關(guān)于18英寸液晶顯示器的輻射電磁干擾設(shè)計(jì)

【導(dǎo)讀】本文將探討關(guān)于18英寸液晶顯示器的輻射電磁干擾(EMI)的評(píng)價(jià)與減小情況的研究，減小EMI的方法將在文中詳細(xì)介紹，并在適當(dāng)?shù)牡胤綍?huì)采取一些修改。對(duì)EMI輻射的測(cè)量證實(shí)了這些建議的效果。

液晶監(jiān)視器包括了一個(gè)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(gè)液晶陣列，一些連接的PCB和一個(gè)熒光照明裝置。主PCB把來自個(gè)人計(jì)算機(jī)的顯示信息轉(zhuǎn)換成能夠被液晶顯示器數(shù)字式處理的信號(hào)。輔助PCB為熒光照明裝置提供電源，并將來自監(jiān)視器前方按鍵的信息傳輸?shù)街鱌CB。

液晶顯示器的不同位置有四個(gè)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并且固定在了屏蔽體1上;屏蔽體4覆蓋了一個(gè)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。

液晶顯示器里的電路在一定的時(shí)鐘頻率范圍內(nèi)運(yùn)行。模擬的紅綠藍(lán)輸入信號(hào)根據(jù)顯示器的分辨率在從35MHz到138MHz的時(shí)鐘速率范圍內(nèi)被數(shù)字化;另外，根據(jù)顯示器的分辨率，主處理器的存儲(chǔ)芯片的時(shí)鐘被鎖定在80MHz到101MHz的范圍內(nèi)。使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器在相同的時(shí)鐘速率下去處理數(shù)字顯示數(shù)據(jù)，然而在處理器的輸出鐘頻為固定的42.5MHz。

液晶監(jiān)視器EMI的改進(jìn)

EMI的分析集中在主PCB，因?yàn)橹鱌CB產(chǎn)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(jìn)能被分為三個(gè)不同的部分;去耦、印制線布線和電源絕緣區(qū)布局。

去耦

在時(shí)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，并且從電源總線看過去的阻抗也會(huì)增加。過多的互感會(huì)減小電容的影響，并且可能導(dǎo)致產(chǎn)生出有驅(qū)動(dòng)EMI天線能力的帶噪聲的功率平面。

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范圍)時(shí)可提供電荷;局部去耦電容在較高的頻率(在幾百M(fèi)Hz以上)也能提供電荷;在最高的頻率，電源面和接地面間的板間電容成為了去耦電流的主要來源。

主PCB最初設(shè)計(jì)的去耦方案需要改進(jìn)。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面的PCB上，因?yàn)轶w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(shè)計(jì)中，主PCB上的體去耦電容被放置在靠近集成電路的地方，在那里印制線的密度非常高。移動(dòng)體去耦電容離開這個(gè)區(qū)域并不會(huì)減小低頻去耦，而且還會(huì)為PCB上布關(guān)鍵性的信號(hào)印制線提供空間。

局部去耦電容的連接同樣需要改進(jìn)。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(duì)于大部分情況，在主PCB上局部去耦電容會(huì)被放置在靠近集成電路之處。然而，許多局部去耦電容與電源總線的連接很差。在很多時(shí)候，經(jīng)過一個(gè)共用的印制線使多個(gè)去耦電容與電源面和接地面連接起來。對(duì)于接地和電源來說，這些共用的印制線上的所有電容只有一個(gè)通孔。通過這種方式連接局部去耦電容就產(chǎn)生了許多的互感。連接局部去耦電容更好的方式就是應(yīng)該為每個(gè)電容在連接處提供兩個(gè)通孔：一個(gè)通孔直接連接地平面，另一個(gè)直接連接電源平面。另外，去耦電容和集成電路不應(yīng)該共用電源通孔和接地通孔，如果這樣的話就為去耦電容提供了一條線路。為了取得最大互感的地方。為了得到最大互感，較長(zhǎng)的電源和接地通孔應(yīng)該互相緊密放置。這樣，去耦電容和集成電路都被放到了PCB的最上層，并且從上到下的層疊的順序是信號(hào)面——接地面——電源面——信號(hào)面。來自最上層的最長(zhǎng)的通孔應(yīng)該是電容和集成電路的電源通孔。因此，去耦電容和集成電路的電源通孔應(yīng)該盡可能的互相靠近。如果電容被放置PCB的反面，那么集成電路的電源通孔和電容的接地通孔應(yīng)該被放置得盡可能靠近。

面間電容可以通過電源層和接地層間共同的表面積的增加而增大。在這個(gè)設(shè)計(jì)中，一些接地的臨時(shí)線被布到了電源層。通過移動(dòng)這些接地的臨時(shí)線，并用電源層存在的電源隔離區(qū)域代替這些臨時(shí)線，就會(huì)增加層間電容。

