LED显示主控板EMC抗扰度（EFT）优化方案

2022-08-22胡剑文姚胜魏伟梁珺杨政

电动工具 2022年4期

胡剑文，姚胜，魏伟，梁珺，杨政

（ 1.合肥产品质量监督检验研究院/国家家用电器产品质量检验检测中心（安徽）/安徽省电子电气产品电磁兼容测试分析中心，安徽合肥 230088；2.合肥联宝信息技术有限公司，安徽合肥 231100 ）

0 引言

LED显示主控板在不同的产品和领域所执行的标准并不相同。应用于家用电器领域需满足标准GB/T 4343.2-2020试验等级要求，应用于医疗器械行业，需满足标准YY 0505-2021试验要求。本文对LED显示主控板EMC抗扰度电快速瞬变脉冲群（EFT）测试异常现象进行分析，基于测试原理提出优化方案和建议。

1 概述

目前，国内EFT检测执行标准采用GB/T 17626.4-2018版，等同采用IEC 61000-4-4：2012，目的是为了评估电气和电子设备的供电电源端口、信号、控制盒接地端口等受EFT干扰时的性能确定一个共同的能再现的评定依据[1]。

本文研究的主控板应用于大米色选机产品，适用于指示喷阀的工作状态，每块LED显示主控板指示1个通道，60路喷阀的工作状态。喷阀动作时，主控板对应的LED灯珠闪亮。

主控板实物图如图1所示。

图1 主控板实物图

2 异常现象

为便于操作人员观察，LED显示主控板安装于色选机设备的前门盖或侧面板。由于其电路功能的特殊性，同时对多路喷阀动作，故对整机进行EFT测试时，电快速瞬变脉冲电压由设备AC 220 V供电线以异步方式注入，测试等级为2 kV/5 kHz。启动喷阀自检，正常情况下，LED从左至右，依次闪亮。

EFT测试时，发现显示异常，同时出现多个甚至整排同时异常闪亮，如图2所示。因此，判定注入的电快速瞬变脉冲群干扰导致该显示主控板的功能出现异常，不能满足性能判据A类的评定。

图2 EFT测试异常现象

GB/T 17626.4-2018对评定依据的分类如下：

性能判据A：在制造商、委托方或购买方规定的限值内性能正常；

性能判据B：功能或性能暂时丧失或降低, 在骚扰停止后能自行恢复, 不需要操作者干预；

性能判据C：功能或性能暂时丧失或降低, 但需操作人员干预才能恢复；

性能判据D：因设备硬件或软件损坏, 或数据丢失而造成不能恢复的功能丧失或性能降低。

3 改进建议

基于EFT试验特点及该显示主控板电路图，从原理设计和PCB布局布线等方面进行产品优化。EFT测试为典型共模信号干扰，根据EFT干扰波形的特点，其端接50 Ω单脉冲波形上升时间为5 ns，半波时间为50 ns，脉冲间隔小于1 ms，脉冲群间隔小于1 s，则EFT测试过程中必然产生较为严重的空间辐射干扰。对于EFT干扰的抑制，需要对干扰的传导路径和辐射路径均予以处理。对于传导路径的抑制，需要对干扰的输入端口增加滤波器，在干扰进入系统或进入之前进行滤波抑制，即电源或干扰信号线注入连接器处。对于辐射路径的抑制，考虑到EFT脉冲傅里叶变换的频谱为5 kHz（100 kHz）～100 MHz 的离散谱线，重点对于1.5cm以上走线或线缆进行关注，必要的情况下进行滤波处理。

接50 Ω负载时单个脉冲波形，如图3所示。快速瞬变脉冲群概略图，如图4所示。

图3 接50 Ω负载时单个脉冲波形

图4 快速瞬变脉冲群概略图

基于成因，尽可能减少进入PCB主控板的共模干扰。因此，在PCB电路板的信号入口出进行相应的共模滤波处理。同时，在内部进行相应的共模滤波处理，提供双重保障。共模干扰滤波设计，如图5所示。

图5 共模干扰滤波设计

图5中可见，信号进入PCB后通过两个共模接地电容进行共模滤波处理，其中Y电容作用是将共模电流导入金属机壳。

建议优先选择10 nF电容进行滤波处理，如低频插损不足，则补充0.1 μF或2.2 μF等更大容值电容进行组合滤波。滤波处理如图6所示。

图6 滤波处理

PGND与接插件附近的安装孔相连，安装孔为金属材质，通过螺钉与机壳相通，形成完整接地链路。采用共模电感对信号做进一步滤波，共模电感通常应用于EMI滤波领域，对于高频的EMS空间干扰噪声抑制亦具有良好效果，可有效消耗/衰减共模干扰电流，如图7所示。

图7 滤波处理

共模滤波电容及共模电感的选取以实际信号特性为依据，以不影响传输信号质量为前提，即尽可能高的共模噪声共模插入损耗，尽可能低的差模插入损耗，如图8所示。

图8 电源端口滤波设计

对显示主控板电源端口同样采取类似的共模滤波处理，以减少共模干扰电流进入PCB板。通过对信号端口及电源端口增加共模滤波电容及共模电感，可以有效减少流入PCB内部的共模电流，从而提高电路板的抗干扰性能。

在PCB布局布线上进一步优化，PCB沿用四层板设计，确保有完整的GND地平面。考虑到电源平面去耦，高速信号线完整参考层及回流路径等因素，优先考虑“信号（器件）、电源、地、信号（高速信号）”叠层顺序，滤波电路前后级走线尽可能分开，差分接收输出的单端信号串联电阻起到一定的抑制干扰作用。处于PCB边缘的信号线做包地处理，滤波器尽量放置于干扰路径的上源端和负载端。电路板PCB图，如图9所示。