基于信號完整性的LCDs抗電磁干擾性能提升

孫艷生， 雷嗣軍， 高 亮， 高賢永， 張 智, 陸 旭，侯 帥，馬 韜， 余 強(qiáng)， 耿玉旭， 張 英

(重慶京東方光電科技有限公司，重慶 400714)

1 引 言

在信息時(shí)代，電子設(shè)備迅猛發(fā)展給人們帶來巨大方便，但同時(shí)導(dǎo)致諸多負(fù)面效應(yīng)，如電磁環(huán)境污染和電磁干擾等。液晶顯示面板(LCDs)作為主流顯示器件，廣泛應(yīng)用于各種顯示設(shè)備，如電視、筆記本及手機(jī)等。隨著用戶對顯示質(zhì)量的要求(分辨率和畫面質(zhì)量)日益提高，導(dǎo)致液晶面板所需信號傳輸數(shù)量和速率成倍增加，對信號傳輸質(zhì)量提出更為嚴(yán)苛的要求[1]。另外，隨著信息技術(shù)快速發(fā)展及各種電子設(shè)備廣泛應(yīng)用，且現(xiàn)有電子設(shè)備工作頻率越來越高，頻帶越來越寬，功率日漸增大，顯示設(shè)備所處的電磁環(huán)境日益復(fù)雜。 因此，關(guān)于顯示系統(tǒng)的電磁兼容與防護(hù)已成為保障其在復(fù)雜電磁環(huán)境下發(fā)揮正常性能的關(guān)鍵因素，如何提高液晶顯示設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的抗干擾能力已引起廣泛關(guān)注[2]。

目前廣泛應(yīng)用的液晶面板，其源極驅(qū)動器一般采用芯片綁定玻璃封裝(Chip on Glass，COG)、高速信號經(jīng)印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)及柔性印刷傳輸電路(Flexible Printed Circuit，F(xiàn)PC)等不同介質(zhì)，最終傳輸?shù)揭壕＝M進(jìn)行顯示。由于高速信號傳輸通過不同傳輸介質(zhì)時(shí)，信號抗干擾能力會減弱，當(dāng)受到電磁干擾時(shí)，導(dǎo)致信號傳輸被干擾出現(xiàn)畫面異常[3]。例如，當(dāng)將處于通話狀態(tài)的手機(jī)天線端緊靠顯示屏上，則顯示畫面出現(xiàn)異常。本文針對現(xiàn)有LCDs抗電磁干擾能力較差的現(xiàn)狀，分別從信號傳輸品質(zhì)增強(qiáng)和電磁屏蔽材料開發(fā)兩方面進(jìn)行研究，為提高LCDs抗電磁干擾和電磁兼容能力等提供有效參考。

2 LCDs電磁干擾顯示不良及機(jī)理分析

2.1 LCDs電磁干擾顯示異常

高速信號傳輸中，信號以電磁波形式進(jìn)行傳導(dǎo)。當(dāng)兩高速信號在很小物理空間內(nèi)同時(shí)傳播時(shí)，信號通過電磁場發(fā)生串?dāng)_[4]。實(shí)際應(yīng)用中，通話狀態(tài)下的手機(jī)靠近顯示面板時(shí)，由于手機(jī)信號發(fā)射功率較大，手機(jī)信號會對液晶面板信號傳輸產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致畫面異常。

為提高顯示設(shè)備在復(fù)雜電磁干擾下的抗干擾能力，在整機(jī)測試規(guī)范中，采用發(fā)出不同頻段(覆蓋2 G～4 G頻段)和功率(30～33 dBm)信號的手機(jī)緊靠液晶面板進(jìn)行測試，測量設(shè)備使用通用無線通信測試儀(CMW 500)，使用通信設(shè)備與手機(jī)通信。測試方法為：將處于通話狀態(tài)下的手機(jī)，對整機(jī)屏幕正面、背面、系統(tǒng)邊框及鍵盤進(jìn)行全方位掃描測試，具體測試頻段及功率見表1。

