矿用监控系统LED显示屏的电磁兼容性研究

刘志刚 武 韩

(1.西南林业大学计算机与信息学院，云南昆明 650224;2.武汉理工大学，湖北武汉 430070;3.国家电子计算机质量监督检验中心电磁兼容实验室，北京 100083)

1 引言

点阵发光二极管 (LED)显示屏是矿用监控系统应用最多的一种显示屏。无论是在国家强制检验机构的抽检或矿用监控系统厂商的委托检验中，作者发现因为LED显示屏干扰超标，而导致产品上市周期延长或者被政府勒令收回已经售出的产品，责成整改，给生产企业和矿用监控系统应用客户都带来了诸多不便。为此，作者专门对矿用监控系统LED显示屏的电磁兼容性进行了研究，取得的经验曾帮助很多产品通过检验，希望本文能对厂商后续的产品质量控制有一定的作用。

2 矿用监控系统LED显示屏的组成和工作原理

矿用监控系统LED显示屏主要是由主控制器、扫描板、显示控制单元、电源和LED显示屏体几部分组成。其基本工作原理如图1所示。

图1 矿用监控系统LED显示屏的结构

主控制器从计算机的显卡获取一屏各象素的各色亮度数据，然后分配给若干扫描板，每块扫描板负责控制LED显示屏上的若干行 (列)，而每一行(列)上的LED显示信号则用串行方式通过本行的各个显示控制单元级联传输，每个显示控制单元直接面向LED显示屏体。

扫描板起着承上启下的作用，它一方面接收主板的控制信号，另一方面，它把属于本级的数据传输给自己的各个显示控制单元，同时还把不属于本级的数据向下一个级联的扫描板传输，如图2所示。

图2 扫描板工作原理图

3 矿用监控系统LED显示屏的电磁干扰分析

矿用监控系统LED显示屏的电磁干扰主要由以下几个因素造成:

(1)开关电源产生的电磁干扰。矿用监控系统LED显示屏绝大多数都用的是开关电源，然而在开关电源的开关管导通瞬间，变压器初级线圈会产生很大的涌流，并在初级线圈两端出现较高的浪涌尖峰电压;在开关断开瞬间，由于初级线圈的漏磁通，致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈，储藏在漏感中的这部分能量将和开关本身的极间电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡，叠加在开关管的关断电压上，形成关尖峰电压。这个干扰信号会传导到输入输出端，形成传导干扰。其次，高频变压器初级线圈，开关管和滤波电容构成的高频开关电流环路也可能产生较大的空间辐射，形成辐射干扰。关于此类干扰在本章第一节已经详细叙述，在此不再展开具体的论述。

(2)显示屏本身的晶振造成的干扰。晶振主要是为显示系统提供一个基准频率，它所产生的周期脉冲信号的高次谐波是一种干扰信号。这种干扰信号会通过各种方式耦合到屏内的线缆上，进而以差模或共模方式形成辐射或者传导干扰。随着科技的发展，显示屏的刷新速率会越来越高，晶振的基准频率也随之变高，由晶振引起的高次谐波干扰就更强。

(3)由于显示屏内信号线和电源线排列较密，干扰信号也会在屏内线缆之间相互耦合，最终辐射到空间或者通过电源线传导出去，形成干扰。

4 矿用监控系统LED显示屏电磁干扰的整改措施

4.1 传导干扰分析及抑制措施

矿用监控系统LED显示屏的电源对此项测试影响较大，电源本身性能的好坏直接关系到本指标是否合格。有时也存在电源单独做电磁兼容试验是合格的，一旦装到整机时，由于整机中其他部件在某个频点具有较强的干扰信号，电源的滤波单元无法完全滤除该干扰信号，从而导致传导测试结果的超标。对于电源端子骚扰电压的超标，主要应从以下几种途径解决。

