新型显示产品的抗近场辐射骚扰研究.pdf

技术专栏692023 年第 3 期 安全与电磁兼容0引言视觉是人类获取信息的重要途径，显示技术的发展让人类通过视觉获取到的信息呈几何级数增长。在数字化和智能化的时代背景下，凭借着新型显示技术的高解析度、低能耗、更清晰、更轻薄等优势，以 OLED、mini LED、Micro-LED 为典型代表的新型显示产品不断涌现，笔记本行业也越来越多的使用了新型显示技术。与此同时，无线通信技术高速发展，电子产品越来越多的暴露在 WiFi、蓝牙、RFID 等近距离无线通信中，使得近距离电磁辐射骚扰情况日益增加。传统的显示技术采用光学调制技术，结构复杂，以OLED 和 micro-LED 为代表的新型显示技术自发光，结构更简单、更薄、更轻。同时由于像素级的控制，需要驱动的单元数量较多，芯片的集成数量剧增1。元器件集成复杂度不断增加，使芯片等关键器件的噪声电压裕量和失效场强大幅降低，电磁敏感问题出现的概率不断增加2-3。从终端用户来看，集成芯片是一个黑匣子，由于芯片相关技术的高度保密特性，芯片厂商给用户提供的相关信息非常少，系统端很难建立准确的模型去研摘 要：针对新型显示产品越来越容易受到近场辐射骚扰的情况，介绍了近场辐射骚扰检测方法，分析了其干扰机理，并以笔记本电脑为例，介绍新型显示产品抗近场辐射骚扰的设计和整改思路。通过合理的设计，增强产品的抗干扰能力，供新型显示产品抗近场辐射的设计参考和借鉴，可少走弯路，节省企业研发成本，促进新型显示行业的发展。关键词：近距离；新型显示；辐射骚扰引用格式:丁燕，姚胜，邹学文,等.新型显示产品的抗近场辐射骚扰研究 J.安全与电磁兼容,2023(3):69-72，76.DingYan,YaoSheng,ZouXuewen,etal.TheResearchofNewDisplayProductsImmunitytoCloseProximityRadiatedDisturbanceJ.SAFETY&EMC,2023(3):69-72,76.(inChinese)Abstract：Inresponsetotheincreasingsusceptibilityofnewdisplayproductstocloseproximityradiofrequencyinterference,thisarticlestudiescloseproximityradiationinterferenceofnewdisplayproductsandthetestmethodofcloseproximityradiofrequencyinterferenceisintroduced,andtheinterferencemechanismisalsoanalyzed,andthedesignprinciplesforanti-near-fieldradiationinterferenceareclarified.Thisarticletakesnotebookforexampletointroducethedesignanddebugideasofcloseproximityradiationinterferenceofnewdisplayproducts.Enhancetheanti-interferencecapabilityoftheproductthroughrationaldesign,whichcansupplyreferencefortheimmunitydesignofcloseproximityradiofrequencyinterferencefornewdisplayproducts,avoidingdetours.Theresearchcansaveresearchcostsandpromotethedevelopmentofthenewdisplayindustry.Keywords：closeproximity;newdisplayproducts;radiateddisturbance新型显示产品的抗近场辐射骚扰研究TheResearchofNewDisplayProductsImmunitytoCloseProximityRadiatedDisturbance合肥联宝信息技术有限公司 丁燕 姚胜 邹学文 马建旺 阮武 翟连俊究，即使针对问题点进行更改也很难操作，这给系统级改进增加了很大困难。