基于信號完整性的LCDs抗電磁干擾性能提升

孫艷生， 雷嗣軍， 高 亮， 高賢永， 張 智, 陸 旭，侯 帥，馬 韜， 余 強， 耿玉旭， 張 英

(重慶京東方光電科技有限公司，重慶 400714)

1 引 言

在信息時代，電子設備迅猛發展給人們帶來巨大方便，但同時導致諸多負面效應，如電磁環境污染和電磁干擾等。液晶顯示面板(LCDs)作為主流顯示器件，廣泛應用于各種顯示設備，如電視、筆記本及手機等。隨著用戶對顯示質量的要求(分辨率和畫面質量)日益提高，導致液晶面板所需信號傳輸數量和速率成倍增加，對信號傳輸質量提出更為嚴苛的要求[1]。另外，隨著信息技術快速發展及各種電子設備廣泛應用，且現有電子設備工作頻率越來越高，頻帶越來越寬，功率日漸增大，顯示設備所處的電磁環境日益復雜。 因此，關于顯示系統的電磁兼容與防護已成為保障其在復雜電磁環境下發揮正常性能的關鍵因素，如何提高液晶顯示設備在復雜電磁環境下的抗干擾能力已引起廣泛關注[2]。

目前廣泛應用的液晶面板，其源極驅動器一般采用芯片綁定玻璃封裝(Chip on Glass，COG)、高速信號經印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)及柔性印刷傳輸電路(Flexible Printed Circuit，FPC)等不同介質，最終傳輸到液晶模組進行顯示。由于高速信號傳輸通過不同傳輸介質時，信號抗干擾能力會減弱，當受到電磁干擾時，導致信號傳輸被干擾出現畫面異常[3]。例如，當將處于通話狀態的手機天線端緊靠顯示屏上，則顯示畫面出現異常。本文針對現有LCDs抗電磁干擾能力較差的現狀，分別從信號傳輸品質增強和電磁屏蔽材料開發兩方面進行研究，為提高LCDs抗電磁干擾和電磁兼容能力等提供有效參考。

2 LCDs電磁干擾顯示不良及機理分析

2.1 LCDs電磁干擾顯示異常

高速信號傳輸中，信號以電磁波形式進行傳導。當兩高速信號在很小物理空間內同時傳播時，信號通過電磁場發生串擾[4]。實際應用中，通話狀態下的手機靠近顯示面板時，由于手機信號發射功率較大，手機信號會對液晶面板信號傳輸產生干擾，導致畫面異常。

為提高顯示設備在復雜電磁干擾下的抗干擾能力，在整機測試規范中，采用發出不同頻段(覆蓋2 G～4 G頻段)和功率(30～33 dBm)信號的手機緊靠液晶面板進行測試，測量設備使用通用無線通信測試儀(CMW 500)，使用通信設備與手機通信。測試方法為：將處于通話狀態下的手機，對整機屏幕正面、背面、系統邊框及鍵盤進行全方位掃描測試，具體測試頻段及功率見表1。

表1 2G/4G手機信號主要頻段Tab.1 2G/4G mobile phone main band

2.2 機理分析

液晶顯示模組驅動電路信號傳輸中，時序控制器(T-CON)與源極驅動器(Source Driver)間有多種信號接口協議，如簡化低壓差分信號傳輸(Mini-LVDS)和點對點信號傳輸(Point to Point)等，其傳輸速率及適用產品對比見表2。 產品設計時，通常會綜合考慮不同產品需求，選擇對應傳輸接口協議及傳輸速度。 簡化低壓差分信號傳輸特點在于其時鐘外置，傳輸速率低，具有較高抗干擾能力。而點對點信號傳輸特點為時鐘內置且傳輸速率與全球移動通信系統(GSM)網絡頻率相近，易與手機信號發生信號串擾，導致出現顯示異常。

