一, Standard di test EMC industriale e requisiti fondamentali
I test EMC delle apparecchiature industriali devono essere conformi al sistema a tre- livelli della Commissione elettrotecnica internazionale (IEC), agli standard europei (EN) e agli standard nazionali cinesi (GB). Gli elementi principali del test includono:
Emissione irradiata (RE): la frequenza di prova copre da 30 MHz a 1 GHz e l'apparecchiatura deve ricevere un'intensità di campo elettromagnetico inferiore o uguale a 40 dB μ V/m (distanza di 10 m) attraverso un'antenna in una camera anecoica. Il segnale dell'orologio e le sue armoniche del display LCD a codice rotto sono le principali fonti di radiazioni e, se non ottimizzate nella progettazione, tendono a superare lo standard.
Interferenza condotta (CE): la frequenza di prova è compresa tra 150 kHz e 30 MHz e la tensione di interferenza sulla linea elettrica viene misurata attraverso una rete di stabilizzazione dell'impedenza di linea (LISN). Se il modulo di alimentazione del display LCD disconnesso non adotta un design di filtraggio, il rumore ad alta frequenza potrebbe essere trasmesso alla rete elettrica attraverso la linea elettrica, influenzando altri dispositivi.
Scariche elettrostatiche (ESD): secondo lo standard IEC 61000-4-2, applicare una scarica di contatto di ± 8 kV e una scarica in aria di ± 15 kV all'involucro e all'interfaccia dell'apparecchiatura. Se il pannello a sfioramento o l'interfaccia del display LCD scollegato non dispone di protezione, le scariche elettrostatiche potrebbero causare anomalie del display o danni al circuito.
Immunità alle sovratensioni (SURGE): simula fulmini o impatti di commutazione di corrente elevata per testare la capacità dell'apparecchiatura di resistere a sovratensioni. Negli ambienti industriali, un LCD con codice rotto deve resistere a un impatto di sovratensione di almeno ± 2 kV.
2, Analisi delle sorgenti di interferenza EMC in LCD con codice non funzionante
Il problema EMC del codice LCD rotto deriva principalmente dai seguenti aspetti:
Armoniche del segnale di clock: il circuito di pilotaggio di un LCD con codice rotto utilizza solitamente un clock ad alta-frequenza (come 15 MHz), che genera più armoniche (come 150 MHz e 300 MHz) dopo l'espansione della serie di Fourier. Se il segnale di clock non è filtrato o schermato, le armoniche potrebbero irradiarsi nello spazio attraverso il cablaggio o i connettori della PCB, causando il superamento dello standard RE.
Rumore dell'alimentatore: se il modulo di alimentazione del display LCD scollegato non utilizza un filtro di tipo π - o un induttore di modo comune, il rumore ad alta-frequenza dell'alimentatore a commutazione (ad esempio da 100 kHz a 1 MHz) potrebbe essere condotto alla rete elettrica attraverso la linea elettrica, causando problemi CE.
Accoppiamento dell'interfaccia: se l'interfaccia del segnale dell'LCD disconnesso (come SPI, I2C) non utilizza l'isolamento optoelettronico o magnetico, l'interferenza esterna potrebbe accoppiarsi al circuito del driver attraverso la linea del segnale, determinando una visualizzazione anomala.
Difetti del layout PCB: se le linee di segnale ad alta- velocità (come le linee dell'orologio) non vengono instradate in modo differenziale o la terra digitale e quella analogica non sono isolate da sfere magnetiche, si potrebbero formare interferenze del circuito di terra e ridurre l'immunità ESD.
3, sistema di tecnologia di protezione EMC per LCD con codice non funzionante
In risposta alle suddette fonti di interferenza, è necessario costruire un sistema di protezione per l'LCD con codici interrotti basandosi su tre aspetti: selezione dei materiali, progettazione strutturale e ottimizzazione del circuito.
1. Ottimizzazione materiale e strutturale
Rivestimento conduttivo: spruzzare lo strato conduttivo ITO sulla superficie dello schermo del display per controllare la resistenza superficiale nell'intervallo di 10 ⁶ -10 ⁹ Ω/sq, che può scaricare rapidamente l'elettricità statica e migliorare l'immunità ESD a ± 8 kV.
Design della copertura di schermatura: aggiungi coperture di schermatura in lamina di rame nelle aree chiave del PCB, come i circuiti integrati dei driver e i circuiti di clock, e collegale a terra tramite passaggi per ridurre l'accoppiamento di campo vicino-. Grazie a questo design, un determinato trasmettitore di pressione industriale riduce l'intensità della radiazione nel punto di frequenza di 300 MHz di 15 dB.
