加固型TFT-LCD液晶屏的电磁兼容设计

摘 要：电磁兼容设计是电子设备的重要任务之一，从加固型TFTr．LCD的结构设计和电路设计上，论述解决抗电磁干扰的技术，并为加固型TFTr-LCD的设计提供了一些有意义的指导原则和设计方法。

        关键词：加固；加固型TFT－LCD；电磁兼容；屏蔽技术；滤波技术

0 引 言

      液晶显示器(加固型TFT－LCD)作为多功能显示器(Multi Function Display)，是现代化飞机驾驶舱中显示系统的重要部分，以其轻便、低耗，正在逐步地替代传统的CRT显示器。通过面板上配置多项按键，飞行员可确定和执行许多操作指令。

    这种用于各种航空器上的显示器，称为加固显示器。对于加固型TFT－LCD，电磁兼容(EMC：Electro-Magnetic-Compatible)设计是加固显示器设计和考核的一项重要指标。

    所谓电磁兼容技术又称环境电磁学。其定义为：“设备或系统在电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰的能力”。这表明，电磁兼容性有双重含义：第一，电子设备应具有抑制外部电磁干扰的能力；第二，该电子设备所产生的电磁干扰应低于规定限制，不能影响同一电磁环境中其它电子设备或系统的正常工作。

    提高加固型TFT－LCD的抗干扰能力，要从总体方软件程序的设计多方面考虑，把抗干扰技术贯穿于系统设计的全过程方案、壳体结构设计、元器件选择、电路板布局及布线到软件程序的设计多方面考虑，把抗干扰技术贯穿于系统设计的全过程。

1 加固型TFT－LCD的电磁兼容问题

1．1 电磁干扰的产生
    所谓电磁干扰(EMI：Electro Magnetic-Interference)，是指不需要的电磁信号或噪声信号等对需要的电磁信号的干扰。电磁干扰产生的根本原因是电子设备或系统中有电压或电流的变化，而相应的电路会将变化产生的能量发射到周围的环境中。电磁干扰的产生必然引起传输的信号或系统性能下降。同时受周围环境中的各种电磁辐射的影响。

    产生电磁干扰有三个必要条件：即干扰源、传输介质、敏感的接收单元三要素。电磁兼容设计，就是消除其中的任何一项从而解决电磁兼容问题。

电磁兼容技术涉及到的概念有：辐射发射RE，辐射敏感度Rs，传导发射cE，传导敏感度cs[1]。
    电磁干扰有两种：传导(Conducted)型干扰和辐射(Radiated)型干扰。进入加固型TFT－LCD的电磁干扰的主要途径有：传导型通过电源线、接地线、信号线和控制线从外壳进入加固型TFT－LCD壳体；辐射型干扰是指辐射通过外壳的缝、槽、开孔或其它缺口进入。可以通过液晶的显示窗El、通风孔、通信口、电缆以及机壳的非理想连接面等进行辐射。加固型TFT-LCD内部同样会产生干扰耦合作用，以及受到来源于导线和低频或高频场的干扰。

1．2 加固型TFT－LCD电磁兼容要求
    加固型TFT－LCD通常具有核心控制、数字信号处理、模拟信号处理、复合视频处理、数字／模拟OSD、电源及智能温控、故障诊断等七项控制功能的单元或部分，具有接收模拟和数字信号功能。加固型TFT-LCD，除了模块自身的光电参数外，经加固后的加固型TFTLCD通常的工作指标为：显示亮度>800 ed／m2的超高亮度、55000英尺以上的海拔高度、工作温度－55℃ ~+70℃(存储温度－55℃~+85℃)的宽温范围、振动加速度l0 g(振动频率10 Hz～200 Hz)、冲击加速度30g(持续l1 ms，半正弦波)以及电磁兼容符合GJBI51A-97中相关条款的要求。

    飞机座舱内环境复杂，电子设备品种繁多，灵敏度越来越高，接收微弱信号能力越来越强，尺寸越来越小。电磁环境越复杂，设备之间的电磁干扰就越严重。

    抗恶劣电磁环境的设计可以分为抗外界的强电磁干扰和设备内部的电磁干扰两大部分。相对来说，加固型TFT－LCD的抗干扰能力较强，其电磁兼容设计重点是控制内部的电磁辐射。

     2 加固型TFT-LCD电磁兼容设计和干扰控制技术

 电磁兼容技术的核心是设法减少系统自身产生的电磁干扰和提高抗电磁干扰的能力。加固型TFT-LCD的电磁兼容设计，主要从三个方面考虑：第一，显示器内部的电路相互问不产生干扰；第二，显示器产生的电磁干扰强度低于设定的极限值；第三，显示器对外在的电磁干扰符合要求的抵抗力。

    加固型TFT-LCD采用的干扰控制技术，主要有接地、屏蔽、滤波三种。接地是将干扰信号引入接地端；屏蔽是利用屏蔽体来阻挡或衰减干扰信号的电磁传输；滤波是阻止干扰频率信号通过而允许有用频率信号通过。通常可以从电路设计、工艺设计和机壳结构设计三个方面考虑。

