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      如何改進小間距LED顯示屏的電磁兼容性(EMC)


      小間距LED顯示屏正逐步進入新的室內應用領域,如監控中心、會議室、小型展廳、辦公室等,因此,安全和干擾的問題不容忽視。本文以一個沒有針對EMC設計的產品為實例,對其進行相關的電磁兼容性(EMC)進行測試、分析并進行優化設計,最后總結了針對LED顯示屏EMC改進的幾種方法。

      【關鍵詞】 EMC;小間距;LED顯示屏


      2012-2015年是高密度LED顯示屏迅猛發展的三年,預測高密度LED產品的發展將經歷三個階段。第一階段,進入專業室內大屏幕顯示市場。第二階段,進入商務會議與教育領域,逐步替代投影儀。第三階段,進入高端家用電視市場。受限于液晶電視的技術,目前110寸以上的大屏幕高端家用電視領域技術缺位,投影技術又難以滿足高端用戶對觀看效果的要求,因此未來小間距LED顯示技術有望在該領域取得輝煌戰果。




      考慮到高密度LED顯示屏將會逐步從專業室內領域過渡進入大眾室內,加之人們對自身健康安全的需求日益增強,關系到健康安全的EMC設計與認證顯得越來越重要, LED顯示屏的EMC設計與改進刻不容緩。


      眾所周知,發光二極管是一種低壓驅動的半導體光源,以往戶外顯示屏的交流-直流轉換與傳輸均在戶外完成,距離人群較遠。而當高密度LED顯示屏逐步進入戶內后,我們不得不考慮這一過程中電磁輻射在有限空間內的累積。


      為了深入研究LED顯示屏的EMC,選取某LED顯示屏制造廠商的P2.5顯示模組進行相關的測試,以驗證我們的分析,并找到針對LED顯示屏EMC最有效的設計與改進方法。




      遵照IEC和CISPR標準,樣品測試項分為EMI和EMS兩大類。測試結果如下: (1)測驗標準: EN55022:2010+AC:2011/CISPR22(2008-09)、 EN61000-6-3:2007/A1:2011/AC:2012,檢測結果:傳導干擾。 (2)測驗標準:EN55022:2010+AC:2011/CISPR22(2008-09)、EN61000-6-3:2007/A1:2011/AC:2012,檢測結果:發射干擾。 (3)測驗標準: EN61000-3-2:2006/A2:2009,檢測結果:諧波干擾。 (4)測驗標準: EN61000-3-3:2013,檢測結果:電壓變化波動、閃爍干擾。 (5)測驗標準: EN 61000-4-2:2009,檢測結果:靜電放電保護。(6)測驗標準: EN 61000-4-3:2006+A2:2010,檢測結果:射頻電磁場保護。 (7)測驗標準: EN 61000-4-4:2004+A1:2010,檢測結果:瞬變脈沖保護。 (8)測驗標準: EN 61000-4-5:2006,檢測結果:浪涌電壓保護。 (9)測驗標準: EN 61000-4-6:2009,檢測結果:傳導干擾保護。 (10)測驗標準: EN 61000-4-8:2010,檢測結果:工頻磁場保護。


      由于該LED顯示產品本身采用高端的開關電源、設有瞬態電壓抑制器、走線規范,從檢測結果可以得到除了發射以外,其他各項測試均順利通過,因此,發射成為了LED顯示產品通過EMC認證需要攻克的重點問題。根據以往的測量數據來看, LED顯示屏的開關電源、控制卡和內部信號傳輸都會產生不同程度的電磁輻射。另外, LED顯示屏的工作原理是通過調整發光管上電流脈沖的參數來實現高灰度、高刷新,因此,顯示屏的刷新率要求越高,系統卡上信號頻率也隨之提高,產生的輻射干擾就越強,這是顯示屏高品質應用的必然結果,也顯示屏最主要的電磁騷擾源之一。


      顯示屏內部各種信號電纜輸入輸出線、電源輸入輸出線密布,由開關電源和控制卡上的晶振產生的電磁輻射會在內部電纜間相互耦合,形成輻射通道,最終傳導出去形成傳導干擾,這一部分輻射最易被人們忽略,卻是輻射發射的重要組成部分,為此可以采取以下措施進行了實驗。


      1 屏蔽


      通過測試,發現模塊與系統轉接板之間的信號連接扁平電纜是重點整改對象。起初通過增加磁環,尖峰得到了一定的抑制(見圖1和圖2),但是效果不明顯。



      真正發現有明顯改善的是扁平電纜的長度,當使用系統轉接板帶載一塊模塊,模塊輸出級聯另一塊模塊,噪聲值僅增加0.5至1dB。而系統轉接板增加通道,即多帶載一塊模塊后,噪聲值增加6至8dB。增加通道時,扁平電纜的長度是級聯時長度的1.3倍,而噪聲值提高8倍以上。另外,通過數據對比發現,電源線處加磁環,噪聲抑制效果十分明顯(見圖1和圖3)。


      2 濾波


      現場測試時,在模塊電源VH2處增加一個3300uf的電解電容,發現對輻射的抑制作用明顯,特別是在30MHz至1000MHz區間對毛刺和能量頻譜的抑制作用明顯(見圖4和圖5)。電容值越大,對毛刺尖峰的抑制作用越明顯,濾波后的曲線越平滑。當然,電容值的選擇需要按照實際的設計要求來定。



      3 地層屏蔽


      當轉接板由原先的2層板改為4層板,也就是增加了頂層與底層的接地層,這樣做也可以對電路輻射進行防護。


      當LED面陣驅動板增加兩層接地,由原先的4層板變成6層板,能起到較好防止輻射的作用。當轉接板周邊附整邊銅箔,并與金屬箱體用螺釘緊固,形成外殼地,從而達到對信號起到屏蔽作用(圖6)。



      4 降低產品的供電電壓


      因為傳導、輻射的數值與dv/dt 或者 di/dt成正比,所以電壓越高,傳導、輻射的數值越大。樣品的供電電壓是4.6V,當電壓調整供為4.2V后,從實驗數據可以看出,發現尖峰毛刺也能得到一定改善(圖7、圖8)。



      5 優化產品結構


      考慮到輻射與最大孔徑尺寸有關,當圓孔間距遠大于圓孔直徑時,屏蔽效果也能得到了大大改善,因此,后蓋的散熱縫原先為長橢圓孔后更改為4mm直徑的圓孔。


      6 改進產品工藝


      原樣品后蓋為普通塑料件,改進為后蓋內加涂鍍層,同時采用塑膠銀銅導電漆,通過螺釘和整個箱體相連接,使得噴涂面對角線電阻測量不大于20歐姆,能過這樣的工藝改進,也能較好地對輻射起保護作用。


      7 倍頻


      由于LED顯示屏GCLCK信號影響顯示屏的刷新率等效果,所以通過改變GCLCK的數值大小,來達到減小的目的,但是從實際實驗中我們發現,倍頻數值影響不大。這個改進在現實中不可取。


      8 結論


      通過上述反反復復的測試、改進、再測試,樣品最終通過了輻射檢測,改進工作大獲成功,也為其他LED顯示屏的EMC 整改工作找到了可參考的方法。通過改善扁平電纜的長度、電源V處增加合適的大容量電解電容、降低產品的供電電壓、地層屏蔽、優化產品結構、改進產品工藝等手段,在LED顯示屏的設計之初,就可以規避很多存在的EMC問題,減少改進的工作量,提高產品的設計成功率


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