(hao)處(chu)就(jiu)失(shi)去(qu)了(le)。在(zai)一(yi)個(ge)較(jiao)早(zao)的(de)原(yuan)型(xing)中(zhong),隔(ge)離(li)間(jian)隙(xi)很(hen)長(chang),因(yin)此(ci),在(zai)相(xiang)鄰(lin)層(ceng)上(shang)的(de)一(yi)些(xie)模(mo)擬(ni)紅(hong)綠(lv)藍(lan)印(yin)製(zhi)線(xian)在(zai)間(jian)隙(xi)上(shang)穿(chuan)過(guo)。
電源絕緣區的布局
主PCBshangdedianyuancengbeifenchengxuduobutongdedianyuanjueyuanqu。jieguo,dianyuancengchanshenglexuduojianxi。dangxianglincengdexinhaoyinzhixiandehuiliudianliuweiraozhexiejianxiliudongshi,zhexiejianxixingchengleyigeqianzaideEMI源。為了減小這些潛在的EMI源,要通過移動或者重新建立電源絕緣區來減少相鄰層通過這些間隙 的印製線的數量。例如,一個可驅動PCB全部長度的12伏電源麵不得已而在信號層上布線。一個電源絕緣區應該被移動,以使紅綠藍信號線不通過任何一個間隙。為了進一步減小潛在的EMI源,隻有低速信號印製線能布在鄰近的信號層。
EMI“天線”的測定法
在液晶顯示器上可能有許多EMI“天線”。為了找出哪個EMI“天線”EMI的影響最大,利用了可選擇的屏蔽方法。所選擇的屏蔽方法包括了用銅帶和鋁箔去屏蔽所有可能的EMI源,然後每一次有選擇性地暴露一個可能的EMI“天線”。用這種方法,每個EMI“天線”的貢獻都可以被量化出來。
最重要的EMI“天線”被發現是在屏蔽體2背麵驅動的屏蔽體1。當屏蔽體1和屏蔽體2被4個螺絲連接起來的時候,在高頻時,這些螺絲並不是一個很好的電連接。這兩個屏蔽體之間的不良連接就產生了一個EMI“天線”。為了消除這個EMI“天線”,可將指型簧片放置在兩個屏蔽體之間。EMI測試顯示,在放置了指型簧片後,在低於500MHz時EMI平均降低了2到3dB;而在高於500MHz時平均降低了5到10dB。
一些其他的低速電纜需要用鐵氧體來減小EMI。在主PCB和按鍵PCB之間的一簇電線,以及來自主PCB為液晶監視器組件提供電源的電纜都攜帶了很多的噪聲電流,這些證明了在電纜上加上鐵氧體的正確性。
在主PCB和液晶顯示器組件之間攜帶高速顯示數據的屏蔽電纜並沒有在遠離屏蔽體之處連接到屏蔽體2上。沒有連接到屏蔽體2上的電纜允許噪聲電流自主PCB到屏蔽體2,並進行輻射。因此,高速數據電纜外部屏蔽體和屏蔽體2之間的連接要建立。輻射測量表明,當這種連接建立時,對於42.5MHz的輸出時鍾的諧波有了很大的減少,而在800MHz左右有適度減小。
進入屏蔽體2並連接到主PCB的紅綠藍電纜和電源電纜對輻射EMI的貢獻不大,因此勿需改進。
建議的效果
在500MHz以下,所有的諧波都降低了3到5dB,一些降低了10dB。在500MHz以上,大多數時鍾諧波都降低了5dB,一些降低的更多。
在液晶顯示器中的最重要的EMI源並不是源於液晶顯示器麵板自身,而是來自用於處理並將模擬紅綠藍數據轉換成為液晶顯示器麵板能夠用的數字信號的主PCB。重要的EMI源就是由模數轉換器、主處理器和存儲芯片使用的不同時鍾。潛在的EMI源(例如低壓數字信號集成電路的輸出)並不象最初所想的為EMI起到很大的貢獻。EMI“天線”主要包括沒有適當彼此連接的屏蔽體,同時也包括其他濾波不良的電纜連接的PCB。在一個寬頻率範圍內,合適的設計可使輻射的EMI減少3~5dB,或者更多。
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