RGB显示屏的辐射超标问题点及解决方案

新手一枚

郑重申明：本文刊登于2017年第2期（总第145期）的《安全与电磁兼容》。该刊享有本文版权（包括电子版和网络版），本文内容未经许可，不得以任何形式转载。
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摘要
基于RGB显示屏的架构及接口类型，分析RGB显示屏的辐射发射存在的主要问题点以及辐射噪声形成原因，从而针对性的采取合适EMI抑制手段，以达到降低EMI，提升产品性能，通过认证测试标准。
关键词
RGB；电磁兼容；辐射发射；显示屏；
引言
目前图像显示市场正在蓬勃发展，并且不断出现新的产品组合，同时消费者对各种产品的需求也在持续提升。在过去的几年内，大部分消费者在自己的家中已经积累了不少拥有显示屏的科技产品，而RGB显示屏在显示要求不高的行业依然应用广泛，它的EMC问题也一直是困扰工程师的一大难点，本文主要分析常见的并行RGB显示屏的辐射发射问题及解决方法。
1、RGB显示屏接口定义
RGB显示屏采用并行方式传输数据，采用这种接口时，不必在液晶显示器的驱动板端和液晶面板端使用专用的接口电路，而是由驱动板主控芯片输出的RGB数据信号经电缆线直接传送到液晶面板的输入接口。由于RGB接口信号电压高、连线多、传输电缆长，因此，电路的抗干扰能力比较差，而且容易产生电磁干扰（EMI）。
驱动RGB显示屏一般包含RGB数据信号、时钟信号、控制信号和背光电源这四大类信号。如下图所示：

图1 RGB接口脚位定义图
2 辐射发射超标主要问题点及抑制措施
2.1 时钟信号引起辐射发射超标
在高速数字系统中，固定频率的时钟是主要的电磁干扰源之一。因为时钟信号总是在一个固定的频率下工作，这将使能量增加到更高的级别。而非重复性信号或是异步信号不会产生如此多的电磁干扰。随着数据传输速率的提升，时钟频率越来越高，信号的边沿率（即上升时间和下降时间）也随之提高。较快的边沿率将使辐射信号的能量级别增加更多。一个具有2ns上升沿的时钟信号辐射能量的带宽可达160MHz，其可能辐射带宽可达十倍频，即1.6GHz。因此，设计好时钟电路是保证达到系统辐射指标的关键，时钟电路EMC设计的好坏直接影响整个系统的性能，下图是屏时钟高次谐波引起的辐射超标测试图（只列举了超标的水平极化方向）。

图2 屏时钟高次谐波辐射超标测试数据图
解决方法
对于屏时钟信号引起的辐射超标，在PCB layout时，必须缩短时钟信号走线长度，减少过孔，加大走线宽度和线间距，同时两边铺设接地线进行屏蔽，减小时钟线的回流面积，在做好以上PCB布线的同时，可以采取以下措施抑制时钟线的辐射。
抑制措施1：使用滤波电路
在时钟信号线靠近辐射源头增加滤波电路，通过RC时间常数减缓信号的边沿转换率；通常采用RC滤波电路，为了得到最理想的端接和防止反射，电阻应该尽量的靠近源端，电容最好放置电阻右边，如下图所示：

图3 在屏时钟线上增加RC滤波电路
抑制措施2：在时钟线上使用扩频IC
扩频为降低电磁干扰提供了一种性价比非常好的方案。时钟扩频的原理是，通过对输入基准时钟在某个频率上进行调制而使输出时钟的频率存在微小的变化，对时钟频率进行调制的目的是，把一个单频信号或是窄带信号携带的能量分散到一个相当宽的频率范围内。这将降低频谱中每个频率上的峰值功率。

