关于18英寸液晶显示器的辐射电磁干扰设计

【导读】本文将探讨关于18英寸液晶显示器的辐射电磁干扰(EMI)的评价与减小情况的研究，减小EMI的方法将在文中详细介绍，并在适当的地方会采取一些修改。对EMI辐射的测量证实了这些建议的效果。

液晶监视器包括了一个液晶显示器部件，一块主PCB和一些辅助PCB。液晶显示器部件包括一个液晶阵列，一些连接的PCB和一个荧光照明装置。主PCB把来自个人计算机的显示信息转换成能够被液晶显示器数字式处理的信号。辅助PCB为荧光照明装置提供电源，并将来自监视器前方按键的信息传输到主PCB。

液晶显示器的不同位置有四个屏蔽体。屏蔽体1罩着液晶显示器;屏蔽体2围着主PCB;屏蔽体3笼罩了屏蔽体2并且固定在了屏蔽体1上;屏蔽体4覆盖了一个辅助PCB，这块电路板是变换电路PCB，它为液晶显示器部件的荧光照明装置提供电源。

液晶显示器里的电路在一定的时钟频率范围内运行。模拟的红绿蓝输入信号根据显示器的分辨率在从35MHz到138MHz的时钟速率范围内被数字化;另外，根据显示器的分辨率，主处理器的存储芯片的时钟被锁定在80MHz到101MHz的范围内。使用模数转换器在相同的时钟速率下去处理数字显示数据，然而在处理器的输出钟频为固定的42.5MHz。

液晶监视器EMI的改进

EMI的分析集中在主PCB，因为主PCB产生的频率谐波在辐射频谱中占主要地位。在主PCB上的所有的EMI改进能被分为三个不同的部分;去耦、印制线布线和电源绝缘区布局。

去耦

在时域中，去耦电容起到了电荷源的作用，它提供了反向改变电源总线电压的电流;在频域中，去耦电容减小了电源的阻抗。在任何情况下，都必须注意如何连接这种电容。如果去耦回路中有太多的电感(互感)，电容就不能足够地提供电流，并且从电源总线看过去的阻抗也会增加。过多的互感会减小电容的影响，并且可能导致产生出有驱动EMI天线能力的带噪声的功率平面。

去耦电容能够被分成三种：本体的，局部的和板间的。体去耦电容在低频(亚MHz范围)时可提供电荷;局部去耦电容在较高的频率(在几百MHz以上)也能提供电荷;在最高的频率，电源面和接地面间的板间电容成为了去耦电流的主要来源。

主PCB最初设计的去耦方案需要改进。例如，体电容没有放置在最合适的地方，它一般被放置在有电源面的PCB上，因为体电容工作在低频，所以在电源总线的高电感可以被忽略。

在这种设计中，主PCB上的体去耦电容被放置在靠近集成电路的地方，在那里印制线的密度非常高。移动体去耦电容离开这个区域并不会减小低频去耦，而且还会为PCB上布关键性的信号印制线提供空间。

局部去耦电容的连接同样需要改进。在PCB上局部去耦电容需要放置在距离集成电路很近的地方，其间的距离大约是30密耳。另外，为了更好的效果，局部去耦电容和电源总线之间的互感需要最小化。对于大部分情况，在主PCB上局部去耦电容会被放置在靠近集成电路之处。然而，许多局部去耦电容与电源总线的连接很差。在很多时候，经过一个共用的印制线使多个去耦电容与电源面和接地面连接起来。对于接地和电源来说，这些共用的印制线上的所有电容只有一个通孔。通过这种方式连接局部去耦电容就产生了许多的互感。连接局部去耦电容更好的方式就是应该为每个电容在连接处提供两个通孔：一个通孔直接连接地平面，另一个直接连接电源平面。另外，去耦电容和集成电路不应该共用电源通孔和接地通孔，如果这样的话就为去耦电容提供了一条线路。为了取得最大互感的地方。为了得到最大互感，较长的电源和接地通孔应该互相紧密放置。这样，去耦电容和集成电路都被放到了PCB的最上层，并且从上到下的层叠的顺序是信号面——接地面——电源面——信号面。来自最上层的最长的通孔应该是电容和集成电路的电源通孔。因此，去耦电容和集成电路的电源通孔应该尽可能的互相靠近。如果电容被放置PCB的反面，那么集成电路的电源通孔和电容的接地通孔应该被放置得尽可能靠近。

