礦用監(jiān)控系統(tǒng)LED顯示屏的電磁兼容性研究

劉志剛 武 韓

(1.西南林業(yè)大學(xué)計算機(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.國家電子計算機(jī)質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心電磁兼容實驗室，北京 100083)

1 引言

點陣發(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)制檢驗機(jī)構(gòu)的抽檢或礦用監(jiān)控系統(tǒng)廠商的委托檢驗中，作者發(fā)現(xiàn)因為LED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)驗曾幫助很多產(chǎn)品通過檢驗，希望本文能對廠商后續(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顯示信號則用串行方式通過本行的各個顯示控制單元級聯(lián)傳輸，每個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，另一方面，它把屬于本級的數(shù)據(jù)傳輸給自己的各個顯示控制單元，同時還把不屬于本級的數(shù)據(jù)向下一個級聯(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，變壓器初級線圈會產(chǎn)生很大的涌流，并在初級線圈兩端出現(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。這個干擾信號會傳導(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)提供一個基準(zhǔn)頻率，它所產(chǎn)生的周期脈沖信號的高次諧波是一種干擾信號。這種干擾信號會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)信號線和電源線排列較密，干擾信號也會在屏內(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顯示屏的電源對此項測試影響較大，電源本身性能的好壞直接關(guān)系到本指標(biāo)是否合格。有時也存在電源單獨做電磁兼容試驗是合格的，一旦裝到整機(jī)時，由于整機(jī)中其他部件在某個頻點具有較強(qiáng)的干擾信號，電源的濾波單元無法完全濾除該干擾信號，從而導(dǎo)致傳導(dǎo)測試結(jié)果的超標(biāo)。對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取出，連接額定純阻性負(fù)載進(jìn)行試驗。如果發(fā)現(xiàn)原超標(biāo)頻點沒有了，說明該頻率點的騷擾來源于主控板。此時，應(yīng)把重點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)射測試項目超標(biāo)的一個主要因素。檢查主控板中晶振和信號線接地、電源接地是否良好，在保證這幾點都完好的情況下，如果傳導(dǎo)測試仍不合格，說明干擾信號的確很強(qiáng)，此時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，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)載阻抗對應(yīng)關(guān)系

濾波器安裝時，要確保濾波器接地良好，這樣才能保證濾波器對差模和共模干擾信號應(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)合不合格的頻點選擇合適的值。一般情況下，電容值越大，其截止頻率會越低?？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，在保證不影響時鐘電路的條件下，使晶振在一個較小的頻率范圍里發(fā)生頻偏，單頻點的能量被分散，這樣整體的輻射就會減小。這種擴(kuò)頻技術(shù)實際上就是頻率抖動技術(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)部各個顯示單元之間的信號線上使用鐵氧體磁環(huán)對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，效果才會好。

其次采取的措施是屏蔽。對于已經(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，對前面板的屏蔽是整機(jī)屏蔽效果好壞的關(guān)鍵。建議整個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，這樣會對整體的輻射發(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金屬屏蔽網(wǎng)格，效果會更好些。箱體里面的各個掃描板之間的信號線盡量使用屏蔽線，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，這樣能減小信號的回流面積，有效抑制輻射發(fā)射。

5 整改實例

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，干擾信號呈梳狀分布，這是數(shù)字脈沖信號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線共地，且沒有對晶振進(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，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線和各掃描板之間的信號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，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，輕微晃動電源線，干擾信號變化比較明顯，因此推斷干擾信號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LED顯示屏做靜電抗擾度測試中的空氣放電測試時，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問題一般和線纜的設(shè)計有關(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)計來避免。在各個信號之間加上GND或電源線能有效解決此類問題，而且對降低輻射指標(biāo)也很有效果。理論上最好是能做到每根信號線之間能有一根地線，實在不行，也要做到每兩根信號線之間有一根地線，實際處理方法如圖9。

圖9 LED連接排線實際穿插地線

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、信號線的排列不符合規(guī)則都會對礦用監(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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