礦用監控系統LED顯示屏的電磁兼容性研究

劉志剛 武 韓

(1.西南林業大學計算機與信息學院，云南昆明 650224;2.武漢理工大學，湖北武漢 430070;3.國家電子計算機質量監督檢驗中心電磁兼容實驗室，北京 100083)

1 引言

點陣發光二極管 (LED)顯示屏是礦用監控系統應用最多的一種顯示屏。無論是在國家強制檢驗機構的抽檢或礦用監控系統廠商的委托檢驗中，作者發現因為LED顯示屏干擾超標，而導致產品上市周期延長或者被政府勒令收回已經售出的產品，責成整改，給生產企業和礦用監控系統應用客戶都帶來了諸多不便。為此，作者專門對礦用監控系統LED顯示屏的電磁兼容性進行了研究，取得的經驗曾幫助很多產品通過檢驗，希望本文能對廠商后續的產品質量控制有一定的作用。

2 礦用監控系統LED顯示屏的組成和工作原理

礦用監控系統LED顯示屏主要是由主控制器、掃描板、顯示控制單元、電源和LED顯示屏體幾部分組成。其基本工作原理如圖1所示。

圖1 礦用監控系統LED顯示屏的結構

主控制器從計算機的顯卡獲取一屏各象素的各色亮度數據，然后分配給若干掃描板，每塊掃描板負責控制LED顯示屏上的若干行 (列)，而每一行(列)上的LED顯示信號則用串行方式通過本行的各個顯示控制單元級聯傳輸，每個顯示控制單元直接面向LED顯示屏體。

掃描板起著承上啟下的作用，它一方面接收主板的控制信號，另一方面，它把屬于本級的數據傳輸給自己的各個顯示控制單元，同時還把不屬于本級的數據向下一個級聯的掃描板傳輸，如圖2所示。

圖2 掃描板工作原理圖

3 礦用監控系統LED顯示屏的電磁干擾分析

礦用監控系統LED顯示屏的電磁干擾主要由以下幾個因素造成:

(1)開關電源產生的電磁干擾。礦用監控系統LED顯示屏絕大多數都用的是開關電源，然而在開關電源的開關管導通瞬間，變壓器初級線圈會產生很大的涌流，并在初級線圈兩端出現較高的浪涌尖峰電壓;在開關斷開瞬間，由于初級線圈的漏磁通，致使一部分能量沒有從一次線圈傳輸到二次線圈，儲藏在漏感中的這部分能量將和開關本身的極間電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩，疊加在開關管的關斷電壓上，形成關尖峰電壓。這個干擾信號會傳導到輸入輸出端，形成傳導干擾。其次，高頻變壓器初級線圈，開關管和濾波電容構成的高頻開關電流環路也可能產生較大的空間輻射，形成輻射干擾。關于此類干擾在本章第一節已經詳細敘述，在此不再展開具體的論述。

(2)顯示屏本身的晶振造成的干擾。晶振主要是為顯示系統提供一個基準頻率，它所產生的周期脈沖信號的高次諧波是一種干擾信號。這種干擾信號會通過各種方式耦合到屏內的線纜上，進而以差?；蚬材７绞叫纬奢椛浠蛘邆鲗Ц蓴_。隨著科技的發展，顯示屏的刷新速率會越來越高，晶振的基準頻率也隨之變高，由晶振引起的高次諧波干擾就更強。

(3)由于顯示屏內信號線和電源線排列較密，干擾信號也會在屏內線纜之間相互耦合，最終輻射到空間或者通過電源線傳導出去，形成干擾。

4 礦用監控系統LED顯示屏電磁干擾的整改措施

4.1 傳導干擾分析及抑制措施

礦用監控系統LED顯示屏的電源對此項測試影響較大，電源本身性能的好壞直接關系到本指標是否合格。有時也存在電源單獨做電磁兼容試驗是合格的，一旦裝到整機時，由于整機中其他部件在某個頻點具有較強的干擾信號，電源的濾波單元無法完全濾除該干擾信號，從而導致傳導測試結果的超標。對于電源端子騷擾電壓的超標，主要應從以下幾種途徑解決。

首先，排除電源因素的干擾，在條件允許的情況下可將電源單獨取出，連接額定純阻性負載進行試驗。如果發現原超標頻點沒有了，說明該頻率點的騷擾來源于主控板。此時，應把重點放在主控板的濾波上，主控板中主要的干擾源是晶振，應該對晶振進行良好的濾波和接地;其次，晶振也是輻射發射測試項目超標的一個主要因素。檢查主控板中晶振和信號線接地、電源接地是否良好，在保證這幾點都完好的情況下，如果傳導測試仍不合格，說明干擾信號的確很強，此時可在電源的輸入端加整件濾波器或X、Y電容，加強電源的濾波作用。值得注意的是，濾波器選擇時，應關注濾波器不同頻率的插入損耗情況，還要根據源阻抗和負載阻抗的高低，選擇合適的濾波電路，其對應關系見表1。

表1 濾波器結構與源阻抗和負載阻抗對應關系

濾波器安裝時，要確保濾波器接地良好，這樣才能保證濾波器對差模和共模干擾信號應有的抑制作用不被減小。若需要安裝X、Y電容，應注意，X、Y電容引線應盡可能短，以防止由于引線電感和電容過大而削弱X、Y電容的濾波作用。X、Y電容的容值也要結合不合格的頻點選擇合適的值。一般情況下，電容值越大，其截止頻率會越低。總之，無論采取什么樣的措施，都必須要和所測產品的不合格頻率點結合起來，才能有效的消除干擾。