2．1 磁兼容(EMC)的电路设计
    从电路上分析，电磁兼容设计的第一步是要找出EMI的干扰源。所谓干扰源，其原理上就相当于一个发射和接受电磁波的“天线”。必须找出加固型TFTLCD中所有EMI“天线”并确定EMI影响大小。首先屏蔽所有可能的EMI源，然后逐次有选择地暴露每一个可能的EMI“天线”，这种“天线”具有互益性，易辐射也易接收，是一种能量转换器件。每个EMI“天线”的EMI影响都可以被量化，采取相应方法加以解决。

    采用的手段包括滤波、布局与布线、屏蔽、接地和密封技术等。接地的合理布设对于抑制干扰是很有效的。屏蔽地是为抑制各种干扰信号而设置的，屏蔽的种类很多，但都需要可靠的接地，屏蔽地就是屏蔽网络的接地。

    从电磁兼容设计的角度看，许多电磁干扰问题都是由于地线的不合理导致的。地线是信号源电流流回信号源的低阻抗路径。由于电流具有连续性，流进一个节点的电流等于流出这个节点的电流总量。所有的地线符号都是连在一起的，这就构成一个电流的地线回路。在地线回路中除了电阻和电感外，还有各种杂散电容。这样当电流流经这些阻抗时，必然导致电压降。同时，设计不当的地线会导致较大的信号电流回路面积。这种面积较大的回路会产生很强的电磁辐射，会增大电路之问的互感耦合，会增加电路对外界电磁场的敏感性。

    这里特别强调的是低阻抗路径。电流的特性就是总选择阻抗最小的路径。真正的地线并不一定是形式上所连接的情况，设计时的地线并不一定是阻抗最低的路径。没有进行认真设计的地线，地线电流实际上是处于不受控的状态，地线电流自己会找一条阻抗最低的路径流回信号源。这是地线导致电磁干扰问题的本质。

    通常的接地方式有浮地、单点接地、多点接地、混合接地等。对于加固型TFT－LCD，由于工作在中低频，一般采用单点接地。接地导线的长度和截面大小要依电流大小而定。保证系统的接地电阻要小，一般要求小于0．01 n。其接地线一般采用绝缘铜导线，连接到统一的接地点，以形成一个共同的电位点。

    屏蔽技术也是常用的手段。加固型TFT-LCD包括背光源逆变器电路、夜视LED背光源电路、VGA视频转换卡、温控加热电路和主控板等工作电路。加固型TFT－LCD的电磁辐射主要来自于背光灯管、逆变器及高速A／D器件。低频段(25 Hz一100 kHz)主要是来自磁场的辐射能量，而电场的辐射频率范围就很宽，为10 kHz一20 GHz。输出开路电压在900 V以上。高亮度背光源的逆变器背光调亮电路采用了脉冲宽度调制(PWM)技术，其脉冲波形呈矩形，上升沿与下降沿均包含大量的谐波成分，另外输出整流管的反向恢复也会产生电磁干扰(EMI)，是一个重要的辐射源。其周围空间会建立强大的磁场，电能与磁场的相互急剧转化将形成电磁干扰。这种电场与磁场，对其本身来讲属于内生干扰，降低了自身的抗扰能力。为了将产生的电场或磁场限制在某一规定的空间范围内，或为了使设备或元器件不受外部电磁场的影响，常常采用隔离屏蔽措施。其具体做法是将有关电路、元器件或装置安装在铜、铝等低电阻材料或是磁性材料制成的屏蔽体内，不使电场和磁场穿透这些屏蔽物。逆变器屏蔽盒的使用可以有效将其屏蔽。

    通过物理隔离技术，尽可能地加大受扰电路、元器件或装置与干扰源之间的距离，是降低干扰的一种行之有效的措施，因为干扰与距离的平方成反比。因此，周密完善地考虑线路和元器件的布置及布线，并尽量增大干扰源与受扰电路之问的距离，将大大降低干扰的传播，减少系统的故障率。在实际安装布线时，应按其对干扰的灵敏度或按其本身功率的大小分门别类地进行处理。布置的顺序是：低电平模拟信号，一般数字信号，控制装置，直流动力装置等。按照这样的顺序布置并使其相互隔开，保持一定距离。加固型TFT－LCD安装场合受到限制，这种要求往往很难全面得到满足。    因此，尚需考虑其它措施。

    在三种技术中，滤波技术是目前抑止电磁干扰常见、有效且经济的一种手段。加固型TFT－LCD要满足电磁兼容的要求，可以在电源线上使用电源线滤波器。图1表明加装滤波器后，耦合电流下降的情形，在600MHz时下降50％ ，在800 MHz时下降75％。设计加装电源EMI滤波器、输出滤波器及吸收电路。运用的方法也非常简单，就是在加固型TFT-LCD直流电源线的输入端插入抗EMI滤波器，滤波器可以充分抑制通过直流电源线上传导的电磁干扰信号，或者说，它既能抑制加固型TFT—LCD显示器内部产生的电磁干扰外泄，同时又能抑制外界的干扰。电源EMI滤波器实际上是一种低通滤波器，它几乎毫无衰减地把电能传递给电子设备，却大大衰减传人的干扰信号，同时又能抑制设备本身产生的干扰信号，防止它回窜到电网中。