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如何改进小间距LED显示屏的电磁兼容性(EMC)


小间距LED显示屏正逐步进入新的室内应用领域,如监控中心、会议室、小型展厅、办公室等,因此,安全和干扰的问题不容忽视。本文以一个没有针对EMC设计的产品为实例,对其进行相关的电磁兼容性(EMC)进行测试、分析并进行优化设计,最后总结了针对LED显示屏EMC改进的几种方法。

【关键词】 EMC;小间距;LED显示屏


2012-2015年是高密度LED显示屏迅猛发展的三年,预测高密度LED产品的发展将经历三个阶段。第一阶段,进入专业室内大屏幕显示市场。第二阶段,进入商务会议与教育领域,逐步替代投影仪。第三阶段,进入高端家用电视市场。受限于液晶电视的技术,目前110寸以上的大屏幕高端家用电视领域技术缺位,投影技术又难以满足高端用户对观看效果的要求,因此未来小间距LED显示技术有望在该领域取得辉煌战果。




考虑到高密度LED显示屏将会逐步从专业室内领域过渡进入大众室内,加之人们对自身健康安全的需求日益增强,关系到健康安全的EMC设计与认证显得越来越重要, LED显示屏的EMC设计与改进刻不容缓。


众所周知,发光二极管是一种低压驱动的半导体光源,以往户外显示屏的交流-直流转换与传输均在户外完成,距离人群较远。而当高密度LED显示屏逐步进入户内后,我们不得不考虑这一过程中电磁辐射在有限空间内的累积。


为了深入研究LED显示屏的EMC,选取某LED显示屏制造厂商的P2.5显示模组进行相关的测试,以验证我们的分析,并找到针对LED显示屏EMC最有效的设计与改进方法。




遵照IEC和CISPR标准,样品测试项分为EMI和EMS两大类。测试结果如下: (1)测验标准: EN55022:2010+AC:2011/CISPR22(2008-09)、 EN61000-6-3:2007/A1:2011/AC:2012,检测结果:传导干扰。 (2)测验标准:EN55022:2010+AC:2011/CISPR22(2008-09)、EN61000-6-3:2007/A1:2011/AC:2012,检测结果:发射干扰。 (3)测验标准: EN61000-3-2:2006/A2:2009,检测结果:谐波干扰。 (4)测验标准: EN61000-3-3:2013,检测结果:电压变化波动、闪烁干扰。 (5)测验标准: EN 61000-4-2:2009,检测结果:静电放电保护。(6)测验标准: EN 61000-4-3:2006+A2:2010,检测结果:射频电磁场保护。 (7)测验标准: EN 61000-4-4:2004+A1:2010,检测结果:瞬变脉冲保护。 (8)测验标准: EN 61000-4-5:2006,检测结果:浪涌电压保护。 (9)测验标准: EN 61000-4-6:2009,检测结果:传导干扰保护。 (10)测验标准: EN 61000-4-8:2010,检测结果:工频磁场保护。


由于该LED显示产品本身采用高端的开关电源、设有瞬态电压抑制器、走线规范,从检测结果可以得到除了发射以外,其他各项测试均顺利通过,因此,发射成为了LED显示产品通过EMC认证需要攻克的重点问题。根据以往的测量数据来看, LED显示屏的开关电源、控制卡和内部信号传输都会产生不同程度的电磁辐射。另外, LED显示屏的工作原理是通过调整发光管上电流脉冲的参数来实现高灰度、高刷新,因此,显示屏的刷新率要求越高,系统卡上信号频率也随之提高,产生的辐射干扰就越强,这是显示屏高品质应用的必然结果,也显示屏最主要的电磁骚扰源之一。


显示屏内部各种信号电缆输入输出线、电源输入输出线密布,由开关电源和控制卡上的晶振产生的电磁辐射会在内部电缆间相互耦合,形成辐射通道,最终传导出去形成传导干扰,这一部分辐射最易被人们忽略,却是辐射发射的重要组成部分,为此可以采取以下措施进行了实验。


1 屏蔽


通过测试,发现模块与系统转接板之间的信号连接扁平电缆是重点整改对象。起初通过增加磁环,尖峰得到了一定的抑制(见图1和图2),但是效果不明显。



真正发现有明显改善的是扁平电缆的长度,当使用系统转接板带载一块模块,模块输出级联另一块模块,噪声值仅增加0.5至1dB。而系统转接板增加通道,即多带载一块模块后,噪声值增加6至8dB。增加通道时,扁平电缆的长度是级联时长度的1.3倍,而噪声值提高8倍以上。另外,通过数据对比发现,电源线处加磁环,噪声抑制效果十分明显(见图1和图3)。


2 滤波


现场测试时,在模块电源VH2处增加一个3300uf的电解电容,发现对辐射的抑制作用明显,特别是在30MHz至1000MHz区间对毛刺和能量频谱的抑制作用明显(见图4和图5)。电容值越大,对毛刺尖峰的抑制作用越明显,滤波后的曲线越平滑。当然,电容值的选择需要按照实际的设计要求来定。



3 地层屏蔽


当转接板由原先的2层板改为4层板,也就是增加了顶层与底层的接地层,这样做也可以对电路辐射进行防护。


当LED面阵驱动板增加两层接地,由原先的4层板变成6层板,能起到较好防止辐射的作用。当转接板周边附整边铜箔,并与金属箱体用螺钉紧固,形成外壳地,从而达到对信号起到屏蔽作用(图6)。



4 降低产品的供电电压


因为传导、辐射的数值与dv/dt 或者 di/dt成正比,所以电压越高,传导、辐射的数值越大。样品的供电电压是4.6V,当电压调整供为4.2V后,从实验数据可以看出,发现尖峰毛刺也能得到一定改善(图7、图8)。



5 优化产品结构


考虑到辐射与最大孔径尺寸有关,当圆孔间距远大于圆孔直径时,屏蔽效果也能得到了大大改善,因此,后盖的散热缝原先为长椭圆孔后更改为4mm直径的圆孔。


6 改进产品工艺


原样品后盖为普通塑料件,改进为后盖内加涂镀层,同时采用塑胶银铜导电漆,通过螺钉和整个箱体相连接,使得喷涂面对角线电阻测量不大于20欧姆,能过这样的工艺改进,也能较好地对辐射起保护作用。


7 倍频


由于LED显示屏GCLCK信号影响显示屏的刷新率等效果,所以通过改变GCLCK的数值大小,来达到减小的目的,但是从实际实验中我们发现,倍频数值影响不大。这个改进在现实中不可取。


8 结论


通过上述反反复复的测试、改进、再测试,样品最终通过了辐射检测,改进工作大获成功,也为其他LED显示屏的EMC 整改工作找到了可参考的方法。通过改善扁平电缆的长度、电源V处增加合适的大容量电解电容、降低产品的供电电压、地层屏蔽、优化产品结构、改进产品工艺等手段,在LED显示屏的设计之初,就可以规避很多存在的EMC问题,减少改进的工作量,提高产品的设计成功率


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