印制線布線

設(shè)計(jì)者通常在PCB的接地層留下間隙。這些間隙可能是接地層的高速時(shí)鐘線或者其他印制線布線的結(jié)果。有時(shí)間隙置于接地層，以使板上的低頻區(qū)域與高頻電路隔開。由于連接器插頭空隙區(qū)可能會(huì)不經(jīng)意的產(chǎn)生間隙。當(dāng)回流電流被迫繞著接地層的間隙流動(dòng)的時(shí)候，間隙周圍就產(chǎn)生了不同的電位。這個(gè)電位差可能就是EMI的原因。

在主PCB上，有一些信號(hào)層的印制線穿過了鄰近接地層間隙的地方。例如，信號(hào)層上的高速數(shù)據(jù)和地址線穿過了接地層上的由時(shí)鐘印制線產(chǎn)生的位于接地層的間隙。

接地層的隔離間隙被用來隔離電源電路和數(shù)字電路。然而，如果相鄰層的高速線穿過間隙的話，那建立這個(gè)間隙的好處就失去了。在一個(gè)較早的原型中，隔離間隙很長(zhǎng)，因此，在相鄰層上的一些模擬紅綠藍(lán)印制線在間隙上穿過。

電源絕緣區(qū)的布局

主PCB上的電源層被分成許多不同的電源絕緣區(qū)。結(jié)果，電源層產(chǎn)生了許多間隙。當(dāng)相鄰層的信號(hào)印制線的回流電流圍繞這些間隙流動(dòng)時(shí)，這些間隙形成了一個(gè)潛在的EMI源。為了減小這些潛在的EMI源，要通過移動(dòng)或者重新建立電源絕緣區(qū)來減少相鄰層通過這些間隙　的印制線的數(shù)量。例如，一個(gè)可驅(qū)動(dòng)PCB全部長(zhǎng)度的12伏電源面不得已而在信號(hào)層上布線。一個(gè)電源絕緣區(qū)應(yīng)該被移動(dòng)，以使紅綠藍(lán)信號(hào)線不通過任何一個(gè)間隙。為了進(jìn)一步減小潛在的EMI源，只有低速信號(hào)印制線能布在鄰近的信號(hào)層。

EMI“天線”的測(cè)定法

在液晶顯示器上可能有許多EMI“天線”。為了找出哪個(gè)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，然后每一次有選擇性地暴露一個(gè)可能的EMI“天線”。用這種方法，每個(gè)EMI“天線”的貢獻(xiàn)都可以被量化出來。

最重要的EMI“天線”被發(fā)現(xiàn)是在屏蔽體2背面驅(qū)動(dòng)的屏蔽體1。當(dāng)屏蔽體1和屏蔽體2被4個(gè)螺絲連接起來的時(shí)候，在高頻時(shí)，這些螺絲并不是一個(gè)很好的電連接。這兩個(gè)屏蔽體之間的不良連接就產(chǎn)生了一個(gè)EMI“天線”。為了消除這個(gè)EMI“天線”，可將指型簧片放置在兩個(gè)屏蔽體之間。EMI測(cè)試顯示，在放置了指型簧片后，在低于500MHz時(shí)EMI平均降低了2到3dB;而在高于500MHz時(shí)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(jiān)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(shù)據(jù)的屏蔽電纜并沒有在遠(yuǎn)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，并進(jìn)行輻射。因此，高速數(shù)據(jù)電纜外部屏蔽體和屏蔽體2之間的連接要建立。輻射測(cè)量表明，當(dāng)這種連接建立時(shí)，對(duì)于42.5MHz的輸出時(shí)鐘的諧波有了很大的減少，而在800MHz左右有適度減小。

進(jìn)入屏蔽體2并連接到主PCB的紅綠藍(lán)電纜和電源電纜對(duì)輻射EMI的貢獻(xiàn)不大，因此勿需改進(jìn)。

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(shù)時(shí)鐘諧波都降低了5dB，一些降低的更多。

在液晶顯示器中的最重要的EMI源并不是源于液晶顯示器面板自身，而是來自用于處理并將模擬紅綠藍(lán)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為液晶顯示器面板能夠用的數(shù)字信號(hào)的主PCB。重要的EMI源就是由模數(shù)轉(zhuǎn)換器、主處理器和存儲(chǔ)芯片使用的不同時(shí)鐘。潛在的EMI源(例如低壓數(shù)字信號(hào)集成電路的輸出)并不象最初所想的為EMI起到很大的貢獻(xiàn)。EMI“天線”主要包括沒有適當(dāng)彼此連接的屏蔽體，同時(shí)也包括其他濾波不良的電纜連接的PCB。在一個(gè)寬頻率范圍內(nèi)，合適的設(shè)計(jì)可使輻射的EMI減少3～5dB，或者更多。