首先，排除电源因素的干扰，在条件允许的情况下可将电源单独取出，连接额定纯阻性负载进行试验。如果发现原超标频点没有了，说明该频率点的骚扰来源于主控板。此时，应把重点放在主控板的滤波上，主控板中主要的干扰源是晶振，应该对晶振进行良好的滤波和接地;其次，晶振也是辐射发射测试项目超标的一个主要因素。检查主控板中晶振和信号线接地、电源接地是否良好，在保证这几点都完好的情况下，如果传导测试仍不合格，说明干扰信号的确很强，此时可在电源的输入端加整件滤波器或X、Y电容，加强电源的滤波作用。值得注意的是，滤波器选择时，应关注滤波器不同频率的插入损耗情况，还要根据源阻抗和负载阻抗的高低，选择合适的滤波电路，其对应关系见表1。

表1 滤波器结构与源阻抗和负载阻抗对应关系

滤波器安装时，要确保滤波器接地良好，这样才能保证滤波器对差模和共模干扰信号应有的抑制作用不被减小。若需要安装X、Y电容，应注意，X、Y电容引线应尽可能短，以防止由于引线电感和电容过大而削弱X、Y电容的滤波作用。X、Y电容的容值也要结合不合格的频点选择合适的值。一般情况下，电容值越大，其截止频率会越低。总之，无论采取什么样的措施，都必须要和所测产品的不合格频率点结合起来，才能有效的消除干扰。

4.2 辐射发射的抑制措施

首先采取的措施是滤波。此类产品由于数字脉冲信号的存在，以致辐射发射一般都比较强，可在晶振旁边接旁路滤波电容，且保证晶振接地良好、接地电阻尽可能小。如果条件允许，也可以使用经过扩频的晶振，在保证不影响时钟电路的条件下，使晶振在一个较小的频率范围里发生频偏，单频点的能量被分散，这样整体的辐射就会减小。这种扩频技术实际上就是频率抖动技术，是该技术在矿用监控系统不同元器件上的应用。由于共模电流的存在是导致辐射发射过大的主要因素，因此，还可以在显示屏的电源线和内部各个显示单元之间的信号线上使用铁氧体磁环对高频共模干扰电流进行滤波处理。当然铁氧体磁环的选择要结合其插入损耗随频率变化的曲线选择合适的规格，效果才会好。

其次采取的措施是屏蔽。对于已经成型的显示屏来说，屏蔽是抑制辐射发射的一项重要措施，一般矿用监控系统显示器的前面板是由LED灯组成的显示阵列，因此，对前面板的屏蔽是整机屏蔽效果好坏的关键。建议整个箱体使用金属板材制成，用金属网格屏蔽前面板，即在LED灯的行与行之间，列与列之间使用导电性能较好的金属网格，这样会对整体的辐射发射能量有一定的衰减作用。也可以在箱体的前面板和控制板之间加一个金属屏蔽网格，效果会更好些。箱体里面的各个扫描板之间的信号线尽量使用屏蔽线，且保证其金属屏蔽层能和箱体等电位。

最后采取的措施是接地。要想使箱体具有较好的屏蔽功能，务必确保整个箱体屏蔽外壳和大地等电位。箱体的金属接缝处应尽量保证搭接良好，使搭接电阻尽可能小。特别是箱体的后盖与箱体要尽可能连接紧密，防止由孔缝所引起的二次发射。其次，主控板中晶振的地线也要尽可能独立，避免因共地引起的干扰。主控板和扫描板的地线应尽量宽，最好将地线布成网格状，这样能减小信号的回流面积，有效抑制辐射发射。

5 整改实例

案例1:图3是某矿用监控系统LED显示屏在传导测试中N线不合格的频谱图。

图3 传导N线不合格频谱图

该产品在16.25MHz和21.25MHz处，平均值超过限值，干扰信号呈梳状分布，这是数字脉冲信号的高次谐波干扰的典型症状。查看屏内电路结构，发现主控板中的晶振与信号线共地，且没有对晶振进行滤波处理，从而导致了传导超标。换了一块不同厂家的主控板测试结果合格，如图4所示。

图4 传导N线合格频谱图

案例2:某矿用监控系统LED显示屏在辐射测试时，在天线垂直极化方向超标，如图5所示。整改措施是，在主控板和扫描板之间的信号线和各扫描板之间的信号线上加合适的铁氧体磁环进行滤波，并在显示屏的前面板和主控板之间加金属网格加强屏蔽。整改后，测试结果合格，如图6所示。