4.2 輻射發射的抑制措施

首先采取的措施是濾波。此類產品由于數字脈沖信號的存在，以致輻射發射一般都比較強，可在晶振旁邊接旁路濾波電容，且保證晶振接地良好、接地電阻盡可能小。如果條件允許，也可以使用經過擴頻的晶振，在保證不影響時鐘電路的條件下，使晶振在一個較小的頻率范圍里發生頻偏，單頻點的能量被分散，這樣整體的輻射就會減小。這種擴頻技術實際上就是頻率抖動技術，是該技術在礦用監控系統不同元器件上的應用。由于共模電流的存在是導致輻射發射過大的主要因素，因此，還可以在顯示屏的電源線和內部各個顯示單元之間的信號線上使用鐵氧體磁環對高頻共模干擾電流進行濾波處理。當然鐵氧體磁環的選擇要結合其插入損耗隨頻率變化的曲線選擇合適的規格，效果才會好。

其次采取的措施是屏蔽。對于已經成型的顯示屏來說，屏蔽是抑制輻射發射的一項重要措施，一般礦用監控系統顯示器的前面板是由LED燈組成的顯示陣列，因此，對前面板的屏蔽是整機屏蔽效果好壞的關鍵。建議整個箱體使用金屬板材制成，用金屬網格屏蔽前面板，即在LED燈的行與行之間，列與列之間使用導電性能較好的金屬網格，這樣會對整體的輻射發射能量有一定的衰減作用。也可以在箱體的前面板和控制板之間加一個金屬屏蔽網格，效果會更好些。箱體里面的各個掃描板之間的信號線盡量使用屏蔽線，且保證其金屬屏蔽層能和箱體等電位。

最后采取的措施是接地。要想使箱體具有較好的屏蔽功能，務必確保整個箱體屏蔽外殼和大地等電位。箱體的金屬接縫處應盡量保證搭接良好，使搭接電阻盡可能小。特別是箱體的后蓋與箱體要盡可能連接緊密，防止由孔縫所引起的二次發射。其次，主控板中晶振的地線也要盡可能獨立，避免因共地引起的干擾。主控板和掃描板的地線應盡量寬，最好將地線布成網格狀，這樣能減小信號的回流面積，有效抑制輻射發射。

5 整改實例

案例1:圖3是某礦用監控系統LED顯示屏在傳導測試中N線不合格的頻譜圖。

圖3 傳導N線不合格頻譜圖

該產品在16.25MHz和21.25MHz處，平均值超過限值，干擾信號呈梳狀分布，這是數字脈沖信號的高次諧波干擾的典型癥狀。查看屏內電路結構，發現主控板中的晶振與信號線共地，且沒有對晶振進行濾波處理，從而導致了傳導超標。換了一塊不同廠家的主控板測試結果合格，如圖4所示。

圖4 傳導N線合格頻譜圖

案例2:某礦用監控系統LED顯示屏在輻射測試時，在天線垂直極化方向超標，如圖5所示。整改措施是，在主控板和掃描板之間的信號線和各掃描板之間的信號線上加合適的鐵氧體磁環進行濾波，并在顯示屏的前面板和主控板之間加金屬網格加強屏蔽。整改后，測試結果合格，如圖6所示。

圖5 輻射不合格頻譜圖 (天線垂直極化方向)

圖6 輻射合格頻譜圖 (天線垂直極化方向)

案例3:某礦用監控系統LED顯示屏在輻射測試時，在天線垂直極化方向超標，如圖7所示。

圖7 輻射不合格頻譜圖 (天線垂直極化方向)

該產品在150～170MHz頻段超過限值，明顯看出曲線在100～200MHz之間背景較高，輕微晃動電源線，干擾信號變化比較明顯，因此推斷干擾信號是從電源線上輻射出去的。整改措施是，把顯示屏的電源線換成帶電磁環的電源線。整改后，測試結果合格，如圖8所示。

圖8 輻射合格頻譜圖 (天線垂直極化方向)

以上作者所遇到LED電磁兼容超標故障中最頻繁的三種情況，還有一種故障是在對LED顯示屏做靜電抗擾度測試中的空氣放電測試時，LED出現亂碼或不顯示。空氣放電測試是通過靜電槍擊打礦用監控系統外殼的空隙或縫隙，目的是測試靜電通過空氣媒介對礦用監控系統內部電路的影響。礦用監控系統的空隙一般在LED的安裝殼上，鍵盤、機器外殼的上下殼連接處。

空氣放電測試所遇到的一個問題一般和線纜的設計有關。由于LED在上殼體中和下殼中的電路板一般是通過線纜來連接，空氣放電測試時出現以上的現象主要是靜電電荷通過線纜串擾到LED中，可通過連接線纜的設計來避免。在各個信號之間加上GND或電源線能有效解決此類問題，而且對降低輻射指標也很有效果。理論上最好是能做到每根信號線之間能有一根地線，實在不行，也要做到每兩根信號線之間有一根地線，實際處理方法如圖9。

圖9 LED連接排線實際穿插地線

6 結論

本文介紹礦用監控系統LED顯示屏的組成和工作原理，是為了分析可能收到電磁騷擾的部位。開關電源的開斷產生的脈沖、晶體振蕩器產生的諧波、信號線的排列不符合規則都會對礦用監控系統LED顯示屏的所受的電磁干擾。測試案例，分別具體的利用了接地、濾波、屏蔽和改變信號線、電源線與地線的布局來抑制輻射騷擾和傳到騷擾。

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