EMC设 计 方 法 ZT

jiangweiamo

  EMC设 计 方 法
2004-2-18
北 方 交 通 大 学 拉 电 磁 干 扰 研 究 中 心

刘 萍 谭 海 峰 吴 然 沙 斐
摘 要 ： 本 文 对 某 厂 家 的 液 晶 显 示 器 的 EMC性 能 进 行 了 分 析 ， 并 提 出 了 改 进 方 案 ， 关 于 EMC分 析 设 计 的 阐 述 分 为 两 部 分 ： 第 一 部 分 是 关 于 PCB板 上 EMC设 计 ； 第 二 部 分 分 析 了 液 晶 显 示 器 中 易 被 人 们 忽 视 的 各 种 EMI“ 天 线 ” ， 并 提 出 了 抑 制 方 法 。 本 文 提 到 的 许 多 EMC设 计 方 法 同 样 适 用 于 其 它 高 频 电 子 产 品 。

关 键 词 ： 液 晶 显 示 器 ； 辐 射 骚 扰 ， EMC； 电 容 去 耦

电 子 产 品 要 进 入 国 内 国 际 市 场 必 须 通 过 电 磁 兼 容 测 试 ， 取 得 电 磁 兼 容 认 证 。 在 多 项 电 磁 兼 容 测 试 项 目 中 ， 辐 射 骚 扰 测 试 是 令 厂 家 最 头 疼 的 一 项 。 因 为 随 着 数 字 电 路 的 广 泛 应 用 以 及 设 备 工 作 频 率 越 来 越 高 ， 数 字 设 备 的 辐 射 骚 扰 抑 制 越 来 越 棘 手 。 下 面 从 某 款 液 晶 显 示 器 出 发 ， 探 讨 此 类 高 频 电 子 产 品 EME分 析 和 EMI抑 制 的 方 法 。

液 晶 显 示 器 的 内 部 结 构

液 晶 显 示 器 的 内 部 结 构 加 图 1所 示 。 它 本 要 包 括 一 块 主 PCB、 一 些 辅 助 PCB和 一 组 液 晶 显 示 电 路 。 主 PCB把 来 自 计 算 机 的 显 示 信 息 转 换 成 能 被 液 晶 显 示 电 路 数 字 式 处 理 的 信 号 。 辅 助 PCB为 液 晶 显 示 电 路 提 供 电 源 ， 并 将 来 自 键 盘 PCB的 信 息 传 送 给 主 PCB。

液 晶 显 示 器 的 不 同 位 置 有 四 个 屏 蔽 体 。 屏 蔽 体 1笼 罩 着 液 晶 显 示 电 路 ； 屏 蔽 体 2包 围 着 主 PCB， 屏 蔽 体 3覆 盖 了 屏 蔽 体 2， 并 与 屏 蔽 体 1相 连 ； 屏 蔽 体 4罩 着 一 个 辅 助 PCB－ 变 换 电 路 PCB， 它 为 液 晶 显 示 电 路 的 荧 光 照 明 装 置 提 供 电 源 。

PCB设 计 上 改 进 EMC性 能

通 过 电 磁 场 探 头 的 检 测 ， 我 们 发 现 主 PCB上 产 生 的 频 率 谐 波 在 辐 射 频 谱 中 占 主 要 地 位 ， 因 此对 液 晶 显 示 器 主 PCB上 的 EMC分 析 不 可 或 缺 。 主 PCB上 EMC性 能 的 改 进 有 两 个 大 方 面 ： 电 容 去 耦 和 印 制 板 布 线 。

电 容 去 耦

去 耦 电 容 在 补 偿 集 成 片 或 电 路 板 工 作 电 压 跌 落 时 起 到 了 储 能 作 用 。 它 可 以 分 成 三 种 ： 整 体 的 、 局 部 的 和 板 间 的 。

整 体 去 耦 电 容 又 称 旁 路 电 容 ， 它 工 作 于 低 频 (亚 MHz 范 围 状 态 ， 为 整 个 电 路 板 提 供 一 个 电 流 源 ,补 偿 电 路 板 工 作 时 产 生 的 △ I噪 声 电 流 ， 保 证 工 作 电 源 电 压 的 稳 定 。 它 的 大 小 为 PCB上 所 有 负 载 电 容 和 的 50－ 100倍 。 这 台 液 晶 温 示 器 将 整 体 去 耦 电 容 放 在 了 印 制 线 密 度 很 高 的 地 方 (见 图 2)， 这 是 不 正 确 的 ， 它 应 放 置 在 紧 靠 PCB外 接 电 源 线 和 地 线 的 地 方 。 所 以 应 该 将 图 2中 的 整 体 去 耦 电 容 移 开 、 这 不 仅 不 会 减 小 低 频 去 耦 ， 而 且 还 会 为 PCB上 布 置 关 键 性 的 印 制 线 提 供 空 间 。

