一, Tiêu chuẩn kiểm tra EMC công nghiệp và các yêu cầu cốt lõi
Việc thử nghiệm EMC của thiết bị công nghiệp phải tuân thủ hệ thống ba{0}}cấp của Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC), Tiêu chuẩn Châu Âu (EN) và Tiêu chuẩn Quốc gia Trung Quốc (GB). Các mục kiểm tra cốt lõi bao gồm:
Phát xạ bức xạ (RE): Tần số thử nghiệm bao gồm từ 30 MHz đến 1GHz và thiết bị phải nhận được cường độ trường điện từ Nhỏ hơn hoặc bằng 40dB μ V/m (khoảng cách 10m) thông qua ăng-ten trong buồng không phản xạ. Tín hiệu đồng hồ và các sóng hài của nó của màn hình LCD mã bị hỏng là nguồn bức xạ chính và nếu không được tối ưu hóa trong thiết kế thì chúng dễ bị vượt tiêu chuẩn.
Nhiễu dẫn điện (CE): Tần số thử nghiệm nằm trong khoảng từ 150kHz đến 30 MHz và điện áp nhiễu trên đường dây điện được đo thông qua mạng ổn định trở kháng đường dây (LISN). Nếu mô-đun nguồn của màn hình LCD bị ngắt kết nối không sử dụng thiết kế lọc thì nhiễu tần số-cao có thể được truyền tới lưới điện qua đường dây điện, ảnh hưởng đến các thiết bị khác.
Phóng tĩnh điện (ESD): Theo tiêu chuẩn IEC 61000-4-2, áp dụng phóng điện tiếp xúc ± 8kV và phóng điện qua không khí ± 15kV cho vỏ và giao diện của thiết bị. Nếu bảng cảm ứng hoặc giao diện của màn hình LCD bị ngắt kết nối thiếu lớp bảo vệ, ESD có thể gây ra các bất thường về màn hình hoặc hư hỏng mạch.
Chống sốc điện (SURGE): Mô phỏng sét đánh hoặc tác động chuyển mạch dòng điện cao để kiểm tra khả năng chịu đựng điện áp đột biến của thiết bị. Trong môi trường công nghiệp, màn hình LCD mã bị hỏng cần chịu được tác động đột biến ít nhất ± 2kV.
2, Phân tích nguồn nhiễu EMC trong LCD bị hỏng mã
Vấn đề EMC của LCD mã bị hỏng chủ yếu xuất phát từ các khía cạnh sau:
Sóng hài của tín hiệu đồng hồ: Mạch điều khiển của màn hình LCD mã bị hỏng thường sử dụng đồng hồ tần số cao (chẳng hạn như 15 MHz), tạo ra nhiều sóng hài (chẳng hạn như 150 MHz và 300 MHz) sau khi mở rộng chuỗi Fourier. Nếu tín hiệu đồng hồ không được lọc hoặc che chắn, sóng hài có thể tỏa ra không gian thông qua hệ thống dây điện hoặc đầu nối PCB, khiến RE vượt quá tiêu chuẩn.
Nhiễu nguồn điện: Nếu mô-đun nguồn của màn hình LCD bị ngắt kết nối không sử dụng bộ lọc loại π - hoặc cuộn cảm chế độ chung thì nhiễu tần số cao- của nguồn điện chuyển mạch (chẳng hạn như 100kHz đến 1 MHz) có thể truyền tới lưới điện thông qua đường dây điện, gây ra sự cố CE.
Khớp nối giao diện: Nếu giao diện tín hiệu của màn hình LCD bị ngắt kết nối (như SPI, I2C) không sử dụng cách ly quang điện tử hoặc từ tính, nhiễu bên ngoài có thể kết hợp với mạch điều khiển thông qua đường tín hiệu, dẫn đến hiển thị bất thường.
Lỗi bố cục PCB: Nếu các đường tín hiệu tốc độ cao (chẳng hạn như đường đồng hồ) không được định tuyến khác nhau hoặc mặt đất kỹ thuật số và mặt đất tương tự không được cách ly bằng các hạt từ tính thì điều đó có thể hình thành nhiễu vòng lặp mặt đất và làm giảm khả năng miễn nhiễm ESD.
3, Hệ thống công nghệ bảo vệ EMC cho LCD bị hỏng mã
Để đối phó với các nguồn gây nhiễu nói trên, một hệ thống bảo vệ cho LCD có mã bị hỏng cần được xây dựng từ ba khía cạnh: lựa chọn vật liệu, thiết kế cấu trúc và tối ưu hóa mạch.
1. Tối ưu hóa vật liệu và kết cấu
Lớp phủ dẫn điện: Xịt lớp dẫn điện ITO lên bề mặt màn hình hiển thị để kiểm soát điện trở bề mặt trong phạm vi 10 ⁶ -10 ⁹ Ω/sq, có thể phóng tĩnh điện nhanh chóng và cải thiện khả năng miễn nhiễm ESD đến ± 8kV.
