2012-2015年是高密度LED顯示屏迅猛發(fā)展的三年,預(yù)測高密度LED產(chǎn)品的發(fā)展將經(jīng)歷三個階段。第一階段,進入專業(yè)室內(nèi)大屏幕顯示市場。第二階段,進入商務(wù)會議與教育領(lǐng)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(shù),目前110寸以上的大屏幕高端家用電視領(lǐng)域技術(shù)缺位,投影技術(shù)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(shù)有望在該領(lǐng)域取得輝煌戰(zhàn)果。
考慮到高密度LED顯示屏將會逐步從專業(yè)室內(nèi)領(lǐng)域過渡進入大眾室內(nèi),加之人們對自身健康安全的需求日益增強,關(guān)系到健康安全的EMC設(shè)計與認(rèn)證顯得越來越重要, LED顯示屏的EMC設(shè)計與改進刻不容緩。
眾所周知,發(fā)光二極管是一種低壓驅(qū)動的半導(dǎo)體光源,以往戶外顯示屏的交流-直流轉(zhuǎn)換與傳輸均在戶外完成,距離人群較遠(yuǎn)。而當(dāng)高密度LED顯示屏逐步進入戶內(nèi)后,我們不得不考慮這一過程中電磁輻射在有限空間內(nèi)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(guān)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(shè)計與改進方法。
遵照IEC和CISPR標(biāo)準(zhǔn),樣品測試項分為EMI和EMS兩大類。
測試結(jié)果如下:
(1)測驗標(biāo)準(zhǔn): EN55022:2010+AC:2011/CISPR22(2008-09)、 EN61000-6-3:2007/A1:2011/AC:2012,檢測結(jié)果:傳導(dǎo)干擾。
(2)測驗標(biāo)準(zhǔn):EN55022:2010+AC:2011/CISPR22(2008-09)、EN61000-6-3:2007/A1:2011/AC:2012,檢測結(jié)果:發(fā)射干擾。
(3)測驗標(biāo)準(zhǔn): EN61000-3-2:2006/A2:2009,檢測結(jié)果:諧波干擾。
(4)測驗標(biāo)準(zhǔn): EN61000-3-3:2013,檢測結(jié)果:電壓變化波動、閃爍干擾。
(5)測驗標(biāo)準(zhǔn): EN 61000-4-2:2009,檢測結(jié)果:靜電放電保護。
(6)測驗標(biāo)準(zhǔn): EN 61000-4-3:2006+A2:2010,檢測結(jié)果:射頻電磁場保護。
(7)測驗標(biāo)準(zhǔn): EN 61000-4-4:2004+A1:2010,檢測結(jié)果:瞬變脈沖保護。
(8)測驗標(biāo)準(zhǔn): EN 61000-4-5:2006,檢測結(jié)果:浪涌電壓保護。
(9)測驗標(biāo)準(zhǔn): EN 61000-4-6:2009,檢測結(jié)果:傳導(dǎo)干擾保護。
(10)測驗標(biāo)準(zhǔn): EN 61000-4-8:2010,檢測結(jié)果:工頻磁場保護。
由于該LED顯示產(chǎn)品本身采用高端的開關(guān)電源、設(shè)有瞬態(tài)電壓抑制器、走線規(guī)范,從檢測結(jié)果可以得到除了發(fā)射以外,其他各項測試均順利通過,因此,發(fā)射成為了LED顯示產(chǎn)品通過EMC認(rèn)證需要攻克的重點問題。根據(jù)以往的測量數(shù)據(jù)來看, LED顯示屏的開關(guān)電源、控制卡和內(nèi)部信號傳輸都會產(chǎn)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(diào)整發(fā)光管上電流脈沖的參數(shù)來實現(xiàn)高灰度、高刷新,因此,顯示屏的刷新率要求越高,系統(tǒng)卡上信號頻率也隨之提高,產(chǎn)生的輻射干擾就越強,這是顯示屏高品質(zhì)應(yīng)用的必然結(jié)果,也是顯示屏最主要的電磁騷擾源之一。
顯示屏內(nèi)部各種信號電纜輸入輸出線、電源輸入輸出線密布,由開關(guān)電源和控制卡上的晶振產(chǎn)生的電磁輻射會在內(nèi)部電纜間相互耦合,形成輻射通道,最終傳導(dǎo)出去形成傳導(dǎo)干擾,這一部分輻射最易被人們忽略,卻是輻射發(fā)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(fā)現(xiàn)模塊與系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(huán),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(fā)現(xiàn)有明顯改善的是扁平電纜的長度,當(dāng)使用系統(tǒng)轉(zhuǎn)接板帶載一塊模塊,模塊輸出級聯(lián)另一塊模塊,噪聲值僅增加0.5至1dB。而系統(tǒng)轉(zhuǎn)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(lián)時長度的1.3倍,而噪聲值提高8倍以上。另外,通過數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),電源線處加磁環(huán),噪聲抑制效果十分明顯(見圖1和圖3)。
2 濾波
現(xiàn)場測試時,在模塊電源VH2處增加一個3300uf的電解電容,發(fā)現(xiàn)對輻射的抑制作用明顯,特別是在30MHz至1000MHz區(qū)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(dāng)然,電容值的選擇需要按照實際的設(shè)計要求來定。
3 地層屏蔽
當(dāng)轉(zhuǎn)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(dāng)LED面陣驅(qū)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(dāng)轉(zhuǎn)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(chǎn)品的供電電壓
因為傳導(dǎo)、輻射的數(shù)值與dv/dt 或者 di/dt成正比,所以電壓越高,傳導(dǎo)、輻射的數(shù)值越大。樣品的供電電壓是4.6V,當(dāng)電壓調(diào)整供為4.2V后,從實驗數(shù)據(jù)可以看出,發(fā)現(xiàn)尖峰毛刺也能得到一定改善(圖7、圖8)。
5 優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
考慮到輻射與最大孔徑尺寸有關(guān),當(dāng)圓孔間距遠(yuǎn)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(chǎn)品工藝
原樣品后蓋為普通塑料件,改進為后蓋內(nèi)加涂鍍層,同時采用塑膠銀銅導(dǎo)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(shù)值大小,來達到減小的目的,但是從實際實驗中我們發(fā)現(xiàn),倍頻數(shù)值影響不大。這個改進在現(xiàn)實中不可取。
8 結(jié)論
通過上述反反復(fù)復(fù)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(chǎn)品的供電電壓、地層屏蔽、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、改進產(chǎn)品工藝等手段,在LED顯示屏的設(shè)計之初,就可以規(guī)避很多存在的EMC問題,減少改進的工作量,提高產(chǎn)品的設(shè)計成功率
編者注:
本篇文章原題目:戶內(nèi)小間距LED顯示屏的電磁兼容(EMC)設(shè)計與研究
作者: 劉成惠 江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系
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