另外，新型显示技术数据传输速率比传统 LCD 模块的传输数据显著提升，这使得新型显示产品更加敏感，更容易受到手机、WiFi 等信号的干扰，新型显示产品的抗扰能力面临新的挑战。因此，研究新型显示产品的抗近场辐射干扰是有必要的。本文以笔记本电脑为例，介绍新型显示产品抗近场辐射骚扰的设计和整改思路。1近场辐射骚扰检测方法及机理分析传统的射频辐射骚扰测试主要参考 IEC 61000-4-3:2020，在远场的条件下进行。近年来无线技术的发展，越来越迫切的需要提高电子产品的抗近场辐射骚扰能力，对近场辐射骚扰检测方法的研究也越来越重视，不同单位做法不同，有些用手机拨号产生的干扰测试对产品造成的影响，有些用手持式发射器在特定的频率点模拟近距离射频干扰。2017 年，IEC 制定了近距离辐射抗扰度测试基础标准IEC 61000-4-39:2017，该标准采用一种新型天线，在一定的距离内可以产生一定面Technical Column70SAFETY&EMC No.3 2023积的均匀场，对于小尺寸的产品来说可以提高测试效 率4。产品之所以受到近场辐射的干扰，主要是共模噪声干扰产品的内部电路。近场辐射干扰由手机或类似发射天线对产品发射，此时产品电路主板上的很多信号线和地线都有可能成为接收天线，使得干扰噪声耦合到产品电路中产生感应电压。当电路是非平衡电路时，信号线和地线之间的阻抗不一样，辐射干扰会在信号线和地线之间产生电压差，如果信号线和地线之间没有电容，这个电压就会直接作用在信号线所连接的芯片管脚和地之间，共模转换成差模，从而干扰电路，影响产品的正常使用；如果信号线和地线之间存在电容，大部分干扰噪声就会通过电容从信号线流向地线。这样，干扰噪声通过电容从旁路芯片管脚流出，从而保护了内部电路，增强产品的抗干扰能力。由于信号线与信号地线形成的回路面积很小，所以噪声电压主要是共模电压。图 1 以单端信号为例，由于地阻抗 Z0V的存在，流过地线的干扰电流会产生一个电压 Vcm,这个电压会叠加在原本的信号传输电压 VS上，这样，后级芯片 IC2 接收到的电压就是 VS+Vcm，这就是共模转变为差模所造成的干扰，当噪声电压超过了后级芯片的阈值电压时，就会影响 IC2 的性能。流到地线的干扰噪声会通过一些接地线、与地连接的线缆和大地间的分布电容等路径流到大地上，最终回到干扰噪声的源头，这就是干扰电流的整个环路。通过硬件或其它方式旁路噪声，减少干扰噪声就可提高产品的近场辐射抗干扰能力。2新型显示产品抗近场辐射骚扰设计电磁兼容（EMC）的设计原则是通过合理的设计工作地，使有害共模电流不流向产品内部电路，而使其流向结构地；如果无法避免共模电流进入产品电路时，通过合理的对策，达到保护产品内部电路的目的，使产品符合要求5-7。对于新型显示产品来说同样适用，由于新型显示技术的特殊性，又需要在设计时充分考虑实际的场景，具体问题具体分析。以下将通过几个方面介绍抗近场辐射骚扰的若干设计原则。2.1 结构设计2.1.1 电整体性与电连续性设计电路中的信号以电流的形式循环流动，不管是有用信号还是干扰信号，最终都会回流到信号的参考端，所以选择合适的接地点可很好地控制干扰电流的流向。对于笔记本电脑来说，将干扰信号在进入内部电路之前通过接地设计导入大地，使干扰电流在接口处返回参考地而不进入内部电路，避免内部电路受到干扰。笔记本电脑根据四个外表面分为四件，如图 2 所示。A 件是笔记本电脑合起来最上面的一面，B 件主要包括图1 单端信号共模干扰机理分析图2 笔记本系统内部接地框架图技术专栏712023 年第 3 期 安全与电磁兼容屏及屏相关的小板和线缆，C 件主要包括键盘及其支撑件，中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）所在的主板和输入和输出（IO）小板通过螺丝锁在 C 件上，D 件是笔记本电脑的底壳。