（a）原理图

（b）电路图
图4 在LCD-CLK上使用扩频IC的实例
通过以上两个措施整改后，屏时钟的高次谐波得到了很好的抑制，具体测试数据图如下：

图5 屏时钟经过处理后的测试数据图
目前的时钟电路工作频率很高，容易产生电磁波噪声，当电磁波的强度超过一定程度时，将产生不可预期的影响，必须注意预防。
2.2 屏排线引起辐射超标
电缆是系统中导致电磁兼容问题的最主要因素，在电磁兼容试验中经常出现这样的情况：设备无论如何改进都无法通过电磁兼容试验，但在将设备的外拖电缆取下时设备就能顺利地通过试验；在实际使用电子设备时也经常遇到这样的情况：设备无法正常工作甚至经常死机，但将连接电缆拔下来之后就一切正常了。事实上，我们在现实中遇到的电磁兼容问题，大部分是由电缆引起的，主要包括信号电流（差模电流）回路产生的差模辐射和共模电流回路产生的共模辐射，而屏排线也是电缆的一种，下图是屏排线的辐射模型。

图6 屏排线引起的辐射模型
差模辐射是由于电流流过电路中的导线环路造成的，如上图所示。这些环路相当于正在工作的小天线，向空间辐射磁场，在大多数情况下，电缆中都包含信号线和回线（信号地线），这时信号线和回线之间的距离很小，由此形成的差模电流回路的面积也很小，因此差模辐射往往不强。
共模辐射是由于主板和屏之间需用一定长度的电缆连接，信号地就是屏的数据和时钟信号线的回流线，当电流流过信号地时，在地线上两端之间必然存在电压差，此电压差就是产生共模辐射发射源，这里的天线有两部分组成，一部分就是主板屏接口往左的地线和外接电缆，另一部分则是屏上的地线部分。
解决方法
抑制措施1：增加低通滤波器
接口电路与电缆在电路上直接相连，接口电路是否进行了有效的EMC设计，直接关系到整机系统是否能通过EMC测试。接口电路采用低通滤波器，滤除电缆上的高频共模电流是减小共模辐射的有效方法，具体电路如下：

（a）RGB信号线使用低通滤波器示意图

（b）低通滤波器内部电路图
图7 在RGB信号线使用低通滤波器的实例
抑制措施2：屏蔽电缆
屏蔽电缆之所以能够减小电缆辐射，其原因主要有两个：一个是屏蔽层直接遮挡了电缆中差模信号回路的差模辐射；另一个是为共模电流提供了一个返回共模噪声源的路径，从而减小了共模电流的回路面积，而且屏蔽层提供的通路阻抗应该越小越好，这样可以将大部分共模电流旁路回共模噪声源，用屏蔽电缆控制共模辐射的关键是要为共模电流提供一个低阻抗的通路，使共模电流通过屏蔽层流回到共模电压源。如下图所示：

图8 屏蔽电缆示意图
通过屏蔽电缆和端口滤波后测试数据图如下：

图9 处理了屏排线和接口后测试数据图
2.3 背光电源引起的辐射超标
DC/DC电路的工作频率多在100KHZ-1MHZ之间，因此电路中的dv/dt、di/dt较大，且由于电路中存在的寄生参数，容易在开关器件附件以及输出端产生的较大冲击电压、冲击电流和其它杂散噪声及振铃，进而产生较大的EMI辐射。功率开关MOS及与之相连的铜皮构成的开关回路、LC回路、整流二极管构成的输出整流回路和控制回路都是重要的辐射源，因此在进行背光升压电路部分的PCB设计前，必须进行合理的器件布局和良好的接地，以减小电路中寄生电感和电容，将电路的辐射抑制到最小。在合理的PCB设计的基础上，如果还是会有部分共模干扰噪声通过背光排线放大后形成辐射发射超标，可以通过增加共模滤波器的方式来抑制。
解决方法
在屏背光输出端增加高频共模滤波器，滤除共模干扰噪声，具体示意图如下:

（a）共模滤波器增加实物图

（b）共模滤波器特性曲线图
通过分析处理RGB模式显示屏的时钟、电缆、端口、背光四个部分后测试数据如下，能够通过EN55022 CLASS B的测试标准。

图11 经过整改后最终测试数据图
结语
RGB显示屏的辐射发射一直是产品辐射超标的重要部分，对于它要引起大家足够重视，除了上述整改措施，在设计前期一定要做充分考虑，结构设计时要尽可能缩短屏排线，PCB设计要优先布局和布线，把RGB显示屏部分对产品的整机辐射发射的影响做到最小。

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