液晶显示屏中EMC和ESD防护技术

　　LCD（ Liquid Crystal Display），对于许多的用户而言可能是一个并不算新鲜的名词了，不过这种技术存在的历史可能远远超过了我们的想像 －早在19世纪末，奥地利植物学家就发现了液晶，即液态的晶体，也就是说一种物质同时具备了液体的流动性和类似晶体的某种排列特性。在电场的作用下，液晶分子的排列会产生变化。从而影响到它的光学性质，这种现象叫做电光效应。利用液晶的电光效应，英国科学家在上世纪制造了第一块液晶显示器即LCD。今天的液晶显示器中广泛采用的是定线状液晶，如果我们微观去看它，会发现它特象棉花棒。与传统的CRT相比，LCD不但体积小，厚度薄（目前14.1英寸的整机厚度可做到只有5厘米），重量轻、耗能少（1到10 微瓦/平方厘米）、工作电压低（1.5到6V）且无辐射，无闪烁并能直接与CMOS集成电路匹配。由于优点众多，LCD从1998年开始进入台式机应用领域……
   　　目前对于许多流行的手机（尤其是翻盖型手机）而言，手机的彩色LCD、OLED显示屏或相机模块CMOS传感器等部件，都是通过柔性电路或长走线PCB与基带控制器相连的，这些连接线会受到由天线辐射出的寄生GSM/CDMA频率的干扰。同时，由于高分辨率CMOS传感器和TFT模块的引入，数字信号要在更高的频率上工作，这些连接线会像天线一样产生EMI干扰或可能造成ESD危险事件。
   　　上述这种EMI及ESD干扰均会破坏视频信号的完整性，甚至损坏基带控制器电路。受紧凑设计趋势的推动，考虑到电路板空间、手机工作频率上的高滤波性能以及保存信号完整性等设计约束，分立滤波器不能为解决方案提供任何空间节省，而且只能提供针对窄带衰减的有限滤波性能，因此目前大多数设计者都使用集成的EMI滤波器。
   　　随着手机及相机等便携式设备中LCD显示屏分辨率的提高，视频信号的传输速率也越来越高，传统的滤波器方案已慢慢达到它们的技术极限。在配有高分辨率显示屏及嵌入式相机的手机中，信号是通过特定频率（取决于分辨率）从基带ASIC被传送至 LCD及内嵌的相机上。视频分辨率越高，数据工作的频率亦越高。比如，对于30至60万像素的相机模块来说，时钟频率大约介于6至12MHz之间。因此建议将滤波器（上下）截止频率选择在30至50MHz范围内。随着分辨率的提高到数百万像素，时钟频率已超过60MHz，这要求滤波器的截止频率高达 300MHz。
   