表1 2G/4G手機(jī)信號主要頻段Tab.1 2G/4G mobile phone main band

2.2 機(jī)理分析

液晶顯示模組驅(qū)動電路信號傳輸中，時(shí)序控制器(T-CON)與源極驅(qū)動器(Source Driver)間有多種信號接口協(xié)議，如簡化低壓差分信號傳輸(Mini-LVDS)和點(diǎn)對點(diǎn)信號傳輸(Point to Point)等，其傳輸速率及適用產(chǎn)品對比見表2。 產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，通常會綜合考慮不同產(chǎn)品需求，選擇對應(yīng)傳輸接口協(xié)議及傳輸速度。 簡化低壓差分信號傳輸特點(diǎn)在于其時(shí)鐘外置，傳輸速率低，具有較高抗干擾能力。而點(diǎn)對點(diǎn)信號傳輸特點(diǎn)為時(shí)鐘內(nèi)置且傳輸速率與全球移動通信系統(tǒng)(GSM)網(wǎng)絡(luò)頻率相近，易與手機(jī)信號發(fā)生信號串?dāng)_，導(dǎo)致出現(xiàn)顯示異常。

表2 簡化低壓信號傳輸及點(diǎn)對點(diǎn)信號傳輸對比Tab.2 Comparison of mini-LVDS and point to point

說明：傳輸接口選擇需兼容客戶需求

隨著手機(jī)廣泛應(yīng)用(手機(jī)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下為4 G信號，通話狀態(tài)為2 G信號)，當(dāng)手機(jī)與點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議顯示設(shè)備在較小空間內(nèi)同時(shí)使用，則會發(fā)生信號串?dāng)_，影響液晶面板內(nèi)顯示數(shù)據(jù)傳輸，導(dǎo)致顯示異常。關(guān)于信號傳輸質(zhì)量，可通過測量信號眼圖進(jìn)行比較。由圖1可知，在電磁干擾下，眼圖已完全閉合，數(shù)據(jù)信號無法正常傳輸接收，對應(yīng)畫面出現(xiàn)顯示異常。

圖1 正常(a)、異常(b)顯示下眼圖示意圖。Fig.1 Eye pattern under different electromagnetic interference. (a)Normal;(b)Abnormal.

3 LCDs 抗干擾能力提升改善

圖2 信號傳輸原理圖Fig.2 Schematic diagram of signal transmission

本文分別從發(fā)射端、接收端和信號傳輸3方面提升LCDs抗電磁干擾能力。圖2為信號發(fā)射端和接收端基本原理圖。基于信號傳輸理論，對于發(fā)射端：開關(guān)1 (SW1)、開關(guān)2 (SW2)、開關(guān)3(SW3)、及開關(guān)4 (SW4)的開和關(guān)，控制發(fā)射端電流(ITX)流動方向，且其開關(guān)速率影響發(fā)射端電壓壓擺率(Slew Rate)。實(shí)際應(yīng)用中，可分別調(diào)整電流大小和開關(guān)速率調(diào)節(jié)發(fā)射端擺動電平(Swing Level)和壓擺率。對于接收端(RX)，通過調(diào)節(jié)接收端偏置電阻進(jìn)而調(diào)整偏置電流(IRX)，調(diào)節(jié)電容(C1)及電阻(R1)調(diào)整均衡器性能(Equalizer)，調(diào)節(jié)電阻實(shí)現(xiàn)終端電阻匹配。

3.1 自適應(yīng)信號品質(zhì)增強(qiáng)模型

原設(shè)計(jì)方案，發(fā)射端和接收端數(shù)據(jù)傳輸參數(shù)(如擺動電平, 壓擺率, 傳輸特性阻抗，均衡器等)均為固定值，導(dǎo)致其外圍信號受干擾時(shí)不能動態(tài)響應(yīng)增強(qiáng)抗干擾能力[5]。本文基于發(fā)射端和接收端信號品質(zhì)增強(qiáng)方法，提出自適應(yīng)信號品質(zhì)增強(qiáng)模型(圖3)。該模型原理為：當(dāng)傳輸信號受到外界干擾時(shí)，接收端(Driver IC)無法鎖定傳輸信號時(shí)，傳輸信號無法正常識別讀取，出現(xiàn)信號失鎖。此時(shí)，接收端(Driver IC)會與時(shí)序控制器 (T-CON) 通訊，激發(fā)時(shí)序控制器(T-CON)增加發(fā)射端傳輸信號的擺動電平和壓擺率等參數(shù)，使傳輸信號抗干擾能力增加。同時(shí)，接收端會微調(diào)自身匹配電阻和均衡器, 提高接收端對信號識別能力。通過上述方法，最終使接收端可在電磁干擾下正常識別信號，達(dá)到最終正常顯示的目的[6]。

