利用可編程展頻時(shí)鐘生成器來降低EMI干擾

 電磁干擾(EMI)是一種會(huì)通過導(dǎo)致意外響應(yīng)或完全工作實(shí)效從而影響電氣/電子設(shè)備性能的能量。

　　EMI是由輻射電磁場或者感應(yīng)電壓和電流產(chǎn)生的。當(dāng)前高速數(shù)字系統(tǒng)中的高時(shí)鐘頻率和短邊率也會(huì)導(dǎo)致EMI問題。

　　傳導(dǎo)和發(fā)射EMI的一個(gè)重要產(chǎn)生源是連接交流電源線的電氣設(shè)備，例如電腦和開關(guān)電源，以及帶有電動(dòng)馬達(dá)的電氣設(shè)備，例如冰箱、空調(diào)和電單車等。

　　一旦電氣設(shè)備的EMI傳導(dǎo)到一個(gè)電路里，里面的線纜就會(huì)像一根天線一樣，將傳導(dǎo)EMI以RFI(無線電干擾)的形式“廣播”到整個(gè)電路中。

圖1：時(shí)鐘域里的Hershey Kiss展頻時(shí)鐘頻率概圖。

　　EMI可能影響不大，也可能導(dǎo)致災(zāi)難性的故障，所以對EMI的有效控制是非常重要的。電磁兼容性(EMC)是指系統(tǒng)能在指定環(huán)境下運(yùn)行而不會(huì)傳導(dǎo)或發(fā)射過量電池干擾的能力。

　　EMI標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)成本

　　EMC標(biāo)準(zhǔn)的宗旨是為了確保電子設(shè)備不會(huì)影響其它電子設(shè)備的運(yùn)行甚至導(dǎo)致設(shè)備的故障。

　　各國針對“電視、廣播、便攜式娛樂設(shè)備、電子游戲和互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備”等消費(fèi)電子設(shè)備的EMI屏蔽功能的要求各有不同。

　　目前為止已經(jīng)有各種各樣的組織發(fā)布了EMI規(guī)范。在美國，F(xiàn)CC發(fā)布了針對A?級和B級電子設(shè)備的第15部分J章規(guī)范。A?級和A層規(guī)范針對的是工業(yè)設(shè)備，而B級和B層規(guī)范則適用于消費(fèi)電子產(chǎn)品。EMI規(guī)則減少了電子設(shè)備之間的干擾，解決了健康和安全方面的問題。

圖2：頻率域里的展頻時(shí)鐘頻率概圖。

　　如何控制EMI，一般要考慮以下幾個(gè)因素：

　　1) PCB設(shè)計(jì)－“靈敏元件、電源和地面層的隔離”

　　2) 電路電流－“EMI輻射會(huì)隨電流增大而增加”

　　3) 頻率，包括回轉(zhuǎn)率－“EMI輻射會(huì)導(dǎo)致頻率升高”

　　4) 帶寬

　　5) 電路回路區(qū)域－“保持在最小”

　　6) 屏蔽/過濾－“結(jié)合合理的設(shè)計(jì)、過濾、屏蔽和其它技巧，來以最低成本的方法將EMI控制在所需等級”

　　7) 展頻時(shí)鐘－“合適的展頻數(shù)量和調(diào)制頻率”

　　8) 抖動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)中時(shí)鐘的中心頻率，以便將輻射能量擴(kuò)展到多個(gè)頻段，而不是讓所有能量輻射到一個(gè)頻率。

　　控制和降低EMI的方法

　　控制和降低EMI有兩個(gè)基本方法：抑制和吸收。最常用的降噪方法包括合理的設(shè)備電路設(shè)計(jì)、屏蔽、接地、過濾、隔離、分隔和定向、電路阻抗級控制、線纜設(shè)計(jì)和噪音消除等。

　　這些方法要求使用無源和有源元件，例如濾波器、扼流器、鐵氧體磁珠、箔片和??件，并結(jié)合PCB設(shè)計(jì)規(guī)則和展頻時(shí)鐘生成器(SSCG)。

圖3：Hershey Kiss展頻概圖的優(yōu)勢。

　　在源頭處解決EMI問題

　　EMC設(shè)計(jì)的一個(gè)基本原則是在PCB的源頭處減弱EMI。展頻法是指有意將特別帶寬中產(chǎn)生的輻射能量擴(kuò)展到頻率域，產(chǎn)生一個(gè)帶寬更大的信號。展品時(shí)鐘生成器(SSCG)就可以執(zhí)行這一功能。

　　在選擇展頻時(shí)鐘來減弱消費(fèi)電子產(chǎn)品的EMI時(shí)，開發(fā)人員必須確保以下幾點(diǎn)：

　　1) 系統(tǒng)必須通過EMI型式測試。良好的頻率概圖和調(diào)制頻率是最重要的。高質(zhì)量的Hershey Kiss頻率概圖在降低EMI上是性能最好的；與之相比，三角頻率概圖需要更大的擴(kuò)展量才能將EMI降低到同樣等級(見圖1至圖3)。調(diào)制頻率越高，就能將EMI降到更低的程度(如圖4)。