局 部 去 耦 电 容 有 两 个 作 用 。 第 一 ， 出 于 功 能 上 的 考 虑 ： 通 过 电 容 的 充 放 电 使 集 成 片 得 到 的 供 电 电 压 比 较 平 稳 ， 不 会 由 于 电 压 的 暂 时 跌 落 导 致 集 成 片 功 能 受 到 影 响 ； 第 二 ， 出 于 EMC考 虑 ,为 集 成 片 的 瞬 变 电 流 提 供 就 近 的 高 频 通 道 ， 使 电 流 不 至 于 通 过 环 路 面 积 较 大 的 供 电 线 路 ,从 而 大 大 减 小 了 向 外 的 辐 射 噪 声 。 同 时 由 于 各 集 成 片 拥 有 自 己 的 高 频 通 道 ,相 互 之 间 没 有 公 共 阻 抗 ,抑 止 了 其 阻 抗 耦 合 。 局 部 去 耦 电 容 安 装 在 每 个 集 成 片 的 电 源 端 子 和 接 地 端 子 之 间 ,并 尽 量 靠 近 集 成 片 。

板 间 电 容 是 指 电 源 面 和 接 地 面 之 间 的 电 容 ， 它 是 最 高 频 率 时 去 耦 电 流 的 主 要 来 源 。 板 间 电 容 可 以 通 过 增 加 电 源 层 和 接 地 层 间 面 积 来 增 大 。 在 这 台 液 晶 显 示 器 的 主 PCB中 ， 一 些 接 地 面 被 布 到 了 电 源 层 。 移 去 这 些 接 地 面 ， 用 电 源 隔 离 区 代 之 ， 可 以 增 加 板 间 电 容 。

地 层 上 的 隔 缝 不 要 阻 挡 高 频 回 流 的 通 路

为 了 防 止 共 地 线 阻 抗 耦 合 干 扰 ， 电 路 设 计 者 通 常 会 根 据 不 同 的 电 源 电 压 、 数 字 和 模 拟 、 高 速 和 低 速 、 大 电 流 和 小 电 流 来 分 别 设 置 地 线 ， 这 就 很 容 易 在 PCB接 地 层 留 下 隔 缝 。 此 时 应 该 注 意 高 速 信 号 线 在 轨 线 展 上 不 要 跨 过 隔 缝 。

首 先 考 察 高 频 电 流 在 金 属 面 上 的 流 动 情 况 。 图 3（ a)中 的 双 面 PCB一 面 用 作 地 层 ,另 一 面 用 作 元 件 和 轨 线 层 。 轨 线 层 上 有 一 时 钟 轨 线 ， 地 层 上 带 箭 头 的 实 线 表 示 其 返 回 电 流 的 轨 迹 。 在 高 频 时 ,回 流 线 总 是 尽 可 能 地 贴 近 信 号 线 返 回 。 我 们 知 道 电 流 总 是 走 阻 抗 最 小 的 途 径 ， 电 流 环 路 的 阻 抗 Z=R＋ jω ， 阻 抗 既 包 括 电 流 环 路 的 电 阻 ， 也 包 括 电 流 环 路 的 电 感 ， 环 路 电 感 的 大 小 与 环 路 面 积 成 正 比 。 当 时 钟 频 率 为 MHz 级 时 , 感 抗 大 于 环 路 电 阻 ， 起 主 导 作 用 ， 这 时 Z≈ jLω ， 所 以 电 流 走 环 路 电 感 最 小 的 途 径 。 环 路 面 积 越 小 电 感 越 小 ,回 流 线 总 是 尽 可 能 贴 近 信 号 线 返 回 。

如 果 地 层 上 有 隔 缝 ， 而 高 速 时 钟 线 在 轨 线 层 上 跨 过 隔 缝 ， 如 图 3(b） 所 示 ． 则 回 流 线 被 迫 绕 过 隔 缝 ， 从 而 增 加 了 高 频 环 路 面 积 ． 这 将 产 生 以 下 严 重 后 果 ：

(1)增 加 向 空 间 的 辐 射 骚 扰 ,同 时 易 受 空 间 磁 场 的 影 响 ;

