LED顯示主控板EMC抗擾度（EFT）優(yōu)化方案

胡劍文，姚勝，魏偉，梁珺，楊政

（ 1.合肥產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院/國家家用電器產(chǎn)品質(zhì)量檢驗檢測中心（安徽）/安徽省電子電氣產(chǎn)品電磁兼容測試分析中心，安徽 合肥 230088；2.合肥聯(lián)寶信息技術有限公司，安徽 合肥 231100 ）

0 引言

LED顯示主控板在不同的產(chǎn)品和領域所執(zhí)行的標準并不相同。應用于家用電器領域需滿足標準GB/T 4343.2-2020試驗等級要求，應用于醫(yī)療器械行業(yè)，需滿足標準YY 0505-2021試驗要求。本文對LED顯示主控板EMC抗擾度電快速瞬變脈沖群（EFT）測試異常現(xiàn)象進行分析，基于測試原理提出優(yōu)化方案和建議。

1 概述

目前，國內(nèi)EFT檢測執(zhí)行標準采用GB/T 17626.4-2018版，等同采用IEC 61000-4-4：2012，目的是為了評估電氣和電子設備的供電電源端口、信號、控制盒接地端口等受EFT干擾時的性能確定一個共同的能再現(xiàn)的評定依據(jù)[1]。

本文研究的主控板應用于大米色選機產(chǎn)品，適用于指示噴閥的工作狀態(tài)，每塊LED顯示主控板指示1個通道，60路噴閥的工作狀態(tài)。噴閥動作時，主控板對應的LED燈珠閃亮。

主控板實物圖如圖1所示。

圖1 主控板實物圖

2 異?，F(xiàn)象

為便于操作人員觀察，LED顯示主控板安裝于色選機設備的前門蓋或側(cè)面板。由于其電路功能的特殊性，同時對多路噴閥動作，故對整機進行EFT測試時，電快速瞬變脈沖電壓由設備AC 220 V供電線以異步方式注入，測試等級為2 kV/5 kHz。啟動噴閥自檢，正常情況下，LED從左至右，依次閃亮。

EFT測試時，發(fā)現(xiàn)顯示異常，同時出現(xiàn)多個甚至整排同時異常閃亮，如圖2所示。因此，判定注入的電快速瞬變脈沖群干擾導致該顯示主控板的功能出現(xiàn)異常，不能滿足性能判據(jù)A類的評定。

圖2 EFT測試異?，F(xiàn)象

GB/T 17626.4-2018對評定依據(jù)的分類如下：

性能判據(jù)A：在制造商、委托方或購買方規(guī)定的限值內(nèi)性能正常；

性能判據(jù)B：功能或性能暫時喪失或降低, 在騷擾停止后能自行恢復, 不需要操作者干預；

性能判據(jù)C：功能或性能暫時喪失或降低, 但需操作人員干預才能恢復；

性能判據(jù)D：因設備硬件或軟件損壞, 或數(shù)據(jù)丟失而造成不能恢復的功能喪失或性能降低。

3 改進建議

基于EFT試驗特點及該顯示主控板電路圖，從原理設計和PCB布局布線等方面進行產(chǎn)品優(yōu)化。EFT測試為典型共模信號干擾，根據(jù)EFT干擾波形的特點，其端接50 Ω單脈沖波形上升時間為5 ns，半波時間為50 ns，脈沖間隔小于1 ms，脈沖群間隔小于1 s，則EFT測試過程中必然產(chǎn)生較為嚴重的空間輻射干擾。對于EFT干擾的抑制，需要對干擾的傳導路徑和輻射路徑均予以處理。對于傳導路徑的抑制，需要對干擾的輸入端口增加濾波器，在干擾進入系統(tǒng)或進入之前進行濾波抑制，即電源或干擾信號線注入連接器處。對于輻射路徑的抑制，考慮到EFT脈沖傅里葉變換的頻譜為5 kHz（100 kHz）～100 MHz 的離散譜線，重點對于1.5cm以上走線或線纜進行關注，必要的情況下進行濾波處理。

接50 Ω負載時單個脈沖波形，如圖3所示?？焖偎沧兠}沖群概略圖，如圖4所示。

圖3 接50 Ω負載時單個脈沖波形

圖4 快速瞬變脈沖群概略圖

基于成因，盡可能減少進入PCB主控板的共模干擾。因此，在PCB電路板的信號入口出進行相應的共模濾波處理。同時，在內(nèi)部進行相應的共模濾波處理，提供雙重保障。共模干擾濾波設計，如圖5所示。

圖5 共模干擾濾波設計

圖5中可見，信號進入PCB后通過兩個共模接地電容進行共模濾波處理，其中Y電容作用是將共模電流導入金屬機殼。

建議優(yōu)先選擇10 nF電容進行濾波處理，如低頻插損不足，則補充0.1 μF或2.2 μF等更大容值電容進行組合濾波。濾波處理如圖6所示。

圖6 濾波處理

PGND與接插件附近的安裝孔相連，安裝孔為金屬材質(zhì)，通過螺釘與機殼相通，形成完整接地鏈路。采用共模電感對信號做進一步濾波，共模電感通常應用于EMI濾波領域，對于高頻的EMS空間干擾噪聲抑制亦具有良好效果，可有效消耗/衰減共模干擾電流，如圖7所示。

圖7 濾波處理

共模濾波電容及共模電感的選取以實際信號特性為依據(jù)，以不影響傳輸信號質(zhì)量為前提，即盡可能高的共模噪聲共模插入損耗，盡可能低的差模插入損耗，如圖8所示。

圖8 電源端口濾波設計

對顯示主控板電源端口同樣采取類似的共模濾波處理，以減少共模干擾電流進入PCB板。通過對信號端口及電源端口增加共模濾波電容及共模電感，可以有效減少流入PCB內(nèi)部的共模電流，從而提高電路板的抗干擾性能。

在PCB布局布線上進一步優(yōu)化，PCB沿用四層板設計，確保有完整的GND地平面?？紤]到電源平面去耦，高速信號線完整參考層及回流路徑等因素，優(yōu)先考慮“信號（器件）、電源、地、信號（高速信號）”疊層順序，濾波電路前后級走線盡可能分開，差分接收輸出的單端信號串聯(lián)電阻起到一定的抑制干擾作用。處于PCB邊緣的信號線做包地處理，濾波器盡量放置于干擾路徑的上源端和負載端。電路板PCB圖，如圖9所示。

圖9 電路板PCB圖

4 對比驗證

優(yōu)化后的LED顯示主控板安裝后再次進行EFT群脈沖測試(2 kV/5 kHz)，運行噴閥自檢程序觀察LED燈運行情況，工作正常，未出現(xiàn)LED異常閃亮現(xiàn)象，產(chǎn)品滿足性能A的評定，表明優(yōu)化方案有效。

5 結(jié)語

通過LED顯示主控板EFT抗擾度試驗優(yōu)化案例的整體闡述，建議相關產(chǎn)品制造商應及時了解項目測試原理及方法，分析受測設備失敗的根本原因，從產(chǎn)品的機械架構(gòu)、電路板原理圖及PCB Layout等多方面進行綜合考慮分析，形成有效對策進行產(chǎn)品的優(yōu)化設計。