彩色電視機電磁兼容設計重點

張德敬，吳 曉

（國家廣播電視產品質量監(jiān)督檢驗中心，北京 100015）

1 現(xiàn)階段彩電電磁兼容性能概況

彩色電視機是大眾化的產品，廣泛用于各行各業(yè)，也是目前家庭中必備的家電之一。作為最為貼近百姓的家電，質檢總局對其非常重視，多次組織相關機構對彩電進行質量抽查。

表1列舉的是2006年至2010年歷次彩色電視機國家抽查的彩電不合格率與不合格項目，其中，2006年抽查的樣品為彩色顯像管（CRT）電視，其余年份抽查樣品均為液晶（LCD）電視。

表1 歷次國家抽查檢驗結果

單就表1中所列的不合格率來看，近幾年彩色電視機的電磁兼容（EMC）性能并沒有得到改善，電磁兼容控制技術也沒有顯著提高，而如果放在全行業(yè)的歷史背景下，我們會得出相反的結論。

從最初的黑白電視機到如今的大屏幕彩色電視機，從只能收看幾套固定節(jié)目到目前可以通過電視機訪問互聯(lián)網，每一次電視技術的發(fā)展都伴隨著更為復雜的電磁噪聲出現(xiàn)。

最初的CRT電視，調諧器是電視內部最主要的干擾源[1-2]。調諧器的本振及其諧波經常造成產品的輻射騷擾場強和天線端騷擾電壓測試不合格。而隨著科技的進步，由調諧器引起的測試不合格情況已經非常少見了。高頻率的時鐘電路以及一些大規(guī)模的數(shù)字集成電路成為了最大干擾源?，F(xiàn)在的電視機，不管是傳統(tǒng)的CRT電視，還是近年來流行的LCD電視，都應用了大量的晶體振蕩器和集成電路，內部的時鐘頻率都在幾十兆赫茲甚至上百兆赫茲。而隨著數(shù)字電視的普及，流媒體的應用以及互聯(lián)網電視的出現(xiàn)，越來越多的多媒體新技術應用于電視機，使得其內部的時鐘頻率更是大幅提高，系統(tǒng)內部的短線、機殼的散熱孔、機殼的縫隙，甚至是固定板卡用的螺釘與螺柱都有可能成為效率極高的發(fā)射天線，使產品無法通過輻射騷擾場強測試。正是由于這些原因，GB 13837-2003在前一版本的基礎上作了相應的修改，將天線端騷擾電壓測試范圍擴展到30～2 150 MHz（前一版本測試范圍為30～1 000MHz），輻射騷擾場強測試則增加了30～1 000MHz除本振及其諧波外其他頻率的限值。

在這樣的歷史背景下，彩色電視機的電磁兼容性能并沒有隨著復雜的電磁噪聲而變得更惡劣，足可以說明彩色電視機的電磁兼容抑制技術也在不斷提高當中。

然而，不管是2010年8.7%的不合格率還是2009年3.4%的不合格率，都說明目前仍然有部分企業(yè)沒有全面掌握EMC抑制技術，而使得所生產的產品不能符合標準規(guī)定。

2 對傳導干擾的抑制措施

以液晶電視為代表的大屏幕電視，按傳播途徑分，其電磁干擾一般分為傳導干擾和輻射干擾[3-4]。

傳導干擾主要是指液晶電視所產生的干擾信號通過電源線對電網的干擾，分為差模干擾和共模干擾。經驗表明， 在 0.15～30 MHz頻率范圍內，0.15～1 MHz多為差模干擾，1～10 MHz多為差模干擾與共模干擾并存，10 MHz以上多為共模干擾。干擾源多是開關電源內部的開關管、開關變壓器、輸出端整流二極管等，這些器件如果處理不當，將產生嚴重的傳導干擾，甚至是輻射干擾。