(2)增 加 了 与 板 上 其 他 电 路 产 生 磁 场 耦 合 的 可 能 性 ；

（ 3） 由 于 环 路 电 感 加 大 。 输 出 时 钟 波 形 容 易 产 生 振 荡 ；

(4) 环 路 电 感 上 的 高 频 压 降 构 成 共 模 辐 射 源 ， 并 通 过 外 接 电 缆 产 生 共 模 辐 射 。

所 以 应 该 避 免 高 速 信 号 线 跨 越 隔 缝 ， 对 于 上 升 时 间 为 3ns的 数 字 信 号 ， 1cm长 的 隔 缝 就 可 能 产 生 显 著 的 影 响 。

在 这 款 液 晶 显 示 器 的 主 PCB上 ， 视 频 信 号 轨 线 就 穿 过 了 相 邻 地 层 的 隔 缝 ,如 图 4所 示 。 此 时 就 需 要 缩 短 隔 缝 宽 度 或 者 绕 着 隔 缝 布 置 视 频 信 号 轨 线 ,以 消 除 这 一 潜 在 的 EMI源 。

液 晶 显 示 器 中 的 EMI"天 线 ”

一 个 没 有 充 件 考 虑 EMC设 计 的 液 晶 显 示 器 上 可 能 会 存 在 许 多 EMI“ 天 线 ” ， 不 仅 会 将 显 示 器 内 部 电 路 产 生 的 骚 扰 信 号 辐 射 出 来 ， 而 且 也 可 能 将 显 示 器 外 部 环 境 中 的 电 磁 骚 扰 接 收 进 来 。 影 响 内 部 电 路 的 正 常 工 作 ， 很 容 易 造 成 液 晶 显 示 器 EMC测 试 通 不 过 。 因 而 ， 寻 找 显 示 器 上 潜 在 的 “ 天 线 ” 并 将 它 的 影 响 抑 制 到 最 小 是 非 常 重 要 的 。

借 助 电 磁 场 探 测 工 具 ， 通 过 电 磁 兼 容 分 析 ， 我 们 找 到 了 这 款 液 晶 显 示 器 上 许 多 潜 在 的 EMI“ 天 线 ” 。

EMI“ 天 线 ” 之 一

最 重 要 的 EMI天 线 是 屏 蔽 体 2与 屏 蔽 体 1之 间 的 天 线 ， 如 图 5所 示 。 屏 蔽 体 1和 屏 蔽 体 2通 过 四 个 螺 丝 相 连 接 。 在 高 频 时 ， 这 些 螺 丝 并 不 是 很 好 的 电 连 接 ， 它 们 存 在 较 大 的 电 感 Lp， 这 个 电 感 正 好 是 EMI“ 天 线 ” 的 辐 射 源 。 因 为 屏 蔽 体 1和 屏 蔽 体 2内 部 PCB上 的 信 号 线 与 屏 蔽 体 是 很 贴 近 的 ， 信 号 线 和 屏 蔽 体 之 间 在 高 频 时 存 在 明 显 的 分 布 电 容 Cd。 于 是 ， PCB上 的 差 模 源 就 可 以 通 过 这 个 分 布 电 容 耦 合 到 屏 蔽 体 上 ， 引 起 差 模 电 流 IDM。 IDM通 过 螺 丝 、 屏 蔽 体 1， 回 到 PCB上 的 差 模 源 （ 见 图 6)。 由 于 螺 丝 上 存 在 电 感 Lp． 所 以 IDM就 会 在 Lp上 产 生 电 压 降 UCM。 成 为 共 模 驱 动 电 压 ， 从 而 引 起 共 模 辐 射 ， 为 了 消 除 这 个 EMI“ 天 线 ” ， 可 将 指 形 簧 片 放 置 在 两 个 屏 蔽 体 之 间 ， 以 减 小 接 触 电 阻 。 EMI测 试 表 明 ， 在 放 置 了 指 形 簧 片 之 后 ， 低 于 500MHz的 EMI平 均 降 低 了 2到 3dB， 而 高 于 500MHz的 EMI平 均 降 低 了 5到 10dMB。