表2 簡化低壓信號傳輸及點對點信號傳輸對比Tab.2 Comparison of mini-LVDS and point to point

說明：傳輸接口選擇需兼容客戶需求

隨著手機廣泛應用(手機網絡狀態下為4 G信號，通話狀態為2 G信號)，當手機與點對點協議顯示設備在較小空間內同時使用，則會發生信號串擾，影響液晶面板內顯示數據傳輸，導致顯示異常。關于信號傳輸質量，可通過測量信號眼圖進行比較。由圖1可知，在電磁干擾下，眼圖已完全閉合，數據信號無法正常傳輸接收，對應畫面出現顯示異常。

圖1 正常(a)、異常(b)顯示下眼圖示意圖。Fig.1 Eye pattern under different electromagnetic interference. (a)Normal;(b)Abnormal.

3 LCDs 抗干擾能力提升改善

圖2 信號傳輸原理圖Fig.2 Schematic diagram of signal transmission

本文分別從發射端、接收端和信號傳輸3方面提升LCDs抗電磁干擾能力。圖2為信號發射端和接收端基本原理圖。基于信號傳輸理論，對于發射端：開關1 (SW1)、開關2 (SW2)、開關3(SW3)、及開關4 (SW4)的開和關，控制發射端電流(ITX)流動方向，且其開關速率影響發射端電壓壓擺率(Slew Rate)。實際應用中，可分別調整電流大小和開關速率調節發射端擺動電平(Swing Level)和壓擺率。對于接收端(RX)，通過調節接收端偏置電阻進而調整偏置電流(IRX)，調節電容(C1)及電阻(R1)調整均衡器性能(Equalizer)，調節電阻實現終端電阻匹配。

3.1 自適應信號品質增強模型

原設計方案，發射端和接收端數據傳輸參數(如擺動電平, 壓擺率, 傳輸特性阻抗，均衡器等)均為固定值，導致其外圍信號受干擾時不能動態響應增強抗干擾能力[5]。本文基于發射端和接收端信號品質增強方法，提出自適應信號品質增強模型(圖3)。該模型原理為：當傳輸信號受到外界干擾時，接收端(Driver IC)無法鎖定傳輸信號時，傳輸信號無法正常識別讀取，出現信號失鎖。此時，接收端(Driver IC)會與時序控制器 (T-CON) 通訊，激發時序控制器(T-CON)增加發射端傳輸信號的擺動電平和壓擺率等參數，使傳輸信號抗干擾能力增加。同時，接收端會微調自身匹配電阻和均衡器, 提高接收端對信號識別能力。通過上述方法，最終使接收端可在電磁干擾下正常識別信號，達到最終正常顯示的目的[6]。

圖3 自適應信號品質增強模型原理圖Fig.3 Flowchart of adaptive signal quality enhancement model

在該響應機制中，固定時間后，空白區間內(該區間信號錯誤不會影響顯示)，發射端和接收端均恢復干擾前原始參數設定，通過確認接收端信號是否失鎖確認干擾是否消失。若信號可正常鎖定，則干擾消除，發射端和接收端均保持未受干擾時的參數設定；若信號依然失鎖，則判定干擾仍存在，則恢復干擾時最佳設定。重復上述操作，直到干擾消失。

經多款產品實測確認，采用自適應信號品質增強對策，可有效提高LCDs抗電磁干擾和電磁兼容能力，其抗干擾能力提升約6～8 dB。以14.0產品為例，其受干擾前后及自適應信號品質增強后，其眼圖高度變化如圖4所示，眼圖中間藍色區域不被干擾情況下，即可被后端準確識別。由圖4可知，其在未受電磁干擾正常工作狀態下眼圖高度為315.8 mV；當受到電磁干擾后(寫出電磁干擾的頻率和強度)，由于數據信號波動劇烈，導致眼圖高度迅速衰減為47.62 mV。若未采用自適應信號品質增強方法，則畫面顯示出現圖1中嚴重花屏，顯示異常，無法正常適用；若已采用自適應信號品質增強方法，則發射端和接收端會先后動態響應，發射端調整擺動電平和壓擺率，待參數確定后，接收端確定最優的匹配電阻及均衡器參數，使其在電子干擾下可顯示正常。由眼圖測試結果可知，當發射端和接收端最終優化參數后，在電子干擾情況下，盡管數據信號波動仍存在，但有效眼圖高度為387.4 mV，可保證顯示正常。