   　　
   　　图1：新型滤波器单元结构（串联电阻为100欧姆，线电容为20pF）
   　　
   　　图2：新型RC滤波器S21参数曲线。
   
   　　
   　　图3：LC滤波器单元结构。
   
   　　LC滤波器也称为无源滤波器，是传统的谐波补偿装置。LC滤波器之所以称为无源滤波器，顾名思义，就是该装置不需要额外提供电源。LC滤波器一般是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要；
   　　LCD（ Liquid Crystal Display），对于许多的用户而言可能是一个并不算新鲜的名词了，不过这种技术存在的历史可能远远超过了我们的想像 －早在19世纪末，奥地利植物学家就发现了液晶，即液态的晶体，也就是说一种物质同时具备了液体的流动性和类似晶体的某种排列特性。在电场的作用下，液晶分子的排列会产生变化。从而影响到它的光学性质，这种现象叫做电光效应。利用液晶的电光效应，英国科学家在上世纪制造了第一块液晶显示器即LCD。今天的液晶显示器中广泛采用的是定线状液晶，如果我们微观去看它，会发现它特象棉花棒。与传统的CRT相比，LCD不但体积小，厚度薄（目前14.1英寸的整机厚度可做到只有5厘米），重量轻、耗能少（1到10 微瓦/平方厘米）、工作电压低（1.5到6V）且无辐射，无闪烁并能直接与CMOS集成电路匹配。由于优点众多，LCD从1998年开始进入台式机应用领域……
   　　目前对于许多流行的手机（尤其是翻盖型手机）而言，手机的彩色LCD、OLED显示屏或相机模块CMOS传感器等部件，都是通过柔性电路或长走线PCB与基带控制器相连的，这些连接线会受到由天线辐射出的寄生GSM/CDMA频率的干扰。同时，由于高分辨率CMOS传感器和TFT模块的引入，数字信号要在更高的频率上工作，这些连接线会像天线一样产生EMI干扰或可能造成ESD危险事件。
   　　上述这种EMI及ESD干扰均会破坏视频信号的完整性，甚至损坏基带控制器电路。受紧凑设计趋势的推动，考虑到电路板空间、手机工作频率上的高滤波性能以及保存信号完整性等设计约束，分立滤波器不能为解决方案提供任何空间节省，而且只能提供针对窄带衰减的有限滤波性能，因此目前大多数设计者都使用集成的EMI滤波器。
   　　随着手机及相机等便携式设备中LCD显示屏分辨率的提高，视频信号的传输速率也越来越高，传统的滤波器方案已慢慢达到它们的技术极限。在配有高分辨率显示屏及嵌入式相机的手机中，信号是通过特定频率（取决于分辨率）从基带ASIC被传送至 LCD及内嵌的相机上。视频分辨率越高，数据工作的频率亦越高。比如，对于30至60万像素的相机模块来说，时钟频率大约介于6至12MHz之间。因此建议将滤波器（上下）截止频率选择在30至50MHz范围内。随着分辨率的提高到数百万像素，时钟频率已超过60MHz，这要求滤波器的截止频率高达 300MHz。
   
   　　
   　　图1：新型滤波器单元结构（串联电阻为100欧姆，线电容为20pF）
   　　
   　　图2：新型RC滤波器S21参数曲线。
   
   　　
   　　图3：LC滤波器单元结构。
   
   　　LC滤波器也称为无源滤波器，是传统的谐波补偿装置。LC滤波器之所以称为无源滤波器，顾名思义，就是该装置不需要额外提供电源。LC滤波器一般是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要；
   　　面对手机行业的这些发展趋势，传统的RC滤波器解决方案正在达到其极限。同时它能提供出色的滤波性能，在800MHz至2.5GHz的频率范围内衰减特性优于-25dB。图4显示了采用此滤波器基本单元架构的S21参数指标。除滤波功能外，集成输入TVS管还能抑制高达15kV的空气放电ESD冲击，达到了 IEC61000-4-2第4级工业标准所要求的性能水平。
   
   　　
   　　图4：LC滤波器的S21参数曲线。
   
   　　英联电子的低电容EMI滤波器UM4411、UM6411、UM8411支持4、6及8线配置，EMI滤波器通常由串联电抗器和并联电容器组成的低通滤波电路，其作用是允许设备正常工作时的频率信号进入设备，而对高频的干扰信号有较大的阻碍作用。每一种配置均包含侧接有TVS管的PI型RC滤波网络。器件采用了0.4mm管脚间距的QFN封装，可以为超薄手机的设计师们提供更为宽裕的设计空间。尤其在PCB的布板上，目前一些显示屏 I/O连接座的管脚间距都是0.4mm，使用0.4mm管脚间距DFN封装的EMI滤波器将有助于系统工程师布板。在器件的选择上，应根据数据通道的数量进行合理选择，图5中显示了使用一个8通道的滤波器和两个4通道滤波器在布板上的一些优势；同时选用一个8通道滤波器也比两个4通道滤波器的成本要低。
   
   　　
   　　图5 EMI滤波器管脚间距对布板的影响。