彩色电视机电磁兼容设计重点

2010-03-14张德敬

电视技术 2010年12期

关键词：调谐器差模晶振

张德敬，吴晓

（国家广播电视产品质量监督检验中心，北京 100015）

1 现阶段彩电电磁兼容性能概况

彩色电视机是大众化的产品，广泛用于各行各业，也是目前家庭中必备的家电之一。作为最为贴近百姓的家电，质检总局对其非常重视，多次组织相关机构对彩电进行质量抽查。

表1列举的是2006年至2010年历次彩色电视机国家抽查的彩电不合格率与不合格项目，其中，2006年抽查的样品为彩色显像管（CRT）电视，其余年份抽查样品均为液晶（LCD）电视。

表1 历次国家抽查检验结果

单就表1中所列的不合格率来看，近几年彩色电视机的电磁兼容（EMC）性能并没有得到改善，电磁兼容控制技术也没有显著提高，而如果放在全行业的历史背景下，我们会得出相反的结论。

从最初的黑白电视机到如今的大屏幕彩色电视机，从只能收看几套固定节目到目前可以通过电视机访问互联网，每一次电视技术的发展都伴随着更为复杂的电磁噪声出现。

最初的CRT电视，调谐器是电视内部最主要的干扰源[1-2]。调谐器的本振及其谐波经常造成产品的辐射骚扰场强和天线端骚扰电压测试不合格。而随着科技的进步，由调谐器引起的测试不合格情况已经非常少见了。高频率的时钟电路以及一些大规模的数字集成电路成为了最大干扰源。现在的电视机，不管是传统的CRT电视，还是近年来流行的LCD电视，都应用了大量的晶体振荡器和集成电路，内部的时钟频率都在几十兆赫兹甚至上百兆赫兹。而随着数字电视的普及，流媒体的应用以及互联网电视的出现，越来越多的多媒体新技术应用于电视机，使得其内部的时钟频率更是大幅提高，系统内部的短线、机壳的散热孔、机壳的缝隙，甚至是固定板卡用的螺钉与螺柱都有可能成为效率极高的发射天线，使产品无法通过辐射骚扰场强测试。正是由于这些原因，GB 13837-2003在前一版本的基础上作了相应的修改，将天线端骚扰电压测试范围扩展到30～2 150 MHz（前一版本测试范围为30～1 000MHz），辐射骚扰场强测试则增加了30～1 000MHz除本振及其谐波外其他频率的限值。

在这样的历史背景下，彩色电视机的电磁兼容性能并没有随着复杂的电磁噪声而变得更恶劣，足可以说明彩色电视机的电磁兼容抑制技术也在不断提高当中。

然而，不管是2010年8.7%的不合格率还是2009年3.4%的不合格率，都说明目前仍然有部分企业没有全面掌握EMC抑制技术，而使得所生产的产品不能符合标准规定。

2 对传导干扰的抑制措施

以液晶电视为代表的大屏幕电视，按传播途径分，其电磁干扰一般分为传导干扰和辐射干扰[3-4]。

传导干扰主要是指液晶电视所产生的干扰信号通过电源线对电网的干扰，分为差模干扰和共模干扰。经验表明，在 0.15～30 MHz频率范围内，0.15～1 MHz多为差模干扰，1～10 MHz多为差模干扰与共模干扰并存，10 MHz以上多为共模干扰。干扰源多是开关电源内部的开关管、开关变压器、输出端整流二极管等，这些器件如果处理不当，将产生严重的传导干扰，甚至是辐射干扰。

加装电源滤波器是解决传导干扰最为有效的手段之一。对应于干扰类型，电源滤波器可分为共模滤波器和差模滤波器[5]。在实际电路中，共模滤波器一般由Y电容与共模电感组成串联谐振电路，谐振频率应低于所需滤除干扰频率的1/3～1/10。而差模滤波器多是由共模电感的漏感与X电容组成串联谐振电路，该漏感的工程估值大约为共模电感的0.5%～1%，差模滤波器的谐振频率应低于10 kHz。为达到最佳的滤波效果，滤波器应满足阻抗最大失配原则，即若干扰源端为高阻抗，滤波器应以低阻抗接入；若源端为低阻抗，滤波器应以高阻抗接入。负载端同理。在开关电源中，共模干扰多是由开关管两端电压Uce（假设开关管为晶体管）引起，其干扰源阻抗大小取决于开关管“热”点（C点）与参考地之间的阻抗，即开关管与散热片之间的容抗，典型值为30 pF～1 nF，在低频段表现为kΩ级，也正是因此，共模干扰多出现在高频段。而差模干扰多是由开关电路初级侧的d i/d t周期电流变化引起，由于开关变压器初级线圈的存在，该周期电流的高频成分大部分被开关变压器初级线圈衰减掉，故差模干扰多出现在低频段。对于差模干扰，其源端阻抗取决于整流滤波电路中储能用电解电容的等效串联电感（ESL）和等效串联电阻（ESR），在低频时，主要是ESR（毫欧级）的影响。