圖4 14.0產品眼高變化Fig.4 Eye pattern optimization of 14.0 product

3.2 抗干擾能力提升

3.2.1 信號傳輸路徑優化

LCDs數據信號傳輸路徑為：印刷電路板(PCB)-柔性印刷傳輸電路(FPC)-顯示面板。基于信號傳輸理論，信號在不連續位置如不同介質連接處，會發生反射形成駐波，導致信號品質降低，增加識別失鎖風險。產品設計時，需針對PCB和 FPC優化走線，以保證走線連續不突變[7]。具體方法：調整差分線線寬、線距和銅箔厚度，針對參考地間的介質材料及厚度設計進行綜合考量，減小差分線阻抗突變，盡可能保證阻抗匹配，減少信號在傳輸線上的衰減。另外，差分線接入端時需進行“八字型走線”，走線改變方向時，應保證135°轉角。

圖5 14.0 PCB走線優化仿真對比。(a) 優化前；(b) 優化后。Fig.5 Electromagnetic simulation comparison before(a) and after(b) PCB layout optimization

另外，由于LCDs中數字信號為差分線傳輸，若兩層對傳輸線非對稱等阻抗受到干擾時，干擾波動不一致，增加信號識別難度。產品設計時，需遵循對稱阻抗設計規則，使差分線傳輸信號受到干擾時可相互抵消，保證接收端可正常接收數據。同時，由于接孔處較難進行阻抗匹配，且此處阻抗偏低，因此，差分線應盡量少穿層且孔應盡量小[8]。

同時，為增加本身屏蔽性能，走線設計時，通過在差分線同層兩側增加地孔，且在需要穿層的過孔兩層處增加地孔，可將干擾電磁波耦合接地，增強屏蔽性能和抗干擾能力[9]。當信號通過過孔時，由于阻抗不連續，發生反射，造成電磁干擾。當有接地過孔做參考時，可增強此處信號完整性。以14.0產品為研究對象，基于有限元仿真建模，參考其PCB和FPC走線，研究地孔優化對抗干擾能力影響，對比結果見圖5。該產品電路設計已采用業界走線連續不突變和對稱阻抗設計標準走線設計，但電磁兼容測試畫面仍顯示異常。基于仿真結果可知：如圖5(a)所示，可知系統中抗干擾能力最弱位置為FPC和PCB連接位置，其主要原因為該處阻抗不匹配。為進一步增強產品本身抗干擾能力，在走線時增加地孔，經仿真對比，其最熱點磁場強度由40 V/m減小至36.52 V/m。基于14.0產品實測驗證：PCB按照上述對策走線優化后抗干擾能力提升2 dB。

3.2.2 復合結構型電磁屏蔽材料(導電布&吸波材料)

除優化電路選型和電子元件布局提高抗電磁干擾能力外，采用電磁屏蔽材料提高系統抗干擾能力為業界較為常用的方法，電磁屏蔽材料優點在于不僅防止外界電磁場干擾，且不影響其他設備工作[10]，金屬材料如鋁箔膠帶(高電導率&塑性變形好), 廣泛應用于LCDs產品電磁屏蔽。隨著LCDs產品向超薄超窄邊框發展且無線電子設備廣泛應用所帶來的電磁干擾，對電磁屏蔽材料提出更高需求，如薄型化(0.03～0.05 mm)、柔性化(可彎折適應產品形態)、寬頻段(2 G～4 G)及強吸收，因此開發專門適用于LCDs產品的高性能復合結構型電磁屏蔽材料已成為解決電磁波污染的發展方向[11-12]。