B 件屏通过导电泡棉和 A 件结构地搭接，同时通过线缆与屏端小板（主要由时序控制芯片、数据驱动电路及其他线路组成的小板）地导通，屏端小板通过导电泡棉搭接到 A 件结构地或屏的结构地上，A 件通过导电布搭接至转轴，转轴连接 C 件结构地，从而实现 A 件、B 件和 C 件的导通；主板和小板通过螺丝与 C 件、D 件结构地连通，并且 IO 口通过弹片或泡棉和 C 件、D 件搭接。四件的结构地连成整体，大部分干扰噪声在 IO 口流向结构地，减少流向内部电路的机会，干扰噪声最终回流到大地，从而增强系统的抗干扰能力。新型显示屏很薄，A 件、B 件之间的间隙很小，而导电泡棉一般较厚，所以通常会使用铝箔或铜箔将屏的结构地连接至系统地。2.1.2 屏蔽设计屏蔽是解决 EMC 问题的常用对策，是以金属或特殊材料隔离电磁干扰以达到保护内部电路的目的。由于近场辐射干扰主要是电场干扰，所以要根据法拉第笼的原理来屏蔽近场辐射。新型显示屏的信号线比普通屏的更多，排线上有很多导电不连续区域，在接口处会有缝隙，达不到法拉第笼的屏蔽效果，加上传输信号速率高，因此更加敏感，在近场辐射干扰测试中更容易受到干扰。从 EMC 三要素考虑，一方面可以在排线上增加导电布，包裹银浆、电磁膜、吸波材料等方式达到屏蔽干扰路径的效果；另一方面对于敏感的 IC（集成电路）可以用铝箔、铜箔或吸波材料等进行屏蔽，来达到屏蔽敏感源的目的。新型显示屏 IC 集成度更高、阈值电压更低，相比普通屏更加敏感，近场干扰测试时，干扰噪声扫描靠近屏下方时出现闪屏现象。分析发现是屏端小板芯片受到干扰，在芯片上覆盖吸波材料后测试通过，如图 3 所示。2.1.3 线缆及接口部分的设计线缆作为一个系统中最长的部分，极易受到干扰，普通屏一般采用同轴线缆、双绞线、猪尾巴接地等方式，新型显示屏由于其信号特性采用 FPC、同轴线的抗干扰效果较好。图 2 中连接屏和主板信号的嵌入式显示端口（eDP）线是设计要点，搭接处要用导电布将其与周围的地连接成整体，防止有干扰通过缝隙进入而影响信号。eDP 接口有导电布搭接到屏的结构地，但是没有和eDP 接口金属件有效搭接，近场辐射干扰测试时，干扰噪声通过接口周围缝隙进入电路，干扰信号导致笔记本花屏，如图 4（a）所示。将导电布下移，并且将接口周围结构件钝化层刮开裸出地与导电布搭接，如图 4（b）所示。确保导电布覆盖整个 eDP 接口，并和下方 eDP 线上的导电布有效搭接之后，测试通过。2.2 电路设计图 5 是某新型显示屏和系统端的通信架构，从屏端来看，时序控制芯片（T-CON）、数据驱动电路（Source IC）和电源管理芯片（PMIC）是敏感源，在走线方面需将复位信号和单端时钟信号等敏感信号线走内层，高速信号线走差分信号，板边缘走地线进行包裹。同时电路进行分区域设计，敏感线路（特别是复位信号）和IC 电源引脚预留滤波电容，敏感 IC 采用包地等方式加强防护。2.3 软件设计软件本身不属于 EMC 范畴，但可以通过软件提高抗干扰能力。利用数字信号处理技术，可以对受到干扰的信号进行滤波、降噪、去除杂波等处理，从而提高信图3 覆盖了吸波材料的敏感芯片（a）导电布未搭接至 eDP 接口（b）eDP 接口周围设计图4 eDP接口设计Technical Column72SAFETY&EMC No.3 2023号的质量和可靠性；代码方面，通过优化程序的结构和算法，可以减少程序的冗余和复杂度；还可以通过异常检测技术，及时复位，避免因异常导致不必要的操作；通过软件控制，提高有用信号幅值，也可以增强系统的抗干扰能力。据统计，在实际产品研发测试中，与屏相关的干扰问题一半以上都可通过软件更新固件去解决，不用改变硬件和结构。不需要产生额外的硬件和材料成本，研发更倾向于用软件技术来提高产品的抗干扰能力。3案例分析某型号笔记本在进行近场辐射干扰测试，当干扰施加在屏幕下方时，出现花屏的现象，如图 6 所示。拆解后发现屏端电路板接地区域没有裸铜，预留的结构地涂了白漆，如图 7（a）所示，噪声不能回流到大地，噪声因未泄放干净而干扰到屏端信号。刮开预留的结构地，如图 7（b）所示，将其通过导电泡棉搭接，使得小板上的噪声通过导电泡棉流向结构地，最终通过大地泄放干净。采用该对策后，进行复测，现象有所改善，但仍不稳定。对图 5 中新型显示屏和系统端的通信架构进行分析，发现是显示屏 PMIC 受到干扰，继续定位，发现噪声电压耦合到 PMIC 输入信号线上，超出了其阈值，从而影响 PMIC 的正常工作。