面间电容可以通过电源层和接地层间共同的表面积的增加而增大。在这个设计中，一些接地的临时线被布到了电源层。通过移动这些接地的临时线，并用电源层存在的电源隔离区域代替这些临时线，就会增加层间电容。

印制线布线

设计者通常在PCB的接地层留下间隙。这些间隙可能是接地层的高速时钟线或者其他印制线布线的结果。有时间隙置于接地层，以使板上的低频区域与高频电路隔开。由于连接器插头空隙区可能会不经意的产生间隙。当回流电流被迫绕着接地层的间隙流动的时候，间隙周围就产生了不同的电位。这个电位差可能就是EMI的原因。

在主PCB上，有一些信号层的印制线穿过了邻近接地层间隙的地方。例如，信号层上的高速数据和地址线穿过了接地层上的由时钟印制线产生的位于接地层的间隙。

接地层的隔离间隙被用来隔离电源电路和数字电路。然而，如果相邻层的高速线穿过间隙的话，那建立这个间隙的好处就失去了。在一个较早的原型中，隔离间隙很长，因此，在相邻层上的一些模拟红绿蓝印制线在间隙上穿过。

电源绝缘区的布局

主PCB上的电源层被分成许多不同的电源绝缘区。结果，电源层产生了许多间隙。当相邻层的信号印制线的回流电流围绕这些间隙流动时，这些间隙形成了一个潜在的EMI源。为了减小这些潜在的EMI源，要通过移动或者重新建立电源绝缘区来减少相邻层通过这些间隙　的印制线的数量。例如，一个可驱动PCB全部长度的12伏电源面不得已而在信号层上布线。一个电源绝缘区应该被移动，以使红绿蓝信号线不通过任何一个间隙。为了进一步减小潜在的EMI源，只有低速信号印制线能布在邻近的信号层。

EMI“天线”的测定法

在液晶显示器上可能有许多EMI“天线”。为了找出哪个EMI“天线”EMI的影响最大，利用了可选择的屏蔽方法。所选择的屏蔽方法包括了用铜带和铝箔去屏蔽所有可能的EMI源，然后每一次有选择性地暴露一个可能的EMI“天线”。用这种方法，每个EMI“天线”的贡献都可以被量化出来。

最重要的EMI“天线”被发现是在屏蔽体2背面驱动的屏蔽体1。当屏蔽体1和屏蔽体2被4个螺丝连接起来的时候，在高频时，这些螺丝并不是一个很好的电连接。这两个屏蔽体之间的不良连接就产生了一个EMI“天线”。为了消除这个EMI“天线”，可将指型簧片放置在两个屏蔽体之间。EMI测试显示，在放置了指型簧片后，在低于500MHz时EMI平均降低了2到3dB;而在高于500MHz时平均降低了5到10dB。

一些其他的低速电缆需要用铁氧体来减小EMI。在主PCB和按键PCB之间的一簇电线，以及来自主PCB为液晶监视器组件提供电源的电缆都携带了很多的噪声电流，这些证明了在电缆上加上铁氧体的正确性。

在主PCB和液晶显示器组件之间携带高速显示数据的屏蔽电缆并没有在远离屏蔽体之处连接到屏蔽体2上。没有连接到屏蔽体2上的电缆允许噪声电流自主PCB到屏蔽体2，并进行辐射。因此，高速数据电缆外部屏蔽体和屏蔽体2之间的连接要建立。辐射测量表明，当这种连接建立时，对于42.5MHz的输出时钟的谐波有了很大的减少，而在800MHz左右有适度减小。

进入屏蔽体2并连接到主PCB的红绿蓝电缆和电源电缆对辐射EMI的贡献不大，因此勿需改进。

建议的效果

在500MHz以下，所有的谐波都降低了3到5dB，一些降低了10dB。在500MHz以上，大多数时钟谐波都降低了5dB，一些降低的更多。

在液晶显示器中的最重要的EMI源并不是源于液晶显示器面板自身，而是来自用于处理并将模拟红绿蓝数据转换成为液晶显示器面板能够用的数字信号的主PCB。重要的EMI源就是由模数转换器、主处理器和存储芯片使用的不同时钟。潜在的EMI源(例如低压数字信号集成电路的输出)并不象最初所想的为EMI起到很大的贡献。EMI“天线”主要包括没有适当彼此连接的屏蔽体，同时也包括其他滤波不良的电缆连接的PCB。在一个宽频率范围内，合适的设计可使辐射的EMI减少3～5dB，或者更多。