滤波器的加入只是改变了干扰耦合通道的特性，而要想真正获得良好的EMC特性，还需从减少干扰源的强度着手，常用的方法有以下两种：

1）软开关技术

开关器件开通/关断时会产生浪涌电流和尖峰电压，这是开关管产生电磁干扰及开关损耗的主要原因。软开关技术是减小开关器件损耗和改善开关器件EMC特性的重要方法[5]。该技术主要是使开关电源中的开关管在零电压、零电流时进行开关转换从而有效地抑制电磁干扰。

2）频率抖动技术

频率抖动技术就是将周期十分稳定的开关信号变为周期按一定规律变化的抖动频率信号，从而使干扰能量在较宽的频谱上均分，进而通过EMC测试。值得注意的是，它在整个频率范围内的干扰能量并没有改变。

3 对辐射干扰的抑制措施

辐射干扰是指干扰源通过空间把其信号耦合（干扰）到另一网络，干扰是以空间电磁场的形式存在的。干扰源多是EUT内部调谐器本振的基波和谐波、数字电路时钟脉冲的基波和谐波以及开关电源开关脉冲的高次谐波等。

在主流液晶电视中，多采用模块化设计，一般分为开关电源、主板、逆变电路、液晶屏、按键板等。

液晶屏全部为整体采购，其EMC特性在出厂时已经过检验，无须整机设计时做过多考虑。而开关电源产生的干扰多为传导干扰或低频段的辐射干扰，一般干扰频率不会超过100 MHz，其抑制干扰措施已在上文中详细介绍。

液晶电视的主板上既含有模拟电路，又含有数字电路，部分企业还将DC-DC逆变电路置于主板上。这就要求在元器件的布局上，要把模拟电路、数字电路和逆变电路这3部分合理的分开，使相互间的信号无法耦合，尤其是3部分的电源和地，应分别布设，以减低相互干扰。

3.1 由接地不当引发的干扰

将模拟地与数字地分割开，并在中间串颗磁珠是部分液晶电视无法达标的一个原因，这种情况多发生在具有模数或者数模转换的地方。事实上，由于集成电路管脚间分布电容的存在，高频干扰电流通过分布电容在数字地和模拟地之间流动，而并未经过所串联的磁珠。可见，在数字地与模拟地之间串联磁珠并不能减小数字电路的噪声向模拟电路传输，而且任何在数字地引脚处附加的外部阻抗都将引起较大的数字噪声，然后大的数字噪声通过分布电容耦合到模拟电路上。正确的做法应该是将模拟地和数字地用最短的连线接到同一个低阻抗的接地平面上，例如应用接地螺钉将模拟地和数字地接到同一低阻抗金属板上。这样可以使两块地之间电位相同，从而杜绝之间存在高频电流流动。

3.2 时钟电路的EMC抑制措施

产生时钟信号的晶振是主板上一个强的辐射发射源。事实上，晶振也分为有源晶振和无源晶振，无源晶振需外接起振电路才能工作，而有源晶振本身便可以起振。不管是有源晶振还是无源晶振，一般均封装于金属外壳内。晶振内部电路产生的RF电流可能会很大，以至于晶体的接地引线不能以很少的损耗充分地将比较大的干扰电流引到地平面，结果金属外壳变成了单极天线，在其周边形成一个辐射场。此时，若其周围有印制电路板（PCB）布线或者悬空的螺钉等器件，干扰能量将通过容性或感性的方式耦合到这些器件上，当器件长度等于信号波长的1/4或1/2时，这些干扰能量将最大程度的转换成电磁场，形成辐射干扰。

基于上述原因，在PCB布板时，针对于晶振电路，应做到：

1）晶振应尽量远离接口电路,如串口、地址线、数据线等。

2）晶振不能放置在PCB边缘。

3）晶振下面不要布线，晶振上面也不要有飞线。

4）晶振下方表层设置局部地平面（敷铜），并通过多个过孔与地层相连。

上述措施不单单适用于晶振，同时适用于所有高频器件。

3.3 调谐器布板时的基本原则

首先要将调谐器部分的地（即模拟地）与其他部分的地分开铺地。一定要将调谐器的金属外壳与地连接起来，且连接点应尽可能多。

3.4 信号环路对EMC特性的影响

在PCB板中，环路无处不在。任何一个信号的传输，均意味着一个电流环路的存在，所以，在多数设备中，主要的发射源是PCB上电路中流动的电流，其中电流在传递路径与返回路径中形成的环路是PCB辐射发射的一个原因，而且，辐射能量的大小正比于环路面积。因此，对于设计工程师，应尽可能的减小信号环路面积。

值得警惕的是，在PCB中，有用信号流经的差模环路多数情况下并不是造成辐射超标的主要原因，还有另一种环路更值得关注，那就是共模信号环路。假设PCB的接地平面上有A，B两点，且A，B两点各自与接地参考平板之间存在着分布电容（CAG，CBG），就形成了A-BCBG-G-CAG-A这样的环路。当PCB地阻抗较大时，就会在A，B两点间形成电压差，从而在上述环路中形成共模电流，导致辐射超标。采用金属外壳以减小PCB地平面与参考接地平板之间的分布电容，或改变PCB地平面材质以减小地阻抗均能改善共模环路引起的辐射超标。