劉志剛 武 韓

(1.西南林業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，云南昆明 650224;2.武漢理工大學(xué)，湖北武漢 430070;3.國家電子計(jì)算機(jī)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心電磁兼容實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

1 引言

點(diǎn)陣發(fā)光二極管 (LED)顯示屏是礦用監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用最多的一種顯示屏。無論是在國家強(qiáng)制檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的抽檢或礦用監(jiān)控系統(tǒng)廠商的委托檢驗(yàn)中，作者發(fā)現(xiàn)因?yàn)長ED顯示屏干擾超標(biāo)，而導(dǎo)致產(chǎn)品上市周期延長或者被政府勒令收回已經(jīng)售出的產(chǎn)品，責(zé)成整改，給生產(chǎn)企業(yè)和礦用監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用客戶都帶來了諸多不便。為此，作者專門對(duì)礦用監(jiān)控系統(tǒng)LED顯示屏的電磁兼容性進(jìn)行了研究，取得的經(jīng)驗(yàn)曾幫助很多產(chǎn)品通過檢驗(yàn)，希望本文能對(duì)廠商后續(xù)的產(chǎn)品質(zhì)量控制有一定的作用。

2 礦用監(jiān)控系統(tǒng)LED顯示屏的組成和工作原理

礦用監(jiān)控系統(tǒng)LED顯示屏主要是由主控制器、掃描板、顯示控制單元、電源和LED顯示屏體幾部分組成。其基本工作原理如圖1所示。

圖1 礦用監(jiān)控系統(tǒng)LED顯示屏的結(jié)構(gòu)

主控制器從計(jì)算機(jī)的顯卡獲取一屏各象素的各色亮度數(shù)據(jù)，然后分配給若干掃描板，每塊掃描板負(fù)責(zé)控制LED顯示屏上的若干行 (列)，而每一行(列)上的LED顯示信號(hào)則用串行方式通過本行的各個(gè)顯示控制單元級(jí)聯(lián)傳輸，每個(gè)顯示控制單元直接面向LED顯示屏體。

掃描板起著承上啟下的作用，它一方面接收主板的控制信號(hào)，另一方面，它把屬于本級(jí)的數(shù)據(jù)傳輸給自己的各個(gè)顯示控制單元，同時(shí)還把不屬于本級(jí)的數(shù)據(jù)向下一個(gè)級(jí)聯(lián)的掃描板傳輸，如圖2所示。

圖2 掃描板工作原理圖

3 礦用監(jiān)控系統(tǒng)LED顯示屏的電磁干擾分析

礦用監(jiān)控系統(tǒng)LED顯示屏的電磁干擾主要由以下幾個(gè)因素造成:

(1)開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾。礦用監(jiān)控系統(tǒng)LED顯示屏絕大多數(shù)都用的是開關(guān)電源，然而在開關(guān)電源的開關(guān)管導(dǎo)通瞬間，變壓器初級(jí)線圈會(huì)產(chǎn)生很大的涌流，并在初級(jí)線圈兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓;在開關(guān)斷開瞬間，由于初級(jí)線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈，儲(chǔ)藏在漏感中的這部分能量將和開關(guān)本身的極間電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在開關(guān)管的關(guān)斷電壓上，形成關(guān)尖峰電壓。這個(gè)干擾信號(hào)會(huì)傳導(dǎo)到輸入輸出端，形成傳導(dǎo)干擾。其次，高頻變壓器初級(jí)線圈，開關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開關(guān)電流環(huán)路也可能產(chǎn)生較大的空間輻射，形成輻射干擾。關(guān)于此類干擾在本章第一節(jié)已經(jīng)詳細(xì)敘述，在此不再展開具體的論述。

(2)顯示屏本身的晶振造成的干擾。晶振主要是為顯示系統(tǒng)提供一個(gè)基準(zhǔn)頻率，它所產(chǎn)生的周期脈沖信號(hào)的高次諧波是一種干擾信號(hào)。這種干擾信號(hào)會(huì)通過各種方式耦合到屏內(nèi)的線纜上，進(jìn)而以差?；蚬材７绞叫纬奢椛浠蛘邆鲗?dǎo)干擾。隨著科技的發(fā)展，顯示屏的刷新速率會(huì)越來越高，晶振的基準(zhǔn)頻率也隨之變高，由晶振引起的高次諧波干擾就更強(qiáng)。

(3)由于顯示屏內(nèi)信號(hào)線和電源線排列較密，干擾信號(hào)也會(huì)在屏內(nèi)線纜之間相互耦合，最終輻射到空間或者通過電源線傳導(dǎo)出去，形成干擾。

