一, Estándares de pruebas industriales de EMC y requisitos básicos
Las pruebas de EMC de equipos industriales deben cumplir con el sistema de tres-niveles de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), las normas europeas (EN) y las normas nacionales chinas (GB). Los elementos principales de la prueba incluyen:
Emisión radiada (RE): La frecuencia de prueba cubre de 30 MHz a 1 GHz, y se requiere que el equipo reciba una intensidad de campo electromagnético menor o igual a 40 dB μ V/m (10 m de distancia) a través de una antena en una cámara anecoica. La señal del reloj y sus armónicos de la pantalla LCD de código roto son las principales fuentes de radiación y, si no se optimizan en su diseño, son propensas a exceder el estándar.
Interferencia conducida (CE): La frecuencia de prueba está entre 150 kHz y 30 MHz, y el voltaje de interferencia en la línea eléctrica se mide a través de una red de estabilización de impedancia de línea (LISN). Si el módulo de alimentación de la pantalla LCD desconectada no adopta un diseño de filtrado, se puede transmitir ruido de alta-frecuencia a la red eléctrica a través de la línea eléctrica, afectando a otros dispositivos.
Descarga electrostática (ESD): De acuerdo con la norma IEC 61000-4-2, aplique una descarga de contacto de ± 8 kV y una descarga de aire de ± 15 kV a la carcasa y la interfaz del equipo. Si el panel táctil o la interfaz de la pantalla LCD desconectada carece de protección, la ESD puede provocar anomalías en la pantalla o daños en el circuito.
Inmunidad contra sobretensiones (SURGE): simule rayos o impactos de conmutación de alta corriente para probar la capacidad del equipo para soportar sobretensiones. En entornos industriales, una pantalla LCD de código roto debe soportar un impacto de sobretensión de al menos ± 2 kV.
2, Análisis de fuentes de interferencia EMC en LCD con código roto
El problema EMC del LCD con código roto se debe principalmente a los siguientes aspectos:
Armónicos de la señal del reloj: el circuito de activación de una pantalla LCD con código roto suele utilizar un reloj de alta-frecuencia (como 15 MHz), que genera múltiples armónicos (como 150 MHz y 300 MHz) después de la expansión de la serie de Fourier. Si la señal del reloj no se filtra ni protege, los armónicos pueden irradiarse al espacio a través del cableado o los conectores de la PCB, lo que hace que RE supere el estándar.
Ruido de la fuente de alimentación: si el módulo de alimentación de la pantalla LCD desconectada no utiliza un filtro tipo π - o un inductor de modo común, el ruido de alta-frecuencia de la fuente de alimentación conmutada (como 100 kHz a 1 MHz) puede conducirse a la red eléctrica a través de la línea eléctrica, causando problemas CE.
Acoplamiento de interfaz: si la interfaz de señal del LCD desconectado (como SPI, I2C) no utiliza aislamiento optoelectrónico o magnético, la interferencia externa puede acoplarse al circuito del controlador a través de la línea de señal, lo que resulta en una visualización anormal.
Defectos en el diseño de la PCB: si las líneas de señal de alta-velocidad (como las líneas de reloj) no se enrutan de manera diferencial, o si la tierra digital y la tierra analógica no están aisladas mediante perlas magnéticas, se pueden formar interferencias de bucle de tierra y reducir la inmunidad a ESD.
3, sistema de tecnología de protección EMC para LCD con código roto
En respuesta a las fuentes de interferencia antes mencionadas, es necesario construir un sistema de protección para la pantalla LCD con códigos rotos a partir de tres aspectos: selección de materiales, diseño estructural y optimización del circuito.
1. Optimización material y estructural
Revestimiento conductor: rocíe una capa conductora de ITO sobre la superficie de la pantalla para controlar la resistencia de la superficie dentro del rango de 10 ⁶ -10 ⁹ Ω/sq, lo que puede descargar rápidamente la electricidad estática y mejorar la inmunidad ESD a ± 8 kV.
Diseño de cubierta protectora: agregue cubiertas protectoras de lámina de cobre en áreas clave de la PCB, como circuitos integrados de controladores y circuitos de reloj, y conéctelos a tierra a través de vías para reducir el acoplamiento de campo cercano-. Cierto transmisor de presión industrial reduce la intensidad de la radiación en el punto de frecuencia de 300MHz en 15dB a través de este diseño.