Schermatura del cavo: le linee di segnale e di alimentazione utilizzano cavi schermati a doppino intrecciato, con lo strato di schermatura terminato a 360 gradi rispetto all'alloggiamento del connettore per ridurre le radiazioni di modo comune. Grazie a questo miglioramento, un certo servoazionamento industriale ha ridotto le interferenze condotte di 10 dB.
2. Progetto di ottimizzazione del circuito
Filtraggio dell'alimentazione: aggiungere un filtro di tipo π - al terminale di ingresso dell'alimentazione, con valori di induttanza compresi tra 100 μ H e 1 mH e valori di capacità compresi tra 0,1 μ F e 10 μ F, per sopprimere il rumore differenziale e di modo comune. Grazie a questo design, un determinato sensore industriale riduce la tensione di disturbo sull'estremità dell'alimentazione al di sotto del valore limite.
Filtraggio del segnale: aggiungi un filtro passa-basso RC-all'ingresso del segnale analogico, con una frequenza di taglio impostata su 1,5 volte la larghezza di banda del segnale, per ridurre il rumore ad alta-frequenza. Un determinato dispositivo medico utilizza questa tecnologia per ridurre la radiazione della linea del segnale di 8 dB.
Elaborazione del segnale di clock: estende il tempo del fronte di salita del segnale di clock e riduce la sua ampiezza armonica ad alta-frequenza; Oppure ridurre la frequenza di clock (ad esempio da 15 MHz a 8 MHz) e spostare i punti di frequenza armonica al di fuori della banda di frequenza di test. Un determinato pannello singolo riduce il valore di radiazione di 150 MHz a 1/20 attraverso il design di riduzione della frequenza.
3. Messa a terra e ottimizzazione del layout
Messa a terra a punto singolo: nei circuiti a bassa-frequenza (<1MHz), a star shaped grounding structure is used, where the digital ground and analog ground are connected at a single point through magnetic beads to avoid ground potential differences. A certain industrial controller has reduced ground bounce noise to 2mV through this design.
Design PCB multistrato: in un PCB a quattro strati, vengono impostati strati indipendenti e strati di potenza e le connessioni interstrato vengono ottenute tramite vie per ridurre l'accoppiamento elettromagnetico. Alcune apparecchiature di trasporto ferroviario riducono l'emissione di radiazioni di 12 dB attraverso questo layout.
Isolamento sensibile del modulo: dividere il layout dei circuiti analogici, dei circuiti digitali e dei circuiti di alimentazione in zone e impostare strisce di isolamento tra le zone per ridurre le interferenze incrociate del segnale. Grazie a questo design, un certo contatore intelligente ha ridotto il tasso di guasto ESD del 90%.
4, Pratica industriale e analisi dei casi
Caso 1: correzione dell'eccessiva emissione di radiazioni da trasmettitori di pressione industriali
Un certo trasmettitore di pressione industriale superava lo standard di 10 dB al punto di frequenza di 300 MHz ed è stato corretto attraverso le seguenti misure:
Aggiungi una copertura schermante sul PCB per coprire i moduli ADC e MCU, aumentando l'efficienza della schermatura di 15 dB;
Sostituire le linee di alimentazione e di segnale con cavi schermati a doppino intrecciato. Dopo aver messo a terra lo strato schermante, l'intensità della radiazione diminuisce di 8 dB;
Ottimizza il cablaggio PCB, accorcia la-lunghezza della linea del segnale ad alta frequenza e riduci la radiazione in modalità differenziale di 5 dB.
Infine, il dispositivo ha superato il test sulle emissioni di radiazioni IEC 61000-4-3.
Caso 2: Eliminazione dell'insufficiente immunità ESD dei sensori industriali
Un determinato sensore industriale ha riscontrato anomalie funzionali durante il test di scarica a contatto di ± 8 kV. Le misure correttive comprendono:
Aggiungi cuscinetti in gomma conduttiva sulle cuciture del guscio per aumentare l'efficacia della schermatura a 50 dB;
Aggiungere una serie di diodi TVS al terminale di ingresso del segnale con una tensione di serraggio inferiore o uguale a 6 V per proteggere efficacemente il circuito a valle;
Ottimizza il cablaggio del PCB, aumenta la copertura della lamina di rame a livello del suolo e riduce l'accoppiamento di energia ESD.
Infine, il dispositivo ha superato il test ESD IEC 61000-4-2.