4 礦用監(jiān)控系統(tǒng)LED顯示屏電磁干擾的整改措施

4.1 傳導(dǎo)干擾分析及抑制措施

礦用監(jiān)控系統(tǒng)LED顯示屏的電源對(duì)此項(xiàng)測試影響較大，電源本身性能的好壞直接關(guān)系到本指標(biāo)是否合格。有時(shí)也存在電源單獨(dú)做電磁兼容試驗(yàn)是合格的，一旦裝到整機(jī)時(shí)，由于整機(jī)中其他部件在某個(gè)頻點(diǎn)具有較強(qiáng)的干擾信號(hào)，電源的濾波單元無法完全濾除該干擾信號(hào)，從而導(dǎo)致傳導(dǎo)測試結(jié)果的超標(biāo)。對(duì)于電源端子騷擾電壓的超標(biāo)，主要應(yīng)從以下幾種途徑解決。

首先，排除電源因素的干擾，在條件允許的情況下可將電源單獨(dú)取出，連接額定純阻性負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)。如果發(fā)現(xiàn)原超標(biāo)頻點(diǎn)沒有了，說明該頻率點(diǎn)的騷擾來源于主控板。此時(shí)，應(yīng)把重點(diǎn)放在主控板的濾波上，主控板中主要的干擾源是晶振，應(yīng)該對(duì)晶振進(jìn)行良好的濾波和接地;其次，晶振也是輻射發(fā)射測試項(xiàng)目超標(biāo)的一個(gè)主要因素。檢查主控板中晶振和信號(hào)線接地、電源接地是否良好，在保證這幾點(diǎn)都完好的情況下，如果傳導(dǎo)測試仍不合格，說明干擾信號(hào)的確很強(qiáng)，此時(shí)可在電源的輸入端加整件濾波器或X、Y電容，加強(qiáng)電源的濾波作用。值得注意的是，濾波器選擇時(shí)，應(yīng)關(guān)注濾波器不同頻率的插入損耗情況，還要根據(jù)源阻抗和負(fù)載阻抗的高低，選擇合適的濾波電路，其對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 濾波器結(jié)構(gòu)與源阻抗和負(fù)載阻抗對(duì)應(yīng)關(guān)系

濾波器安裝時(shí)，要確保濾波器接地良好，這樣才能保證濾波器對(duì)差模和共模干擾信號(hào)應(yīng)有的抑制作用不被減小。若需要安裝X、Y電容，應(yīng)注意，X、Y電容引線應(yīng)盡可能短，以防止由于引線電感和電容過大而削弱X、Y電容的濾波作用。X、Y電容的容值也要結(jié)合不合格的頻點(diǎn)選擇合適的值。一般情況下，電容值越大，其截止頻率會(huì)越低?？傊?，無論采取什么樣的措施，都必須要和所測產(chǎn)品的不合格頻率點(diǎn)結(jié)合起來，才能有效的消除干擾。

4.2 輻射發(fā)射的抑制措施

首先采取的措施是濾波。此類產(chǎn)品由于數(shù)字脈沖信號(hào)的存在，以致輻射發(fā)射一般都比較強(qiáng)，可在晶振旁邊接旁路濾波電容，且保證晶振接地良好、接地電阻盡可能小。如果條件允許，也可以使用經(jīng)過擴(kuò)頻的晶振，在保證不影響時(shí)鐘電路的條件下，使晶振在一個(gè)較小的頻率范圍里發(fā)生頻偏，單頻點(diǎn)的能量被分散，這樣整體的輻射就會(huì)減小。這種擴(kuò)頻技術(shù)實(shí)際上就是頻率抖動(dòng)技術(shù)，是該技術(shù)在礦用監(jiān)控系統(tǒng)不同元器件上的應(yīng)用。由于共模電流的存在是導(dǎo)致輻射發(fā)射過大的主要因素，因此，還可以在顯示屏的電源線和內(nèi)部各個(gè)顯示單元之間的信號(hào)線上使用鐵氧體磁環(huán)對(duì)高頻共模干擾電流進(jìn)行濾波處理。當(dāng)然鐵氧體磁環(huán)的選擇要結(jié)合其插入損耗隨頻率變化的曲線選擇合適的規(guī)格，效果才會(huì)好。

其次采取的措施是屏蔽。對(duì)于已經(jīng)成型的顯示屏來說，屏蔽是抑制輻射發(fā)射的一項(xiàng)重要措施，一般礦用監(jiān)控系統(tǒng)顯示器的前面板是由LED燈組成的顯示陣列，因此，對(duì)前面板的屏蔽是整機(jī)屏蔽效果好壞的關(guān)鍵。建議整個(gè)箱體使用金屬板材制成，用金屬網(wǎng)格屏蔽前面板，即在LED燈的行與行之間，列與列之間使用導(dǎo)電性能較好的金屬網(wǎng)格，這樣會(huì)對(duì)整體的輻射發(fā)射能量有一定的衰減作用。也可以在箱體的前面板和控制板之間加一個(gè)金屬屏蔽網(wǎng)格，效果會(huì)更好些。箱體里面的各個(gè)掃描板之間的信號(hào)線盡量使用屏蔽線，且保證其金屬屏蔽層能和箱體等電位。

