原创 遭遇空间电磁辐射

遭遇空间电磁辐射

        设计者在做硬件设计时，板级EMC是不得不关注的议题，尤其是高速电路或同时包含模拟、数字和大功率驱动的混合电路中。大多数中小型公司由于不具备EMC测试的设备条件和测试环境，便只能依靠工程师的设计经验来避免EMC问题的发生，甚至是在遭遇EMC问题后才开始重视并考虑这方面的问题，特权同学亦属于此类。

        EMC涵盖的范围很广，可以说板级的硬件工程师一点都不陌生，很多板级问题的发生几乎都可以归结于EMC。何谓EMC？普及一下基础知识，baidu百科一下，得到如下解释：

        电磁兼容性EMC（Electro Magnetic Compatibility），是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。EMC 包括EMI(interference)和EMS(susceptibility)，也就是电磁干扰和电磁抗干扰。

        关于EMI，网络上有篇名为《电磁干扰及抑制》的文章讲得很透彻，推荐感兴趣的朋友可以去看看（文末有链接）。电磁干扰按照耦合方式可以分为传导干扰和辐射干扰。传导干扰一般是通过信号的导线传输产生干扰，辐射干扰则是指电磁噪声的能量以电磁场能量的形式，通过空间辐射的传播，耦合到被干扰设备或电路中。对于这些干扰的抑制，一般需要采取合理的PCB布局布线策略、添加去耦电容或是设计专门的隔离电路等。对于空间辐射，是比较头疼的，除了上面几个点，最绝的办法是对辐射源或辐射敏感电路添加专门的金属外壳进行屏蔽。

        理论不多说了，网络上一搜一箩筐，大家可以自己去吸收消化。下面说一说特权同学所遭遇的活生生的例子，或许能够为大家解决今后遇到的类似问题提供一条不错的线索。

        去年底就开始出样品的一个显示模块，功能蛮强大的，集视频&图片&字符叠加功能于一身。如图1所示，该模块使用的5.7寸液晶屏四边角上有专门的定位孔，因此正好固定在电路板上，而电路板上另外打出6个孔给用户定位。因此，我们的模块出厂时会让液晶屏和电路板“背靠背”固定好。为什么要说这个模块的结构呢？因为问题正好和它息息相关。别着急，且听我慢慢道来。

图1

        大半年的测试和用户试用虽然遇到了不少问题，也进行了必要的升级和优化工作，但这些大都是FPGA和内部软件的事，与板级硬件都没什么干系。最近一个用户反映了一个很怪异的问题，经常在先连好视频信号接着给模块上电后发现花屏现象，并且一段时间后花屏消失，系统进入正常的当前工作界面。后来用户把已经装进他们的结构外壳里的“显示器”整个交给了我们。于是开始琢磨这个“显示器”，发现确实有这样的现象。由于屏是我们出货不多的高亮屏，这个屏的特点是背光功耗较大，因而对整机电源功率要求较高，该客户也曾因为电源问题找过我们麻烦。当然，出现这样的问题，我个人的第一判断是电源功率或是背光电路所致。另外，也怀疑其中一片用于控制视频采集和液晶显示驱动的FPGA在花屏时没有配置成功，测量了config_done信号，发现确实如此。那么就很纳闷了，背光和FPGA配置能有什么关系？此时用手中现有的普通亮度液晶模块做相同的测试无数次，没有产生任何启动失败症状。所以更加怀疑高亮背光部分影响了FPGA的配置。为了进一步确认，甚至于断开负载，发现问题依然没有得到根本的解决，因此初步排除了这个可能。此外，还怀疑过代码版本、液晶屏和电路板之间的排线接触、电路板虚焊或短路等等可疑问题，但是这些猜测都无终而果。

        今天，同事在百无聊赖的对其抓狂之际，突然在另一套液晶屏和电路板分离（不再背靠背）的普亮液晶模块上发现了一样的症状，而且问题频频出现。另外，一个更有意思的发现是，当液晶屏没有没有固定但紧靠电路板时，每次上电都不会出现症状；而一旦扶起液晶屏，让它们稍微分离时，上电后症状就会出现，一旦重新背靠背放置，花屏立即消失，系统正常工作。得出的结论是：当液晶屏背靠电路板时，FPGA能够在上电后立即配置成功；而一旦电路板背后没有液晶屏，则很容易出现花屏现象。还有一些确认测试，也发现如果给视频前端采集电路的主芯片“断炊”（时钟源切断或是没有实时模拟视频信号输入），即便电路板和液晶屏分离，也几乎不会出现任何花屏症状。

       走到这一步，问题其实已经浮出水面了。特权同学已经很确定视频前端采集电路在没有任何屏蔽措施下，产生的空间电磁辐射干扰将会影响FPGA的上电配置过程（受干扰的也许是专用配置芯片，也许是配置管脚信号）。而在有液晶屏背靠电路板的状态下，液晶屏的金属外壳就成为一道隔离电磁干扰的“屏障”，确保视频前端电路的电磁干扰不会影响FPGA的配置过程。否则，FPGA就很难配置成功。这就是我们的模块在采用出厂既有结构的情况下从不出现用户频频上演的花屏症状的原因。而用户其实做了一件“大傻事”，拿了一个零时借用过来的外壳，虽然全是厚重的金属，但由于将原来固定着的液晶屏和电路板分离了，并且二者之间相距甚远，也没有什么别的金属屏蔽措施，因此“惨剧”发生在所难免。后来找了块金属板专门罩住前端视频电路，进过反复验证测试，问题不再复现。

       此番亲身经历可谓是“看不见摸不着”的空间电磁辐射，多少还是“心有余悸”， 正所谓“吃一堑长一智”，今后在这方面也还是要多下功夫，多做考虑。

《电磁干扰及抑制》

http://wenku.baidu.com/view/94b865e8e009581b6ad9eb04.html

视频&图片&字符叠加模组相关链接：

http://www.lcdsoc.com/index.php?_m=mod_product&_a=view&p_id=43