Blindaje del cable: Las líneas de señal y alimentación utilizan cables blindados de par trenzado, con la capa de blindaje terminada 360 grados con respecto a la carcasa del conector para reducir la radiación de modo común. Cierto servoaccionamiento industrial ha reducido la interferencia conducida en 10 dB gracias a esta mejora.
2. Diseño de optimización de circuitos.
Filtrado de energía: agregue un filtro tipo π - al terminal de entrada de energía, con valores de inductancia que oscilan entre 100 μ H y 1 mH y valores de capacitancia que oscilan entre 0,1 μ F y 10 μ F, para suprimir el ruido diferencial y de modo común. Un determinado sensor industrial reduce la tensión perturbadora en el extremo de la fuente de alimentación por debajo del valor límite mediante este diseño.
Filtrado de señal: agregue un filtro de paso bajo-RC a la entrada de señal analógica, con una frecuencia de corte establecida en 1,5 veces el ancho de banda de la señal, para reducir el ruido de alta-frecuencia. Cierto dispositivo médico utiliza esta tecnología para reducir la radiación de la línea de señal en 8 dB.
Procesamiento de la señal del reloj: amplía el tiempo del flanco ascendente de la señal del reloj y reduce su amplitud armónica de alta-frecuencia; O reduzca la frecuencia del reloj (por ejemplo, de 15 MHz a 8 MHz) y mueva los puntos de frecuencia armónica fuera de la banda de frecuencia de prueba. Un determinado panel reduce el valor de radiación de 150 MHz a 1/20 mediante un diseño de reducción de frecuencia.
3. Puesta a tierra y optimización del diseño.
Conexión a tierra de un solo punto: en circuitos de baja-frecuencia (<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.
Diseño de PCB multicapa: en una PCB de cuatro capas, se configuran capas independientes y capas de energía, y las conexiones entre capas se logran a través de vías para reducir el acoplamiento electromagnético. Cierto equipo de tránsito ferroviario reduce la emisión de radiación en 12 dB gracias a este diseño.
Aislamiento de módulo sensible: divida el diseño de circuitos analógicos, circuitos digitales y circuitos de alimentación en zonas y coloque tiras de aislamiento entre zonas para reducir la interferencia cruzada de la señal. Cierto medidor inteligente ha reducido la tasa de fallas de ESD en un 90% a través de este diseño.
4, Práctica de la industria y análisis de casos.
Caso 1: Rectificación de la emisión excesiva de radiación de transmisores de presión industriales
Cierto transmisor de presión industrial excedió el estándar en 10 dB en el punto de frecuencia de 300 MHz y fue rectificado mediante las siguientes medidas:
Agregue una cubierta de blindaje en la PCB para cubrir los módulos ADC y MCU, aumentando la eficiencia del blindaje en 15 dB;
Cambie las líneas de alimentación y señal por cables blindados de par trenzado. Después de conectar a tierra la capa protectora, la intensidad de la radiación disminuye en 8 dB;
Optimice el cableado de PCB, acorte la longitud de la línea de señal de alta-frecuencia y reduzca la radiación del modo diferencial en 5 dB.
Finalmente, el dispositivo pasó la prueba de emisión de radiación IEC 61000-4-3.
Caso 2: Rectificación de inmunidad ESD insuficiente de sensores industriales
Cierto sensor industrial experimentó anomalías funcionales durante la prueba de descarga de contacto de ± 8 kV. Las medidas correctivas incluyen:
Agregue almohadillas de goma conductoras en las costuras de la carcasa para aumentar la efectividad del blindaje a 50 dB;
Agregue una matriz de diodos TVS en el terminal de entrada de señal con un voltaje de abrazadera inferior o igual a 6 V para proteger eficazmente el circuito descendente;
Optimice el cableado de PCB, aumente la cobertura de la lámina de cobre a nivel del suelo y reduzca el acoplamiento de energía ESD.
Finalmente, el dispositivo pasó la prueba ESD IEC 61000-4-2.