最后采取的措施是接地。要想使箱體具有較好的屏蔽功能，務(wù)必確保整個(gè)箱體屏蔽外殼和大地等電位。箱體的金屬接縫處應(yīng)盡量保證搭接良好，使搭接電阻盡可能小。特別是箱體的后蓋與箱體要盡可能連接緊密，防止由孔縫所引起的二次發(fā)射。其次，主控板中晶振的地線也要盡可能獨(dú)立，避免因共地引起的干擾。主控板和掃描板的地線應(yīng)盡量寬，最好將地線布成網(wǎng)格狀，這樣能減小信號(hào)的回流面積，有效抑制輻射發(fā)射。

5 整改實(shí)例

案例1:圖3是某礦用監(jiān)控系統(tǒng)LED顯示屏在傳導(dǎo)測試中N線不合格的頻譜圖。

圖3 傳導(dǎo)N線不合格頻譜圖

該產(chǎn)品在16.25MHz和21.25MHz處，平均值超過限值，干擾信號(hào)呈梳狀分布，這是數(shù)字脈沖信號(hào)的高次諧波干擾的典型癥狀。查看屏內(nèi)電路結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)主控板中的晶振與信號(hào)線共地，且沒有對(duì)晶振進(jìn)行濾波處理，從而導(dǎo)致了傳導(dǎo)超標(biāo)。換了一塊不同廠家的主控板測試結(jié)果合格，如圖4所示。

圖4 傳導(dǎo)N線合格頻譜圖

案例2:某礦用監(jiān)控系統(tǒng)LED顯示屏在輻射測試時(shí)，在天線垂直極化方向超標(biāo)，如圖5所示。整改措施是，在主控板和掃描板之間的信號(hào)線和各掃描板之間的信號(hào)線上加合適的鐵氧體磁環(huán)進(jìn)行濾波，并在顯示屏的前面板和主控板之間加金屬網(wǎng)格加強(qiáng)屏蔽。整改后，測試結(jié)果合格，如圖6所示。

圖5 輻射不合格頻譜圖 (天線垂直極化方向)

圖6 輻射合格頻譜圖 (天線垂直極化方向)

案例3:某礦用監(jiān)控系統(tǒng)LED顯示屏在輻射測試時(shí)，在天線垂直極化方向超標(biāo)，如圖7所示。

圖7 輻射不合格頻譜圖 (天線垂直極化方向)

該產(chǎn)品在150～170MHz頻段超過限值，明顯看出曲線在100～200MHz之間背景較高，輕微晃動(dòng)電源線，干擾信號(hào)變化比較明顯，因此推斷干擾信號(hào)是從電源線上輻射出去的。整改措施是，把顯示屏的電源線換成帶電磁環(huán)的電源線。整改后，測試結(jié)果合格，如圖8所示。

圖8 輻射合格頻譜圖 (天線垂直極化方向)

以上作者所遇到LED電磁兼容超標(biāo)故障中最頻繁的三種情況，還有一種故障是在對(duì)LED顯示屏做靜電抗擾度測試中的空氣放電測試時(shí)，LED出現(xiàn)亂碼或不顯示?？諝夥烹姕y試是通過靜電槍擊打礦用監(jiān)控系統(tǒng)外殼的空隙或縫隙，目的是測試靜電通過空氣媒介對(duì)礦用監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部電路的影響。礦用監(jiān)控系統(tǒng)的空隙一般在LED的安裝殼上，鍵盤、機(jī)器外殼的上下殼連接處。

空氣放電測試所遇到的一個(gè)問題一般和線纜的設(shè)計(jì)有關(guān)。由于LED在上殼體中和下殼中的電路板一般是通過線纜來連接，空氣放電測試時(shí)出現(xiàn)以上的現(xiàn)象主要是靜電電荷通過線纜串?dāng)_到LED中，可通過連接線纜的設(shè)計(jì)來避免。在各個(gè)信號(hào)之間加上GND或電源線能有效解決此類問題，而且對(duì)降低輻射指標(biāo)也很有效果。理論上最好是能做到每根信號(hào)線之間能有一根地線，實(shí)在不行，也要做到每兩根信號(hào)線之間有一根地線，實(shí)際處理方法如圖9。

圖9 LED連接排線實(shí)際穿插地線

6 結(jié)論

本文介紹礦用監(jiān)控系統(tǒng)LED顯示屏的組成和工作原理，是為了分析可能收到電磁騷擾的部位。開關(guān)電源的開斷產(chǎn)生的脈沖、晶體振蕩器產(chǎn)生的諧波、信號(hào)線的排列不符合規(guī)則都會(huì)對(duì)礦用監(jiān)控系統(tǒng)LED顯示屏的所受的電磁干擾。測試案例，分別具體的利用了接地、濾波、屏蔽和改變信號(hào)線、電源線與地線的布局來抑制輻射騷擾和傳到騷擾。

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