整改方案分硬件整改和软件整改。硬件方面：在输入信号线上进行 RC 滤波。噪声通过 RC 滤波流向地，保护了后级信号，保证了 PMIC 正常工作，笔记本花屏的现象消失，但是偶尔会出现黑屏。软件方面：更改 PMIC 芯片的复位设置。更改前，芯片在受到干扰时，会发出屏停止信号传输的指令，从而出现黑屏，更改后，不会因为干扰而发出停止信号传输的指令。再次进行近场辐射骚扰测试，测试通过。4结语随着新型显示技术的发展以及电磁环境的日益复杂，对产品近场辐射抗扰度的要求更加严苛，如未考虑到近场辐射抗扰度的影响，使用过程中可能会经常出现闪屏、黑屏，甚至损坏等现象。本文的新型显示屏在测试中出现的异常，采用了接地、硬件加滤波器件和软件更改固件三个对策后，才通过测试，跟普通屏相比，设计具有一定的挑战，需要在设计前期就图5 新型显示屏和系统端的通信架构图6 笔记本近场辐射骚扰测试花屏现象（b）裸铜接地设计（a）未接地设计图7 屏端电路板接地设计（下转第 76 页）Technical Column76SAFETY&EMC No.3 2023电阻的阻值相关，因此在电容放电过程中降低外接放电电阻阻值可提高放电速度。有两种方法可以改变电容放电电阻的阻值：一为使用电机使放电电阻随时间均匀变化；二为使用继电器控制多个并联电阻的开闭减小外接放电电阻的阻值。使用电机控制放电电阻随时间均匀减小可达到最快的放电时间，使放电效率相比连接恒定电阻提升 5 倍，但对电机要求较高，且驱动电机需额外电源。使用继电器控制外接电阻减小可有效提高放电效率，且控制继电器需较小电能即可完成。本研究可有效指导电容放电工作。参考文献1 蒋理,张岭,李尔平.电源分布网络的快速建模与电容优化 J.安全与电磁兼容,2023(1):9-14.2 曾子雄,廖常浩,吴洪清.去耦电容在 PCB 电磁兼容设计中的应用 J.安全与电磁兼容,2021(1):81-84.3 武鹏,张钢,宝暄.热带气候下音视频产品电容放电测试研究 J.电声技术,2016,40(12):83-85.4 孟庆海,牟龙华.本质安全电感电容复合电路电弧放电特性的研究 J.煤炭学报,2004,29(4):510-512.5 赵永红.本安电路电容放电模型与仿真分析 J.测试技术学报,2021,35(5):392-397.6 李杨,顾志斌,陈浩,等.电容放电装置研究 J.电力电子技术,2022,56(2):1-3.7 李书剑.整车低电压电容放电优化研究 J.设计研究,2021,46(9):50-52.编辑：田宁 E-mail:（a）只接 1 k 放电电阻（b）先接 1 k 电阻，1 s 时再接 1 k 电阻（c）先接 1 k 电阻，0.5 s 时再接 1 k 电阻（d）先接 1 k 电阻，0.5 s 时再接 1 k 电阻，1 s 时再接 500 电阻图 6 试验验证结果将这些因素考虑进去。减少后期因整改带来的额外成本，提高产品电磁兼容性能，促进新型显示产业的发展。参考文献1 季洪雷,张萍萍,陈乃军,等.Micro-LED 显示的发展现状与技术挑战 J.液晶与显示,2021,36(8):1101-1112.2 苏东林,陈广志,胡蓉,等.提升我国电磁安全能力的战略思考 J.安全与电磁兼容,2021(5):9-11.3 艾西加,亚历山大博耶,吴建飞,等.集成电路技术发展对电磁兼容的影响 J.安全与电磁兼容,2020(6):9-17.4 Electromagnetic Compatibility(EMC)-Part 4-39:Testing and measurement techniques-Radiated fields in close proximity-Immunity test:IEC 61000-4-39S.2017.5 郑军奇.EMC 设计分析方法与风险评估技术 M.北京:电子工业出版社.2020:233.6 郑军奇.产品 EMC 风险评估技术 J.安全与电磁兼容,2019(4):9-11,51.7 郑军奇,叶琼瑜,于超.EMC 行业的数字化转型 J.安全与电磁兼容,2022(3):9-12,44.编辑：田宁 E-mail:（上接第 72 页）