加裝電源濾波器是解決傳導干擾最為有效的手段之一。對應于干擾類型，電源濾波器可分為共模濾波器和差模濾波器[5]。在實際電路中，共模濾波器一般由Y電容與共模電感組成串聯(lián)諧振電路，諧振頻率應低于所需濾除干擾頻率的1/3～1/10。而差模濾波器多是由共模電感的漏感與X電容組成串聯(lián)諧振電路，該漏感的工程估值大約為共模電感的0.5%～1%，差模濾波器的諧振頻率應低于10 kHz。為達到最佳的濾波效果，濾波器應滿足阻抗最大失配原則，即若干擾源端為高阻抗，濾波器應以低阻抗接入；若源端為低阻抗，濾波器應以高阻抗接入。負載端同理。在開關電源中，共模干擾多是由開關管兩端電壓Uce（假設開關管為晶體管）引起，其干擾源阻抗大小取決于開關管“熱”點（C點）與參考地之間的阻抗，即開關管與散熱片之間的容抗，典型值為30 pF～1 nF，在低頻段表現(xiàn)為kΩ級，也正是因此，共模干擾多出現(xiàn)在高頻段。而差模干擾多是由開關電路初級側的d i/d t周期電流變化引起，由于開關變壓器初級線圈的存在，該周期電流的高頻成分大部分被開關變壓器初級線圈衰減掉，故差模干擾多出現(xiàn)在低頻段。對于差模干擾，其源端阻抗取決于整流濾波電路中儲能用電解電容的等效串聯(lián)電感（ESL）和等效串聯(lián)電阻（ESR），在低頻時，主要是ESR（毫歐級）的影響。

濾波器的加入只是改變了干擾耦合通道的特性，而要想真正獲得良好的EMC特性，還需從減少干擾源的強度著手，常用的方法有以下兩種：

1）軟開關技術

開關器件開通/關斷時會產生浪涌電流和尖峰電壓，這是開關管產生電磁干擾及開關損耗的主要原因。軟開關技術是減小開關器件損耗和改善開關器件EMC特性的重要方法[5]。該技術主要是使開關電源中的開關管在零電壓、零電流時進行開關轉換從而有效地抑制電磁干擾。

2）頻率抖動技術

頻率抖動技術就是將周期十分穩(wěn)定的開關信號變?yōu)橹芷诎匆欢ㄒ?guī)律變化的抖動頻率信號，從而使干擾能量在較寬的頻譜上均分，進而通過EMC測試。值得注意的是，它在整個頻率范圍內的干擾能量并沒有改變。

3 對輻射干擾的抑制措施

輻射干擾是指干擾源通過空間把其信號耦合（干擾）到另一網絡，干擾是以空間電磁場的形式存在的。干擾源多是EUT內部調諧器本振的基波和諧波、數(shù)字電路時鐘脈沖的基波和諧波以及開關電源開關脈沖的高次諧波等。

在主流液晶電視中，多采用模塊化設計，一般分為開關電源、主板、逆變電路、液晶屏、按鍵板等。

液晶屏全部為整體采購，其EMC特性在出廠時已經過檢驗，無須整機設計時做過多考慮。而開關電源產生的干擾多為傳導干擾或低頻段的輻射干擾，一般干擾頻率不會超過100 MHz，其抑制干擾措施已在上文中詳細介紹。

液晶電視的主板上既含有模擬電路，又含有數(shù)字電路，部分企業(yè)還將DC-DC逆變電路置于主板上。這就要求在元器件的布局上，要把模擬電路、數(shù)字電路和逆變電路這3部分合理的分開，使相互間的信號無法耦合，尤其是3部分的電源和地，應分別布設，以減低相互干擾。

3.1 由接地不當引發(fā)的干擾

將模擬地與數(shù)字地分割開，并在中間串顆磁珠是部分液晶電視無法達標的一個原因，這種情況多發(fā)生在具有模數(shù)或者數(shù)模轉換的地方。事實上，由于集成電路管腳間分布電容的存在，高頻干擾電流通過分布電容在數(shù)字地和模擬地之間流動，而并未經過所串聯(lián)的磁珠?？梢?，在數(shù)字地與模擬地之間串聯(lián)磁珠并不能減小數(shù)字電路的噪聲向模擬電路傳輸，而且任何在數(shù)字地引腳處附加的外部阻抗都將引起較大的數(shù)字噪聲，然后大的數(shù)字噪聲通過分布電容耦合到模擬電路上。正確的做法應該是將模擬地和數(shù)字地用最短的連線接到同一個低阻抗的接地平面上，例如應用接地螺釘將模擬地和數(shù)字地接到同一低阻抗金屬板上。這樣可以使兩塊地之間電位相同，從而杜絕之間存在高頻電流流動。