圖3 自適應(yīng)信號品質(zhì)增強(qiáng)模型原理圖Fig.3 Flowchart of adaptive signal quality enhancement model

在該響應(yīng)機(jī)制中，固定時(shí)間后，空白區(qū)間內(nèi)(該區(qū)間信號錯(cuò)誤不會影響顯示)，發(fā)射端和接收端均恢復(fù)干擾前原始參數(shù)設(shè)定，通過確認(rèn)接收端信號是否失鎖確認(rèn)干擾是否消失。若信號可正常鎖定，則干擾消除，發(fā)射端和接收端均保持未受干擾時(shí)的參數(shù)設(shè)定；若信號依然失鎖，則判定干擾仍存在，則恢復(fù)干擾時(shí)最佳設(shè)定。重復(fù)上述操作，直到干擾消失。

經(jīng)多款產(chǎn)品實(shí)測確認(rèn)，采用自適應(yīng)信號品質(zhì)增強(qiáng)對策，可有效提高LCDs抗電磁干擾和電磁兼容能力，其抗干擾能力提升約6～8 dB。以14.0產(chǎn)品為例，其受干擾前后及自適應(yīng)信號品質(zhì)增強(qiáng)后，其眼圖高度變化如圖4所示，眼圖中間藍(lán)色區(qū)域不被干擾情況下，即可被后端準(zhǔn)確識別。由圖4可知，其在未受電磁干擾正常工作狀態(tài)下眼圖高度為315.8 mV；當(dāng)受到電磁干擾后(寫出電磁干擾的頻率和強(qiáng)度)，由于數(shù)據(jù)信號波動劇烈，導(dǎo)致眼圖高度迅速衰減為47.62 mV。若未采用自適應(yīng)信號品質(zhì)增強(qiáng)方法，則畫面顯示出現(xiàn)圖1中嚴(yán)重花屏，顯示異常，無法正常適用；若已采用自適應(yīng)信號品質(zhì)增強(qiáng)方法，則發(fā)射端和接收端會先后動態(tài)響應(yīng)，發(fā)射端調(diào)整擺動電平和壓擺率，待參數(shù)確定后，接收端確定最優(yōu)的匹配電阻及均衡器參數(shù)，使其在電子干擾下可顯示正常。由眼圖測試結(jié)果可知，當(dāng)發(fā)射端和接收端最終優(yōu)化參數(shù)后，在電子干擾情況下，盡管數(shù)據(jù)信號波動仍存在，但有效眼圖高度為387.4 mV，可保證顯示正常。

圖4 14.0產(chǎn)品眼高變化Fig.4 Eye pattern optimization of 14.0 product

3.2 抗干擾能力提升

3.2.1 信號傳輸路徑優(yōu)化

LCDs數(shù)據(jù)信號傳輸路徑為：印刷電路板(PCB)-柔性印刷傳輸電路(FPC)-顯示面板?；谛盘杺鬏斃碚?，信號在不連續(xù)位置如不同介質(zhì)連接處，會發(fā)生反射形成駐波，導(dǎo)致信號品質(zhì)降低，增加識別失鎖風(fēng)險(xiǎn)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，需針對PCB和 FPC優(yōu)化走線，以保證走線連續(xù)不突變[7]。具體方法：調(diào)整差分線線寬、線距和銅箔厚度，針對參考地間的介質(zhì)材料及厚度設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合考量，減小差分線阻抗突變，盡可能保證阻抗匹配，減少信號在傳輸線上的衰減。另外，差分線接入端時(shí)需進(jìn)行“八字型走線”，走線改變方向時(shí)，應(yīng)保證135°轉(zhuǎn)角。

圖5 14.0 PCB走線優(yōu)化仿真對比。(a) 優(yōu)化前；(b) 優(yōu)化后。Fig.5 Electromagnetic simulation comparison before(a) and after(b) PCB layout optimization

