液晶電視電磁兼容設計技術(shù)

電磁兼容（EMC）是液晶電視設計中不可避免的重要問題。如果EMC設計不好，將會導致電視在播放的過程中出現(xiàn)水波紋以及頻閃等問題，嚴重時將會導致無法收看。EMC設計實際上就是針對產(chǎn)品中產(chǎn)生的電磁干擾進行優(yōu)化設計，使之符合各國或地區(qū)的EMC標準。其定義是：設備或系統(tǒng)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(gòu)成不能承受的電磁干擾（EMI）的能力。

電磁干擾一般都分為兩種，傳導干擾和輻射干擾。傳導干擾是指通過導電介質(zhì)把一個電網(wǎng)絡上的信號耦合（干擾）到另一個電網(wǎng)絡。輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合（干擾）到另一個電網(wǎng)絡。

液晶電視結(jié)構(gòu)主要包括：液晶顯示模塊，電源模塊，驅(qū)動模塊（主要包括主驅(qū)動板和調(diào)諧器板）以及按鍵模塊。一般液晶顯示模塊由生產(chǎn)廠商在生產(chǎn)前已經(jīng)完成EMC的測試。這里主要介紹一下設計電源模塊、驅(qū)動模塊、按鍵模塊，以及整機設計時應注意的電磁干擾問題。

電源模塊EMC設計

電源部分兩大主要功能就是實現(xiàn)驅(qū)動液晶屏的背光以及為其他模塊（包括驅(qū)動模塊，按鍵模塊）提供直流電源。

電源模塊的設計好壞直接影響到整個系統(tǒng)，如果設計不好，將會導致電視出現(xiàn)大的水波紋，嚴重時將會導致電視不能使用。同時還會嚴重影響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關電源。開關電源引起電磁干擾問題的原因是很復雜的。設計開關電源時，要防止開關電源對電網(wǎng)和附近的電子設備產(chǎn)生干擾；還要加強開關電源本身對電磁干擾環(huán)境的適應能力。

針對開關電源的EMC問題，在設計時應采用以下主要措施：

軟開關技術(shù)：開關器件開通/關斷時會產(chǎn)生浪涌電流和尖峰電壓，這是開關管產(chǎn)生電磁干擾及開關損耗的主要原因。軟開關技術(shù)是減小開關器件損耗和改善開關器件EMC特性的重要方法。該技術(shù)主要是使開關電源中的開關管在零電壓、零電流時進行開關轉(zhuǎn)換從而有效地抑制電磁干擾。

調(diào)制頻率控制：電磁干擾是根據(jù)開關頻率變化的，干擾的能量集中在離散的開關頻率點上導致干擾強度大。通過將開關信號的能量調(diào)制分布在一個很寬的頻帶上，產(chǎn)生一系列離散邊頻帶，這樣就將干擾頻譜展開，干擾能量分布在離散頻帶上，從而降低開關頻率點上的電磁干擾強度。

元器件布局與走線：將電源輸入信號和輸出信號相關聯(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。將相互關聯(lián)的元器件放在一起，避免走線過長帶來干擾。

另外還要盡量避免信號線平行走線。如果無法避免，盡量加大線間距?；蛘咴谥虚g加一根地線，以減少相互之間的干擾。

主驅(qū)動板EMC設計

液晶電視的主驅(qū)動板主要包括：模擬信號部分，高速數(shù)字電路部分，噪聲源DC-DC電源部分。

元器件布局與走線：在布局上，要把模擬信號部分，高速數(shù)字電路部分，噪聲源DC-DC電源部分這三部分合理地分開，使相互間的信號耦合為最小。而在器件布設方面，還是遵從相互有關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電源部分與地：在印刷電路板上，電源線和地線最重要。讓模擬電路和數(shù)字電路分別擁有自己的電源和地線通路。克服電磁干擾，最主要的手段就是接地。

在液晶電視的驅(qū)動板上，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，以減少電源地對圖像顯示和電視伴音的干擾。

如果在設計電路時存在著模擬地和數(shù)字地，在印制板鋪地時應該將它們分開。以減低相互干擾。在使用雙層板以及多層板PCB的布局中，一般都會將其中一層銅箔作為專門的接地平面。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(shù)字地分開鋪地。如液晶電視的主驅(qū)動板經(jīng)常會使用的AD公司的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD9883，在印制板設計時我們就可以將該芯片模擬部分的地和數(shù)字部分的地分開鋪地。最后再通過一根比較短的導線將兩地單點連接起來?；蛘呤菍傻赝ㄟ^一個1nF的旁路電容連接起來。

晶振：數(shù)字電路中的時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(nèi)容。晶振是一個強輻射發(fā)射源。晶振內(nèi)部電路產(chǎn)生大的RF電流，以至于晶體的地引線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(jié)果金屬外殼變成了單極天線。晶振的周邊就是一個輻射場。

故晶振電路盡量遠離接口電路，如串口、地址線、數(shù)據(jù)線等。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。晶振的兩個腳都要加RC濾波電路。同時一定要將晶振的金屬外殼與印制板上的地連接起來。另外，晶振與芯片引腳盡量靠近，用地線把時鐘區(qū)隔離起來，放置一個局部地平面并且通過多個過孔與地線連接。

電容去耦：利用電容去耦來降低電磁干擾，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)，為整個電路板提供一個穩(wěn)定的電壓和電流。它應放置在緊靠印制電路板電源線和地線的地方。典型的去耦電容值是0.1μF。這個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，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(wěn)；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更好。去耦電容的引線不能過長，一般都緊靠在集成電路電源旁邊，連線要粗一些。

