時鐘高次諧波超標(biāo)的原因及解決辦法

一、引言

時鐘是電磁干擾能量的主要來源之一，隨著系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜性和集成度的大規(guī)模提高，電子系統(tǒng)的時鐘頻率越來越高，處理的難度也越來越大，下圖是常見的時鐘超標(biāo)測試示意圖。

二、案例分析

為什么有些時鐘的高次諧波會很容易超標(biāo)？

分析：

周期信號由于每個取樣段的頻譜都是一樣的，所以他的頻譜呈離散形，但在各個頻點上呈強大的特點，通常成為窄帶噪聲。而非周期信號，由于其每個取樣段的頻譜不一樣，所以其頻譜很寬，而且強度較弱，通常被稱為寬帶噪聲。然而在一般系統(tǒng)中，時鐘信號為周期信號，而數(shù)據(jù)和地址線通常為非周期信號，因此造成系統(tǒng)輻射超標(biāo)的通常為時鐘信號。

如何解決時鐘及其諧波超標(biāo)問題呢？

（一）抑制措施1—使用濾波電路

在時鐘信號線靠近輻射源頭增加濾波電路，通過RC時間常數(shù)減緩信號的邊沿轉(zhuǎn)換率；通常采用RC濾波電路，為了得到最理想的端接和防止反射，電阻應(yīng)該盡量的靠近源端，電容最好放置電阻右邊，如下圖所示：

存在問題：

（1）電感和電容存在寄生參數(shù)，高頻效果不理想；

（2）時鐘頻率越來越高，RC濾波效果非常有限；

（二）抑制措施2—屏蔽線纜

分析：

屏蔽線纜是非常有效的措施之一，屏蔽層既能直接遮擋了電纜中差模信號回路的差模輻射，也能為共模電流提供一個返回共模噪聲源的路徑，減小共模電流的回路面積，但是屏蔽線纜也存在以下問題，

（1）采用導(dǎo)電布屏蔽工藝復(fù)雜，人工成本高，效果不夠理想；

（2）采用多層屏蔽FPC排線，成本高，柔韌性不好；

（3）采用微同軸屏蔽效果很好，但是成本很高；

以前傳統(tǒng)的諸如屏蔽，濾波等EMI改善措施的應(yīng)用已變得越來越困難，這促使設(shè)計工程師去探索更可行有效的方法來減少時鐘能量發(fā)射，而擴頻時鐘的適時出現(xiàn)則恰如其分的解決了這個問題，并從源頭上——系統(tǒng)時鐘處控制和減少了EMI發(fā)射強度。目前，時鐘擴展頻譜技術(shù)被廣泛使用在圖像采集、圖像顯示及汽車電子等行業(yè)。

（二）抑制措施3—展頻

1、在屏?xí)r鐘或攝像頭時鐘增加展頻IC

2、應(yīng)用效果對比測試圖

3、展頻技術(shù)原理

通過對尖峰時鐘進行調(diào)制處理，使其從一個窄帶時鐘變?yōu)橐粋€具有邊帶的頻譜，將尖峰能量分散到展頻區(qū)域的多個頻率段，從而達到降低尖峰能量，抑制EMI的效果。

4、展頻的形態(tài)——展頻IC和展頻晶振兩種形態(tài)

5、展頻技術(shù)的優(yōu)勢

（1）在EMI源處抑制EMI，抑制效果好；

（2）PCB板級方案，便于批量生產(chǎn)和電路標(biāo)準(zhǔn)化；

（3）縮短研發(fā)周期，減少屏蔽，過濾，簡化工藝，減少人工成本；

（4）展頻晶振體積小，在車載攝像頭、內(nèi)窺鏡等體積有要求產(chǎn)品實用度高。

6、實際成功應(yīng)用案例

（1）圖像采集類時鐘信號，如攝像頭時鐘，指紋頭等；

（2）圖像顯示類時鐘信號，如屏?xí)r鐘；

（3）晶振、DDR、SD等PCB內(nèi)部時鐘

三、總結(jié)

時鐘擴展頻譜技術(shù)在抑制時鐘EMI上的應(yīng)用，可以在一定程度上簡化EMC對策，降低昂貴的屏蔽材料成本，增強產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的一致性，因此在產(chǎn)品的設(shè)計初期做EMC設(shè)計規(guī)劃時，應(yīng)考慮做好展頻電路的兼容設(shè)計，以防產(chǎn)品在上市前因EMI整改困難而焦頭爛額，錯失最好的市場機會！
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