另外，由于LCDs中數(shù)字信號為差分線傳輸，若兩層對傳輸線非對稱等阻抗受到干擾時(shí)，干擾波動不一致，增加信號識別難度。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，需遵循對稱阻抗設(shè)計(jì)規(guī)則，使差分線傳輸信號受到干擾時(shí)可相互抵消，保證接收端可正常接收數(shù)據(jù)。同時(shí)，由于接孔處較難進(jìn)行阻抗匹配，且此處阻抗偏低，因此，差分線應(yīng)盡量少穿層且孔應(yīng)盡量小[8]。

同時(shí)，為增加本身屏蔽性能，走線設(shè)計(jì)時(shí)，通過在差分線同層兩側(cè)增加地孔，且在需要穿層的過孔兩層處增加地孔，可將干擾電磁波耦合接地，增強(qiáng)屏蔽性能和抗干擾能力[9]。當(dāng)信號通過過孔時(shí)，由于阻抗不連續(xù)，發(fā)生反射，造成電磁干擾。當(dāng)有接地過孔做參考時(shí)，可增強(qiáng)此處信號完整性。以14.0產(chǎn)品為研究對象，基于有限元仿真建模，參考其PCB和FPC走線，研究地孔優(yōu)化對抗干擾能力影響，對比結(jié)果見圖5。該產(chǎn)品電路設(shè)計(jì)已采用業(yè)界走線連續(xù)不突變和對稱阻抗設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)走線設(shè)計(jì)，但電磁兼容測試畫面仍顯示異常?；诜抡娼Y(jié)果可知：如圖5(a)所示，可知系統(tǒng)中抗干擾能力最弱位置為FPC和PCB連接位置，其主要原因?yàn)樵撎幾杩共黄ヅ洹檫M(jìn)一步增強(qiáng)產(chǎn)品本身抗干擾能力，在走線時(shí)增加地孔，經(jīng)仿真對比，其最熱點(diǎn)磁場強(qiáng)度由40 V/m減小至36.52 V/m?；?4.0產(chǎn)品實(shí)測驗(yàn)證：PCB按照上述對策走線優(yōu)化后抗干擾能力提升2 dB。

3.2.2 復(fù)合結(jié)構(gòu)型電磁屏蔽材料(導(dǎo)電布&吸波材料)

除優(yōu)化電路選型和電子元件布局提高抗電磁干擾能力外，采用電磁屏蔽材料提高系統(tǒng)抗干擾能力為業(yè)界較為常用的方法，電磁屏蔽材料優(yōu)點(diǎn)在于不僅防止外界電磁場干擾，且不影響其他設(shè)備工作[10]，金屬材料如鋁箔膠帶(高電導(dǎo)率&塑性變形好), 廣泛應(yīng)用于LCDs產(chǎn)品電磁屏蔽。隨著LCDs產(chǎn)品向超薄超窄邊框發(fā)展且無線電子設(shè)備廣泛應(yīng)用所帶來的電磁干擾，對電磁屏蔽材料提出更高需求，如薄型化(0.03～0.05 mm)、柔性化(可彎折適應(yīng)產(chǎn)品形態(tài))、寬頻段(2 G～4 G)及強(qiáng)吸收，因此開發(fā)專門適用于LCDs產(chǎn)品的高性能復(fù)合結(jié)構(gòu)型電磁屏蔽材料已成為解決電磁波污染的發(fā)展方向[11-12]。

屏蔽材料作用主要屏蔽外部信號對顯示信號傳輸?shù)母蓴_，基于結(jié)構(gòu)型吸波材料研究進(jìn)展，確定該新型材料結(jié)構(gòu)組成為：外側(cè)為透波層，主要由導(dǎo)電纖維組成；內(nèi)側(cè)為吸波層，主要由吸波材料組成。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要原理如下：(1) 基于電磁屏蔽理論，透波層首先讓電磁波最大限度地進(jìn)入屏蔽材料內(nèi)部，主要通過多種纖維在多個(gè)方向的混雜排布，使材料表面輸入波阻抗和自由空間波阻抗匹配，盡量減少入射波的反射。吸波層，主要利用吸波材料形成微波暗室，把進(jìn)入內(nèi)部的電磁波轉(zhuǎn)化為熱能或其他形式能量進(jìn)行消耗，使微波阻抗從空氣到吸波材料底端逐漸衰減，達(dá)到良好的吸波性能[13]；(2) 基于產(chǎn)品信賴性和可靠性考慮，吸波層主要由磁粉和聚合物混合壓合而成，材料特性偏脆性，彎折后易形成裂紋。另外，在高溫高濕嚴(yán)苛環(huán)境下，吸波粒子聚合物易發(fā)生脫落，影響產(chǎn)品性能。