3.2 時鐘電路的EMC抑制措施

產生時鐘信號的晶振是主板上一個強的輻射發(fā)射源。事實上，晶振也分為有源晶振和無源晶振，無源晶振需外接起振電路才能工作，而有源晶振本身便可以起振。不管是有源晶振還是無源晶振，一般均封裝于金屬外殼內。晶振內部電路產生的RF電流可能會很大，以至于晶體的接地引線不能以很少的損耗充分地將比較大的干擾電流引到地平面，結果金屬外殼變成了單極天線，在其周邊形成一個輻射場。此時，若其周圍有印制電路板（PCB）布線或者懸空的螺釘?shù)绕骷?，干擾能量將通過容性或感性的方式耦合到這些器件上，當器件長度等于信號波長的1/4或1/2時，這些干擾能量將最大程度的轉換成電磁場，形成輻射干擾。

基于上述原因，在PCB布板時，針對于晶振電路，應做到：

1）晶振應盡量遠離接口電路,如串口、地址線、數(shù)據(jù)線等。

2）晶振不能放置在PCB邊緣。

3）晶振下面不要布線，晶振上面也不要有飛線。

4）晶振下方表層設置局部地平面（敷銅），并通過多個過孔與地層相連。

上述措施不單單適用于晶振，同時適用于所有高頻器件。

3.3 調諧器布板時的基本原則

首先要將調諧器部分的地（即模擬地）與其他部分的地分開鋪地。一定要將調諧器的金屬外殼與地連接起來，且連接點應盡可能多。

3.4 信號環(huán)路對EMC特性的影響

在PCB板中，環(huán)路無處不在。任何一個信號的傳輸，均意味著一個電流環(huán)路的存在，所以，在多數(shù)設備中，主要的發(fā)射源是PCB上電路中流動的電流，其中電流在傳遞路徑與返回路徑中形成的環(huán)路是PCB輻射發(fā)射的一個原因，而且，輻射能量的大小正比于環(huán)路面積。因此，對于設計工程師，應盡可能的減小信號環(huán)路面積。

值得警惕的是，在PCB中，有用信號流經的差模環(huán)路多數(shù)情況下并不是造成輻射超標的主要原因，還有另一種環(huán)路更值得關注，那就是共模信號環(huán)路。假設PCB的接地平面上有A，B兩點，且A，B兩點各自與接地參考平板之間存在著分布電容（CAG，CBG），就形成了A-BCBG-G-CAG-A這樣的環(huán)路。當PCB地阻抗較大時，就會在A，B兩點間形成電壓差，從而在上述環(huán)路中形成共模電流，導致輻射超標。采用金屬外殼以減小PCB地平面與參考接地平板之間的分布電容，或改變PCB地平面材質以減小地阻抗均能改善共模環(huán)路引起的輻射超標。

3.5 磁環(huán)的應用

當液晶電視的各個模塊均安裝就位，組成一臺成品電視后，針對各模塊間的互聯(lián)線，必要時均需要加一個磁環(huán)，以減小相互間的干擾，同時衰減由互聯(lián)線向外輻射的干擾能量。重點是按鍵板跟主板的連接線，因為按鍵板上不斷有數(shù)據(jù)變換（遙控接收頭），從而導致對系統(tǒng)產生電磁干擾。加磁環(huán)可以有效地屏蔽電磁干擾。

4 結論

經驗表明，電磁干擾的抑制成本在產品開發(fā)的早期階段所需費用是最低的，而后隨著產品開發(fā)的不斷深入，抑制成本也會成倍的增加。因此，需工程人員在設計之初便要考慮產品的EMC特性，針對容易造成EMC測試超標的重點電路或器件采取抑制措施。

在國家抽查及日常的檢測活動中，由開關電源、晶振和PCB布線問題引起的電視機EMC測試超標占了相當大的比重，因此對這些重點電路采取EMC抑制措施是很有必要的，這些措施包括但不僅限于本文所述內容。

[1]鄭軍奇.EMC電磁兼容設計與測試案例分析[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2]李舜陽，丁少華.我國廣播電視接收機電磁兼容現(xiàn)狀及對策[J].電視技術，2002，26（7）：87-92.

[3]吳曉.淺析數(shù)字電視接收機電磁兼容標準[J].電視技術，2005，29（4）：43-45.

[4]劉萍，譚海峰，吳然，等.液晶顯示器的EMC分析與設計[J].電視技術，2003，27（3）：54-56.

[5]劉鳳君.現(xiàn)代高頻開關電源技術及應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.