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。磁珠專用于抑制信號線、電源線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，而濾除交流信號。

選擇磁珠時，必須注意以下幾個因素：

1、不需要的信號頻率范圍為多少；

2、噪聲源是誰；

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(jié)構(gòu)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。

前三條通過觀察廠家提供的阻抗頻率曲線就可以判斷。在阻抗曲線中三條曲線都非常重要，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及等效電路拓撲。

總阻抗通過下面的公式⑴來描述：

Z＝（R + 2πFL）

通過這一曲線，選擇在期望衰減噪聲的頻率范圍內(nèi)具有最大阻抗而在低頻和直流下信號衰減盡量小的磁珠。

片式磁珠在過大的直流電壓下，阻抗特性會受到影響，另外，如果工作溫升過高，或者外部磁場過大，磁珠的阻抗都會受到不利的影響。

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，使用片式磁珠是最佳的選擇。

調(diào)諧器板EMC設計

調(diào)諧器板主要包括：調(diào)諧器部分、音頻處理部分。

在進行調(diào)諧器板部分的電路設計和PCB板布板時，尤其要注意電磁干擾的問題，必須考慮下面幾點：

1. 首先要將TUNER部分的地（即模擬地）與其他部分的地分開鋪地。

2. 一定要將TUNER的金屬外殼與地連接起來，連接點多一些能更好地消除電磁干擾。調(diào)諧器TUNER內(nèi)部本來就存在高頻電路，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，盡量選用傳導性好、抗電磁干擾性強的端子，同時也需要將接口端子的所用地與大地完整連接起來。同時也加磁珠濾波。

4. 信號線盡量短而直，如果無法避免，可采取飛線過渡。信號線切忌形成環(huán)形。因為環(huán)形相當于線圈的匝數(shù)，環(huán)形布線的輻射效應最強。

5. 盡量減少大面積的死銅，解決辦法是可以將它們與地連接在一起。如有大面積的死銅形成天線，則會引入電磁干擾。

6. 石英晶體下面以及對噪聲敏感的器件下面不要走線。

音頻處理部分要特別注意在印制板的走線布局中，首先應避免將高速信號線和音、視頻線走在一起。例如：如果將I2C總線中的時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線 SDA的走線和音頻線的走線靠得很近。由于I2C總線中的時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線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(zhuǎn)換電視頻道時，如果能聽到揚聲器發(fā)出有規(guī)律的“咯噠、咯噠”聲。這可能就是因為在印制板布板時忽視了上面的問題。

整機EMC設計

整機機內(nèi)的裝配圖（以其中的一種型號為例）如圖2所示：

圖2：反映各個EMI關注點的某型號整機機內(nèi)裝配圖。

在上圖中標號為5的連接線為數(shù)字板連接屏的屏線。由于屏線主要是上屏的數(shù)據(jù)等。會對系統(tǒng)造成很大的干擾。減小干擾最好辦法是使用雙絞線和屏蔽線。如果是 TTL屏，屏線需要在連接線的外面加屏蔽網(wǎng)罩或者是磁環(huán)。如果LVDS屏，則需要使用雙絞線，同時再加上磁環(huán)。以減少屏線對整個系統(tǒng)的電磁干擾。帶屏蔽的雙絞線，可以信號電流在兩根內(nèi)導線上流動，噪聲電流在屏蔽層里流動，因此消除了公共阻抗的耦合，而任何干擾將同時感應到兩根導線上，使噪聲相消。

在電源和主控制板之間的連線（標號為4）上也需要加一個磁環(huán)。主要是因為電源線對主板會產(chǎn)生比較大的電磁干擾。

在按鍵板跟主板的連接線（標號為9）上也應該加上一個磁環(huán)。主要原因是按鍵板上不斷有數(shù)據(jù)變換（遙控接收頭）而導致對系統(tǒng)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（標號為10）上加上磁環(huán)，以減少音頻輸出對系統(tǒng)的電磁干擾。如果主板和調(diào)諧器板之間有排線（標號6、7、8）連接，則需要在連接線上加磁環(huán)。以減少排線間的電磁干擾。

以上所加的磁環(huán)可以根據(jù)具體的情況來加，可以通過反復的實驗來確定。

屏蔽罩的利用：通常，液晶顯示模塊、主控制板（包括數(shù)字板和調(diào)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，最容易產(chǎn)生電磁干擾。在做EMC的實驗中，主頻率的頻率諧波的地方電磁干擾都很大。在設計時要對主芯片加一定的屏蔽措施。主要的屏蔽措施在數(shù)字板上加金屬屏蔽罩。加屏蔽罩是最有效的抗電磁干擾的途徑。但是因為要考慮到驅(qū)動板和整個系統(tǒng)的散熱問題，要求屏蔽罩上開孔散熱。但是其最大尺寸必須小于噪聲最短波長的1/100。

調(diào)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，則會造成大的干擾。這樣傳導就過不了。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問題。

通常屏蔽罩上都有開口和接縫，他們會造成電磁泄露。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。屏蔽罩上開口的電磁泄露與該開口的尺寸、輻射源的特性和輻射源到開口的距離有關。通過設計開口尺寸和輻射源到開口的距離來滿足屏蔽的要求。

作者：孫會?? 開發(fā)工程師?? 海爾集團技術(shù)研發(fā)中心