EMI“ 天 线 ” 之 二

主 PCB和 液 晶 显 示 电 路 之 间 携 带 高 速 显 示 数 据 的 屏 蔽 电 缆 也 是 一 个 重 要 的 EMI辐 射 源 。 由 于 该 电 缆 的 屏 蔽 层 没 有 与 屏 蔽 体 2连 接 ， 而 是 通 过 PCB板 上 的 地 线 接 地 。 这 样 就 会 使 主 PCB 上 产 生 的 噪 声 电 流 通 过 电 缆 屏 蔽 层 辐 射 出 去 ； 电 缆 屏 蔽 层 就 成 了 辐 射 天 线 。 因 此 ， 高 速 数 据 电 缆 屏 蔽 层 和 屏 蔽 体 2之 间 应 建 立 良 好 连 接 ,可 以 用 导 电 衬 垫 将 电 缆 端 口 的 屏 蔽 层 与 屏 蔽 体 良 好 接 触 。 辐 射 发 射 测 量 表 明 ， 当 这 种 连 接 建 立 时 ， 输 出 时 钟 的 谐 波 有 了 明 显 减 少 。

EMI“ 天 线 ” 之 三

设 备 内 部 PCB板 之 间 的 连 线 是 骚 扰 的 主 要 传 播 途 径 。 这 些 连 线 虽 然 有 屏 蔽 ， 但 是 屏 蔽 未 接 地 。 用 电 磁 场 探 头 检 测 ， 发 现 这 些 电 缆 线 上 有 较 大 的 电 磁 骚 扰 ， 说 明 屏 蔽 并 没 有 起 作 用 。 为 此 ， 将 屏 蔽 层 两 端 良 好 接 地 ， 最 好 用 金 属 片 将 其 包 好 后 用 螺 钉 直 接 锁 到 屏 蔽 体 上 。 如 实 际 无 法 做 到 ， 也 可 以 引 一 条 短 线 连 到 PCB板 的 地 线 上 ， 最 好 在 PCB板 靠 近 端 口 处 做 一 些 接 地 柱 。 经 此 处 理 后 骚 扰 电 平 会 有 较 大 下 降 ， 另 外 ， 如 果 有 些 连 线 屏 蔽 较 困 难 ． 则 可 以 套 上 铁 氧 体 磁 环 、 以 抑 制 其 高 频 辐 射 。

除 加 以 屏 蔽 或 加 铁 氧 体 磁 环 外 ， 对 于 电 磁 骚 扰 较 高 的 信 号 线 ， 还 可 以 在 主 板 的 信 号 端 口 加 一 些 源 波 措 施 ,如 钱 氧 体 磁 珠 或 RC滤 波 器 等 。

EMI“ 天 线 ” 之 四

在 进 行 巨 EMC辐 射 测 试 时 发 现 ,改 变 电 源 线 和 视 频 信 号 线 的 位 置 对 试 验 结 果 有 很 大 影 响 ， 这 说 明 两 条 电 缆 是 良 好 的 辐 射 无 线 。 为 了 抑 制 电 缆 辐 射 ,我 们 首 先 从 电 缆 的 接 地 、 滤 波 入 手 。 电 源 线 是 同 轴 线 形 式 ， 正 极 在 内 ． 负 极 在 外 ， 负 极 已 通 过 主 板 接 地 ， 但 与 机 壳 的 接 地 电 阻 较 大 。 所 以 用 一 短 粗 线 直 接 将 负 极 连 到 机 壳 地 上 。 同 时 ， 为 了 滤 除 高 频 共 模 干 扰 ， 在 主 板 上 的 电 源 入 口 处 又 加 了 电 源 滤 波 器 ， 如 图 7所 示 。 对 于 视 频 信 号 线 ， 则 需 保 证 其 屏 蔽 层 与 金 属 外 壳 360° 良 好 环 接 ， 防 止 “ 猪 尾 巴 效 应 ” 。 如 果 还 需 要 进 一 步 降 低 电 缆 辐 射 、 则 可 以 在 电 源 线 和 视 频 线 上 加 合 适 的 铁 氧 体 磁 杯 。

其 它 EMI源

IC和 晶 振 是 数 字 电 路 中 典 型 的 辐 射 源 ， 电 磁 骚 扰 通 过 数 字 信 号 所 流 经 的 线 路 向 外 辐 射 。 因 此 ， 在 布 线 时 ， 时 钟 线 和 高 频 信 号 线 的 长 度 要 尽 量 短 ， 所 流 经 的 回 路 面 积 要 尽 量 小 。 液 晶 显 示 器 中 需 要

evanwei

多发些设计方面的ＥＭＣ文章

tinles

我就是做LCD TV的，这东西可真是实用呀

kakaci

怎么没图片呢

yeyeyingzi

是呀，没有图片呢～

szhyk

内容不完全呀