關于4K超大尺寸顯示產品EMI整改論述

吳康 朱良冬

摘 要 有屏消費類電子產品市場發展趨勢，一方面朝向輕薄便攜，另一方面朝向高顯示質量超大尺寸，這兩種發展朝向都會大大增加EMC工程師對產品EMI整改的難度。本文主要從4K分辨率75-120寸超大顯示產品的EMI常見問題切入，給出應重點關注的問題點并加以分析和解決。

關鍵詞 4K分辨率;超大尺寸;顯示產品;EMI整改

引言

隨著我國經濟快速發展，人民生活水平大大提高，居住環境相比過往有了很大改善，因此生活中對于顯示產品需求也在往高畫質高分辨率，超大尺寸發展。而超大尺寸帶屏幕顯示產品意味需要高功率的開關電源板，整機組裝存在更多長信號排線去連接。

開關電源板功率增加，使用元器件的功耗和轉換速率都會相應增加，考慮到成本在板卡設計初就可能存在濾波線路設計不足，甚至缺少參考地。主板復雜的功能需要更多的芯片組去實現，主板上會存在更多時鐘信號走線。

本文基于實際工作測試時發現的問題，給出應重點關注的部分，并對應做出的對策，希望看到本文的EMC工程師獲得一些設計思路，在做超大尺寸顯示產品初期就能控制并杜絕隱患[1]。

1區別于典型測試布置方式

大屏幕產品的長度會超過輻射場地轉盤直徑，因此區別于小尺寸的布置，根據需要制作非導電的支架，采用木質支架臺，支架離地高度保持0.8m，端口外接纜線布置方式與法規要求保持一致，天線測試水平與垂直兩個極性，天線測試高度由1m升至4m。

2開關電源部分問題及整改

2.1 開關電源板使用散熱器的問題

大尺寸顯示產品由于屏幕尺寸及背光的要求，電源板功率通常會用到500W以上的設計，因此使用的開關管的發熱量會大幅增加，造成散熱用金屬件的體積相應增加，實際工作中發現在使用塑膠背殼的時候沒有問題，但在使用金屬背殼的時候卻發生輻射測試超限值的問題。

電源主MOSFET的散熱片接近外殼，外殼如果是金屬的與PE相連，散熱片與金屬殼間存在電容效應，耦合產生共模噪聲，距離越近輻射越嚴重，原先與金屬殼間距1cm出現的問題需要將間距拉倒2cm才能解決。

2.2 開關電源板設計問題

大尺寸屏幕產品要求開關電源板功率會超過400W以上，一般獨立進行設計沒有標準線路參考，設計時只考慮最小成本，造成剛開發打板的板卡輻射效果會很糟糕。如圖2所示為一款98寸大屏4K顯示產品低頻輻射測試數據在天線水平和垂直極性都嚴重超標[2]。

整改針對了LLC和PFC部分，主板兩個LLC的整個都要加磁珠，PFC的MOS管“D”極增加磁珠，同時PFC的MOS需要改成平面MOS，這兩塊改善后前段30MHz-50MHz電源包絡還是很高，區別于通常接電只有火線零線的設計，將輸入插座2pin改為3pin，增加了地pin，目的是增加Y電容的上限值將Y電容由原來的的220pF改為1nF，整體壓低電源線的共模雜訊。

3整機主板需要注意問題

出于性價比考慮目前主板常見搭配的還是DDR3的內存顆粒與芯片進行數據通信，DDR3內存顆粒與主芯片通信的時鐘信號需要非常謹慎處理，一般layout建議可能只有注意走線長度，間距等，實際測試發現由于存在芯片上方散熱器的問題，多層板走線時一定要將CLK信號線走在PCB板內層，不注意在PCB Top層走線后與上方覆蓋的散熱片會形成非常嚴重的天線效應，結果往往需要改版才能解決問題，浪費大量人力物力。

圖4所示就是一塊內存時鐘信號走線在Top層，測試出現問題的主板，在天線水平極性頻率點979MHz出現嚴重超標問題。

主板搭配整機初掃數據，頻率點超限值8dB多，針對時鐘信號超標的EMI整改一般處理方式就兩種，一種最簡單最節省時間的方法就是通過軟件打開時鐘信號的展頻現如今最為先進有效的EMI抑制手段，對于峰值測量有很好的效果。展頻原理簡單描述是將單頻率點的能量分散開至某一個展頻范圍內的能量，從而降低單點的峰值能量[3]。

但是本文中案例原先主板芯片采用了廉價的不能開展頻的方案而且在硬件設計時候沒有預留任何對策，在這種情況下不進行小改版根本無法解決這個問題頻率點。后續針對layout走線不做大改動的要求下，采用另外一種方式就是芯片上方散熱片多點接地去解決問題點。

如圖5所示在PCB的TOP層，尋找盡可能多的GND shape，在大小合適的GND shape上裸銅，目的是后續可以采用高度合適的SMT泡棉搭接散熱片，使散熱片多點接地衰弱散熱片產生的輻射天線效應。

出于盡可能節省成本的考慮，期間還對接地點位置和數量進行了不同的組合及測試，由于篇幅有限不進行詳細的描述了，就分享圖6所示接地點四個和八個的不同測試結果。

四點接地能解決問題點979MHz的超限值問題，但是通過反復試驗只有在預留八個接地點都與芯片上方散熱片搭接的情況下才有穩定6dB以上的余量[4]。

4結束語

通過以上工作實例，在對4K超大尺寸顯示產品EMI整改時，主要需要注意開關電源板和主板這兩塊，電源板在設計初必須對LLC和PFC這兩塊預留足夠的濾波電路，其次就是散熱金屬塊，散熱塊盡量不要采用易產生輻射的形狀，嚴格控制散熱金屬塊的高度避免在采用金屬機殼造成難以挽回的輻射耦合問題。主板的設計在滿足功能要求的情況下盡量采用能夠開展頻的芯片組方案，可以在出現問題時依靠軟件來解決省時省成本，但為了保證后續EMI測試萬無一失，必要的硬件對策也要預留，嘗試預留時鐘信號線的RC濾波電路，在有散熱片的設計結構時必須采用多點接地的方式，注意以上問題點相信在產品整改時能大大減少投入的精力和時間。

參考文獻

[1] 蒙特羅斯.電磁兼容和印刷電路板：理論、設計和布線[M].北京：人民郵電出版社，2002：269.

[2] ?國榮.電磁干擾及控制[M].北京：電子工業出版社，2003：177.

[3] （美）曼特羅斯（Montrose M.I.）.電磁兼容的印制電路板設計[M].北京：機械工業出版社，2008：57.

[4] （美）保羅（Paul C.R.）.電磁兼容導論[M].北京：人民郵電出版社，2007：69.