屏蔽材料作用主要屏蔽外部信號對顯示信號傳輸的干擾，基于結構型吸波材料研究進展，確定該新型材料結構組成為：外側為透波層，主要由導電纖維組成；內側為吸波層，主要由吸波材料組成。該結構設計主要原理如下：(1) 基于電磁屏蔽理論，透波層首先讓電磁波最大限度地進入屏蔽材料內部，主要通過多種纖維在多個方向的混雜排布，使材料表面輸入波阻抗和自由空間波阻抗匹配，盡量減少入射波的反射。吸波層，主要利用吸波材料形成微波暗室，把進入內部的電磁波轉化為熱能或其他形式能量進行消耗，使微波阻抗從空氣到吸波材料底端逐漸衰減，達到良好的吸波性能[13]；(2) 基于產品信賴性和可靠性考慮，吸波層主要由磁粉和聚合物混合壓合而成，材料特性偏脆性，彎折后易形成裂紋。另外，在高溫高濕嚴苛環境下，吸波粒子聚合物易發生脫落，影響產品性能。

透波層選型：單一介質單層材料，由于電磁參數調整范圍較小，較難在寬頻率范圍內同時滿足阻抗匹配和強吸收。本文在分別測試鋁箔、銅箔及不同類型鎳鐵導電纖維基礎上，最終確定3層接結鎳鐵導電纖維構成的導電布作為復合結構型吸波材料的透波層。經實測可知，3層接結空心導電纖維構成導電布，由于本身具有立體結構特征，電磁波入射后通過復雜反射、透射和折射，形成了多次吸收和衰減，具有優異的吸波性能。另外，其本身單位體積中儲存的磁能較高，介電損耗吸收較強，磁導率較高，電阻率較低，在外界交變電磁場作用下，可將電磁波的部分能量轉變為熱能消耗掉[14-15]。

吸波層選型：由表1和表2對比，在手機通話狀態(即2 G信號頻段)， LCDs 點對點接口傳輸速率與手機移動通信系統(GSM)網絡頻率相近，易與手機信號發生信號串擾，因此，吸波材料選型主要基于2 G測試頻段進行選擇。

將上述結構型吸波材料導入模型進行電磁仿真，仿真結果見圖6，可知，3層接結空心結構0.03 mm導電布與0.03 mm吸波材料復合，電磁干擾的最熱點磁場強度由40 V/m減小至34.29 V/m。結合產品實測，抗干擾能力由25 dB提升到33 dB。

本文根據電磁仿真和實測，并結合導電織物優異的導電柔性性能和吸波材料強大的電磁屏蔽性能等優點，驗證開發了可用于LCDs產品的復合電磁屏蔽材料，為開發高效、輕質、柔性導電織物基電磁屏蔽材料提供了新的設計思路。

圖6 相同厚度普通鋁箔(a)和復合屏蔽材料(b)電磁仿真對比Fig.6 Electromagnetic simulation comparison before(a) and after(b) EMI shielding materials

5 結 論

本文針對電磁干擾下LCDs顯示異常問題，基于信號傳輸完整性理論，提出了基于自適應信號品質增強模型、信號傳輸路徑優化和LCDs專用復合結構型吸波材料3種方法，提高LCDs 電磁兼容，并分別基于電磁仿真和產品實測對上述改善對策進行驗證。仿真和實測結果表明：采用自適應信號品質增強模型和信號傳輸路徑優化，在無需使用復合結構型吸波材料基礎上，產品抗干擾能力提升6～8 dB,可滿足客戶端電磁抗干擾能力的測試要求。另外，針對未采用自適應信號品質增強模型和信號傳輸路徑優化方法，通過使用復合結構型吸波材料，產品抗干擾能力提升8～10 dB。