Thiết kế vỏ bọc bảo vệ: Thêm nắp che chắn bằng lá đồng vào các khu vực chính của PCB, chẳng hạn như IC trình điều khiển và mạch đồng hồ, đồng thời kết nối chúng với mặt đất thông qua vias để giảm khả năng ghép nối trường gần. Một máy phát áp suất công nghiệp nhất định giúp giảm 15dB cường độ bức xạ ở điểm tần số 300 MHz thông qua thiết kế này.
Che chắn cáp: Đường dây tín hiệu và nguồn sử dụng dây xoắn đôi được che chắn, với lớp che chắn được kết thúc 360 độ với vỏ đầu nối để giảm bức xạ chế độ chung. Một bộ truyền động servo công nghiệp nhất định đã giảm được 10dB nhiễu dẫn truyền thông qua cải tiến này.
2. Thiết kế tối ưu hóa mạch
Lọc nguồn: Thêm bộ lọc loại π - vào cực đầu vào nguồn, với các giá trị điện cảm nằm trong khoảng từ 100 μH đến 1mH và các giá trị điện dung nằm trong khoảng từ 0,1 μ F đến 10 μ F, để triệt tiêu nhiễu chế độ chung và vi sai. Một cảm biến công nghiệp nhất định giúp giảm điện áp nhiễu ở đầu nguồn điện xuống dưới giá trị giới hạn thông qua thiết kế này.
Lọc tín hiệu: Thêm bộ lọc thông thấp RC-vào đầu vào tín hiệu analog, với tần số cắt được đặt thành 1,5 lần băng thông tín hiệu để giảm nhiễu tần số-cao. Một thiết bị y tế nào đó sử dụng công nghệ này để giảm bức xạ đường tín hiệu xuống 8dB.
Xử lý tín hiệu đồng hồ: Kéo dài thời gian cạnh tăng của tín hiệu đồng hồ và giảm biên độ hài tần số-cao của nó; Hoặc giảm tần số xung nhịp (chẳng hạn như từ 15 MHz xuống 8 MHz) và di chuyển các điểm tần số hài ra ngoài dải tần thử nghiệm. Một bảng điều khiển nhất định giảm giá trị bức xạ 150 MHz xuống 1/20 thông qua thiết kế giảm tần số.
3. Tối ưu hóa nối đất và bố trí
Nối đất một điểm: Trong các mạch-tần số thấp (<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.
Thiết kế PCB nhiều lớp: Trong PCB bốn lớp, các lớp độc lập và lớp nguồn được thiết lập và các kết nối giữa các lớp đạt được thông qua vias để giảm sự ghép điện từ. Một thiết bị vận chuyển đường sắt nhất định giúp giảm phát xạ bức xạ 12dB thông qua cách bố trí này.
Cách ly mô-đun nhạy cảm: Chia bố cục các mạch tương tự, mạch kỹ thuật số và mạch nguồn thành các vùng và đặt các dải cách ly giữa các vùng để giảm nhiễu chéo tín hiệu. Một đồng hồ thông minh nhất định đã giảm 90% tỷ lệ hỏng ESD thông qua thiết kế này.
4, Thực tiễn ngành và phân tích trường hợp
Trường hợp 1: Khắc phục phát xạ quá mức từ máy phát áp lực công nghiệp
Một máy phát áp suất công nghiệp nào đó đã vượt quá tiêu chuẩn 10dB ở điểm tần số 300 MHz và đã được khắc phục bằng các biện pháp sau:
Thêm một lớp che chắn trên PCB để che các mô-đun ADC và MCU, tăng hiệu suất che chắn thêm 15dB;
Thay đổi đường dây nguồn và tín hiệu thành dây xoắn đôi được bảo vệ. Sau khi nối đất lớp chắn, cường độ bức xạ giảm 8dB;
Tối ưu hóa hệ thống dây điện PCB, rút ngắn-độ dài đường tín hiệu tần số cao và giảm 5dB bức xạ chế độ vi sai.
Cuối cùng, thiết bị đã vượt qua bài kiểm tra phát xạ bức xạ IEC 61000-4-3.
Trường hợp 2: Khắc phục khả năng miễn nhiễm ESD không đủ của cảm biến công nghiệp
Một cảm biến công nghiệp nhất định gặp phải sự bất thường về chức năng trong quá trình thử nghiệm phóng điện tiếp xúc ± 8kV. Các biện pháp khắc phục bao gồm:
Thêm miếng cao su dẫn điện ở các đường nối của vỏ để tăng hiệu quả che chắn lên 50dB;
Thêm một dãy diode TVS tại đầu vào tín hiệu có điện áp kẹp Nhỏ hơn hoặc bằng 6V để bảo vệ hiệu quả mạch hạ lưu;
Tối ưu hóa hệ thống dây điện PCB, tăng độ phủ lá đồng trên mặt đất và giảm khả năng ghép năng lượng ESD.
Cuối cùng, thiết bị đã vượt qua bài kiểm tra ESD IEC 61000-4-2.
