EMV-gerechte Signalübertragung
Einfache EMV-Optimierung über TFT-Controller
Neben Bildqualität und Signalintegrität entscheidet zunehmend die EMV über den Markterfolg eines Geräts. Moderne TFT-Controller ermöglichen es, EMV-relevante Signalparameter direkt per Software zu optimieren – sogar während der Messungen im EMV-Labor.
TFT-Displays sind aus modernen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Ob in der Industrie, Medizintechnik, dem Automotive-Bereich oder den Embedded-Systemen: Überall, wo Informationen grafisch dargestellt werden müssen, spielen TFT-Displays eine zentrale Rolle. Doch während sich die Anzeigetechnologie stetig weiterentwickelt, bleibt eine Herausforderung bestehen: die optimale Ansteuerung. Hier geht es nicht nur um die Bildqualität, Farbtreue und Reaktionszeiten, sondern auch um die Einhaltung regulatorischer Vorgaben, insbesondere im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV).
Gerade im industriellen Umfeld ist die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ein kritischer Faktor. Geräte müssen so konstruiert sein, dass sie weder selbst unzulässig hohe Störungen aussenden noch durch externe elektromagnetische Felder beeinträchtigt werden. Eine fehlerhafte Konfiguration kann dabei nicht nur zu einer verschlechterten Signalqualität führen, sondern auch die Marktfähigkeit negativ beeinflussen, weil gängige Zertifizierungen und Zulassungen bei zu hohen Störemissionen nicht erteilt werden. In Europa sind hier insbesondere die Normen DIN EN 61000-6-3 für Wohn- und Geschäftsbereiche sowie DIN EN 61000-6-4 für Industriebereiche zu nennen, die Grenzwerte für die erlaubte Störemission definieren.
Analyse potenzieller Störquellen bei TFT-Anwendungen
Bevor jedoch der teure und aufwändige Gang zum EMV-Labor ansteht, sollten Entwickler bereits im Vorfeld analysieren, welche Quellen elektromagnetischer Störungen in ihrer Anwendung vorhanden sind. Im Kontext von TFT-Controller-Boards sind hier insbesondere das Videoeingangssignal – beispielsweise HDMI, VGA oder DisplayPort – sowie das Videoausgangssignal, beispielsweise LVDS oder eDP, zu betrachten. Ihre Taktfrequenzen lassen sich in EMV-Messungen deutlich erkennen.
Zwar können Störabstrahlungen durch gezielte Entstörmaßnahmen, optimierte PCB-Layouts und hochwertige Kabelverbindungen reduziert werden, sie lassen sich jedoch hierdurch nicht vollständig unterdrücken. Statt immer mehr Aufwand in die Störunterdrückung zu stecken ist es daher oft effizienter, die Quelle der Störausstrahlung zu minimieren – insbesondere am Videoausgang, weil hier der TFT-Controller die vollständige Kontrolle über die Signal-Komposition hat.
Struktur eines LVDS-Signals
Technische Stellgrößen zur Beeinflussung der EMV
Liegt das Video-Interface des TFT-Displays in Form einer LVDS-Schnittstelle vor, so besteht diese aus mehreren differentiellen elektrischen Signalen, die den Videoinhalt digital nach dem JEIDA- oder VESA-Standard kodiert übertragen. Die konkrete Übertragung erfolgt hierbei wahlweise mittels verdrillter Leitungspaare oder, falls verbesserte Abschirmeigenschaften benötigt werden, als Mini-Koaxialkabel. Die Signaleinspeisung erfolgt wiederum TFT-controllerseitig über eine Konstantstromquelle und das Signal wird displayseitig mit einem Widerstand, hier typischerweise von 100 Ω, abgeschlossen, um Reflexionen des elektrischen Signals an der Senke, also dem Display, zu vermeiden.
Über diese grundsätzliche Konstruktion der LVDS-Schnittstelle hinaus eröffnen sich für den TFT-Controller mehrere Stellgrößen, über die er Einfluss auf die Signalqualität und die Störausstrahlung nehmen kann. Neben den offensichtlichen Kandidaten Taktfrequenz und Signalamplitude – letztere ergibt sich als Kombination aus dem Ausgangsstrom und dem displayseitigen Abschlusswiderstand – sorgt hier zum Beispiel eine erhöhte Flankensteilheit dafür, dass die Datenpegel früher stabil auf dem Kabel anliegen und damit sicherer durch das Display abgetastet werden können. Gleichzeitig verschlimmern die für die steileren Flanken notwendigen hochfrequenten Signalanteile im LVDS-Signal allerdings die Störabstrahlung.
LVDS-Signale mit zunehmender Flankensteilheit von links nach rechts
Bei der HF-Vorverstärkung verhält es sich ähnlich: Liegen baulich bedingt sehr lange Kabelstrecken zwischen dem TFT-Controller und dem Display vor, so werden die hochfrequenten Signalkomponenten infolge der induktiven Leitungseigenschaften entlang des Kabels zunehmend gedämpft, was zu einer Abflachung der Signalform und damit zu potenziellen Problemen beim Dekodieren des Signals führt. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, können die hochfrequenten Signalkomponenten, also die Flanken des LVDS-Signals, bewusst durch den TFT-Controller vorverstärkt werden, ihnen also »Überschwinger« verpasst werden. Bei gezielter Anwendung einer derartigen Vorverstärkung kann dadurch zwar der Signaldegeneration optimal entgegengewirkt und damit die Dekodierbarkeit am Empfänger verbessert werden. Dies geht allerdings zu Lasten einer erhöhten Störabstrahlung.