透波層選型：單一介質(zhì)單層材料，由于電磁參數(shù)調(diào)整范圍較小，較難在寬頻率范圍內(nèi)同時(shí)滿足阻抗匹配和強(qiáng)吸收。本文在分別測試鋁箔、銅箔及不同類型鎳鐵導(dǎo)電纖維基礎(chǔ)上，最終確定3層接結(jié)鎳鐵導(dǎo)電纖維構(gòu)成的導(dǎo)電布作為復(fù)合結(jié)構(gòu)型吸波材料的透波層。經(jīng)實(shí)測可知，3層接結(jié)空心導(dǎo)電纖維構(gòu)成導(dǎo)電布，由于本身具有立體結(jié)構(gòu)特征，電磁波入射后通過復(fù)雜反射、透射和折射，形成了多次吸收和衰減，具有優(yōu)異的吸波性能。另外，其本身單位體積中儲存的磁能較高，介電損耗吸收較強(qiáng)，磁導(dǎo)率較高，電阻率較低，在外界交變電磁場作用下，可將電磁波的部分能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芟牡鬧14-15]。

吸波層選型：由表1和表2對比，在手機(jī)通話狀態(tài)(即2 G信號頻段)， LCDs 點(diǎn)對點(diǎn)接口傳輸速率與手機(jī)移動通信系統(tǒng)(GSM)網(wǎng)絡(luò)頻率相近，易與手機(jī)信號發(fā)生信號串?dāng)_，因此，吸波材料選型主要基于2 G測試頻段進(jìn)行選擇。

將上述結(jié)構(gòu)型吸波材料導(dǎo)入模型進(jìn)行電磁仿真，仿真結(jié)果見圖6，可知，3層接結(jié)空心結(jié)構(gòu)0.03 mm導(dǎo)電布與0.03 mm吸波材料復(fù)合，電磁干擾的最熱點(diǎn)磁場強(qiáng)度由40 V/m減小至34.29 V/m。結(jié)合產(chǎn)品實(shí)測，抗干擾能力由25 dB提升到33 dB。

本文根據(jù)電磁仿真和實(shí)測，并結(jié)合導(dǎo)電織物優(yōu)異的導(dǎo)電柔性性能和吸波材料強(qiáng)大的電磁屏蔽性能等優(yōu)點(diǎn)，驗(yàn)證開發(fā)了可用于LCDs產(chǎn)品的復(fù)合電磁屏蔽材料，為開發(fā)高效、輕質(zhì)、柔性導(dǎo)電織物基電磁屏蔽材料提供了新的設(shè)計(jì)思路。

圖6 相同厚度普通鋁箔(a)和復(fù)合屏蔽材料(b)電磁仿真對比Fig.6 Electromagnetic simulation comparison before(a) and after(b) EMI shielding materials

5 結(jié) 論

本文針對電磁干擾下LCDs顯示異常問題，基于信號傳輸完整性理論，提出了基于自適應(yīng)信號品質(zhì)增強(qiáng)模型、信號傳輸路徑優(yōu)化和LCDs專用復(fù)合結(jié)構(gòu)型吸波材料3種方法，提高LCDs 電磁兼容，并分別基于電磁仿真和產(chǎn)品實(shí)測對上述改善對策進(jìn)行驗(yàn)證。仿真和實(shí)測結(jié)果表明：采用自適應(yīng)信號品質(zhì)增強(qiáng)模型和信號傳輸路徑優(yōu)化，在無需使用復(fù)合結(jié)構(gòu)型吸波材料基礎(chǔ)上，產(chǎn)品抗干擾能力提升6～8 dB,可滿足客戶端電磁抗干擾能力的測試要求。另外，針對未采用自適應(yīng)信號品質(zhì)增強(qiáng)模型和信號傳輸路徑優(yōu)化方法，通過使用復(fù)合結(jié)構(gòu)型吸波材料，產(chǎn)品抗干擾能力提升8～10 dB。