图5 辐射不合格频谱图 (天线垂直极化方向)

图6 辐射合格频谱图 (天线垂直极化方向)

案例3:某矿用监控系统LED显示屏在辐射测试时，在天线垂直极化方向超标，如图7所示。

图7 辐射不合格频谱图 (天线垂直极化方向)

该产品在150～170MHz频段超过限值，明显看出曲线在100～200MHz之间背景较高，轻微晃动电源线，干扰信号变化比较明显，因此推断干扰信号是从电源线上辐射出去的。整改措施是，把显示屏的电源线换成带电磁环的电源线。整改后，测试结果合格，如图8所示。

图8 辐射合格频谱图 (天线垂直极化方向)

以上作者所遇到LED电磁兼容超标故障中最频繁的三种情况，还有一种故障是在对LED显示屏做静电抗扰度测试中的空气放电测试时，LED出现乱码或不显示。空气放电测试是通过静电枪击打矿用监控系统外壳的空隙或缝隙，目的是测试静电通过空气媒介对矿用监控系统内部电路的影响。矿用监控系统的空隙一般在LED的安装壳上，键盘、机器外壳的上下壳连接处。

空气放电测试所遇到的一个问题一般和线缆的设计有关。由于LED在上壳体中和下壳中的电路板一般是通过线缆来连接，空气放电测试时出现以上的现象主要是静电电荷通过线缆串扰到LED中，可通过连接线缆的设计来避免。在各个信号之间加上GND或电源线能有效解决此类问题，而且对降低辐射指标也很有效果。理论上最好是能做到每根信号线之间能有一根地线，实在不行，也要做到每两根信号线之间有一根地线，实际处理方法如图9。

图9 LED连接排线实际穿插地线

6 结论

本文介绍矿用监控系统LED显示屏的组成和工作原理，是为了分析可能收到电磁骚扰的部位。开关电源的开断产生的脉冲、晶体振荡器产生的谐波、信号线的排列不符合规则都会对矿用监控系统LED显示屏的所受的电磁干扰。测试案例，分别具体的利用了接地、滤波、屏蔽和改变信号线、电源线与地线的布局来抑制辐射骚扰和传到骚扰。

［1］Johnson H W.High-speed Digital Design［M］.New Jersey:Prentice Hall，1993.51～53.

［2］T.ostermannD，B.Detltschmann，C.Bacher.Influence of the powersupply on the radiated electromagnetic emission of intgrated circuits.Microelectronics Journal［J］，2004.(35):525～530.

［3］Philippe De Doncker.A volume surface potential formulation of the method of moments applied to electromagnetic scattering.Engineering Analysis with Boundary Elements［J］，2003.(27):325～331.

［4］陈淑凤，高攸纲，苏东林等.工程电磁兼容原理、测试、技术工艺及计算机模型［M］.北京:人民邮电出版社，2006.5～7.

［5］钱振宇.3C认证中的电磁兼容测试与对策 ［M］.北京:电子工业出版社，2005.253.

［6］郑军奇.EMC(电磁兼容)设计与测试案例分析［M］.北京:电子工业出版社，2006.312～343.

［7］沙斐.机电一体化系统的电磁兼容技术 ［M］.北京:中国电力出版社，2000.58～62.

［8］高攸纲.屏蔽与接地［M］.北京:北京邮电大学出版社，2004.15～44.

［9］杨士元.电磁屏蔽理论与实践［M］.北京:国防工业出版社，2006.67～75.

［10］Henry W.Ott.Noise Reductiong Techniques In Electronic Systems(Second Edition) ［M］.A Wiley-Interscience Publication，1988.3～7.

［11］诸昌钤.LED显示屏系统原理及工程技术 ［M］.成都:电子科技大学出版社，2000.161～169.

［12］刘萍.电磁干扰排查及故障解决的电磁兼容技术［M］.北京:机械工业出版社，2002.174～180.

［13］Matthys M.Botha.Solving the volume integral equations of electromagnetic scattering.Journal of computational Physics［J］，2006.(218):141～158.