Während sich die beiden vorgenannten Stellgrößen im Wesentlichen mit den Flanken und damit der Abtastbarkeit des Signals auseinandersetzen, wird beim Clock Spreading eine weitere Stellgröße von TFT-Controllern modifiziert. Hier wird nicht die Signalform an sich, sondern stattdessen die Taktfrequenz modifiziert, indem das Taktsignal und damit das gesamte LVDS-Signal periodisch um die nominale Taktfrequenz herum ausgelenkt wird, beispielsweise in Form eines Sägezahns. Wird der Einfluss dieser Maßnahme im Frequenzbereich analysiert, so lässt sich feststellen, dass die zuvor vorhandene Emissionsspitze infolge der Taktfrequenz nun verschwunden und stattdessen durch ein hinsichtlich der Amplitude kleineres, aber dafür flächiges Segment um die Taktfrequenz herum ersetzt wurde. Statt also eine einzelne, die Normen potenziell übersteigende Störfrequenz abzustrahlen, weist das Frequenzspektrum nun ein breiteres, aber schwächer ausgeprägtes Frequenzband auf, was der Emissionsunterdrückung zugutekommt. Jedoch ist bei der Anwendung derartigen Clock Spreadings stets auf die Vorgaben des Display-Herstellers zu achten, weil nicht alle Anzeigeeinheiten mit einer variablen Taktfrequenz umgehen können.
Die gerade vorgestellten Stellgrößen Signalamplitude (d.h. Ausgangsstrom), Flankensteilheit, HF-Vorverstärkung und Clock Spreading stellen neben mechanischen Maßnahmen wie hochwertigeren Kabelverbindungen ein wichtiges Werkzeug bei der EMV-Anpassung technischer Geräte dar. So besteht bereits beim Design-In durch den Ingenieur die Aufgabe darin, eine perfekte Auswahl der vorgenannten Parameter so zu treffen, dass einerseits die Spezifikationen des Displays vollständig bedient werden, andererseits aber auch die Störabstrahlung gering bleibt. Ohne diesen aufwändigen Spagat bleibt am Ende oft nur noch die Option teurer Abschirmmaßnahmen.
Softwaregestützte EMV-Optimierung mit TFT-Controllern
In der Vergangenheit war die Anpassung der EMV-Parameter jedoch sehr aufwendig und musste vorab durch den Hersteller des TFT-Controllers erfolgen. Dies hatte zur Folge, dass eine dynamische Anpassung im EMV-Labor nicht möglich war und die erzielten Ergebnisse nicht notwendigerweise das Optimum dessen widerspiegelten, was mit dem vorhandenen Materialeinsatz möglich gewesen wäre.
Demgegenüber ist es nun mit den TFT-Controllern von BECK Elektronik möglich, alle EMV-Einstellungen über eine benutzerfreundliche Software direkt vor Ort, sogar im EMV-Labor, anzupassen und den Effekt der modifizierten Stellgrößen auf die Störemission direkt zu vermessen. Da die Kommunikation mit dem Controller über dasselbe Kabel erfolgt, über welches auch das Videoeingangssignal übertragen wird, muss der Messaufbau für die Kommunikation zudem nicht modifiziert werden. In Kombination mit passenden Kabel von BECK Elektronik können Ingenieure die Störabstrahlung gezielt analysieren und reduzieren.
Frequenzspektrum eines LVDS-Signals (links) und mit Clock-Spreading (rechts)
Aber auch über die EMV-Einstellungen hinausgehend lassen sich die Controller weitreichend durch die Software konfigurieren. So kann auch das eigentliche Videoausgangssignal in seiner Beschaffenheit vollständig konfiguriert werden, sei es die Dauer der horizontalen oder vertikalen Schwarzschulter (horizontale und vertikale Blanking-Intervalle), die Größe des aktiven Anzeigebereichs, die anzustrebende Zieltaktfrequenz oder ob JEIDA bzw. VESA als Video-Protokoll verwendet werden soll: Alle Parameter des LVDS-Streams sind über die Software erreichbar.
Komplettiert wird dieses Portfolio durch die Möglichkeit, auch die EDID (Extended Display Information Data) anzupassen. Die EDID werden dem Host-PC beim Verbinden des Controllers mit dem PC über die Videoschnittstelle – also VGA, HDMI oder DisplayPort – zugesendet und identifizieren viele weitere Einstellungen wie Hinterleuchtungsstärke, Kontrast, Schärfe und Sättigung. Schließlich sind auch Sensorwerte von On-Board- und optionalen externen Sensoren über die Software, das alternative Kommandozeilen-Interface oder die C++- Bibliothek auslesbar. Die Software steht dabei allen Kunden der TFT-Controller zur Verfügung.