　　2)即便展頻有副作用，也要保持系統(tǒng)性能。首先，PLL必須運(yùn)行于一個(gè)理想狀態(tài)，例如較高的PFD和VCO頻率和適當(dāng)?shù)膸挼鹊?。第二，頻率擴(kuò)展量必須盡可能小，以便保持較高的系統(tǒng)時(shí)序余度和較低的周期間抖動(dòng)。頻率擴(kuò)展量更小，系統(tǒng)的平均頻率就不會(huì)降低太多，因而系統(tǒng)的運(yùn)行速度也就不會(huì)那么慢。

　　3)要將對系統(tǒng)總成本的影響最小化。在消費(fèi)電子產(chǎn)品中，展頻時(shí)鐘芯片的價(jià)格向來是一個(gè)主要的價(jià)格問題。但是，在最近幾年消費(fèi)電子產(chǎn)品復(fù)雜性越來越高的同時(shí)，開發(fā)人員也要慎重考慮開發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)。

　　比如，在抑制EMI和抖動(dòng)中即便只有一項(xiàng)要求沒有達(dá)到，消費(fèi)電子產(chǎn)品的系統(tǒng)時(shí)鐘需要調(diào)整的可能性就更大。可編程型抑制EMI的方法的靈活性，可以大大降低開發(fā)成本和風(fēng)險(xiǎn)，從而確保滿足所有要求。

圖4：通過調(diào)制頻率降低EMI。

　　展頻時(shí)鐘生成器

　　展頻時(shí)鐘生成器(SSCG)可分成可編程和不可編程兩種，也可以根據(jù)其是否有Hershey Kiss頻率還是三角展頻來分類。不同消費(fèi)電子產(chǎn)品的展頻時(shí)鐘對于頻率、中心或向下擴(kuò)展、擴(kuò)展量、調(diào)制頻率、Hershey Kiss或三角展頻等的要求是不同的。

　　由于非可編程式展頻時(shí)鐘芯片是為特殊應(yīng)用定制的，頻率范圍和擴(kuò)展量只有幾個(gè)固定的可選項(xiàng)，要在最大化成本/性能的同時(shí)滿足最優(yōu)展頻要求，就變得非常困難。

　　市場上大部分固定功能的時(shí)鐘芯片都有多個(gè)固定的可選擇輸入頻率范圍(如20-40MHz, 40-80MHz和80-160MHz)以及擴(kuò)展率(如0.5%, 1%, 2%和3%)。要實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，就需要兩套PLL參數(shù)，一套針對EMI抑制性能，另一套面向PLL性能。

圖5：GP SSCG緩沖器芯片中的頻率調(diào)整。

　　當(dāng)實(shí)際配置和這些理想設(shè)置有偏差時(shí)，各種副作用就會(huì)產(chǎn)生。比如，如果輸入頻率不在所選范圍的正中，VCO和調(diào)制頻率就會(huì)被直線調(diào)整(下圖6)。

　　如果PLL帶寬太低(一般是由于控制周期間抖動(dòng)，如圖6所示)，那么頻率概圖就會(huì)變形，從而影響EMI性能。

　　當(dāng)輸入頻率最低時(shí)，結(jié)果是最糟糕的：因?yàn)镻DF和VCO頻率都很低，周期間抖動(dòng)大大增加，并且由于調(diào)制頻率低而頻率概圖可能變形，EMI抑制性能就會(huì)大大降低。

圖6：頻率調(diào)整和理想概圖比較。

　　當(dāng)擴(kuò)展量的選擇受到限制時(shí)，開發(fā)人員就必須選擇一個(gè)超出需要的更大擴(kuò)展量。這常常會(huì)增加周期間抖動(dòng)，并降低系統(tǒng)時(shí)序預(yù)算。

　　如果沒有一個(gè)擴(kuò)展率可以滿足系統(tǒng)要求，開發(fā)人員就必須要求時(shí)鐘供應(yīng)商對設(shè)計(jì)作出改動(dòng)并提供一款新的芯片，而這個(gè)過程中，哪怕僅僅是改變一個(gè)金屬層那么簡單，也最少需要數(shù)周的時(shí)間，并且成本一般都非常高。

　　與之相比，一個(gè)可編程的展頻時(shí)鐘生成器則能夠提供支持可現(xiàn)場編程性的通用時(shí)鐘，并結(jié)合片上非易失性存儲器，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的展頻參數(shù)重置，從而不需要讓廠家花大量時(shí)間和成本對芯片進(jìn)行改動(dòng)。

　　可編程性還讓展頻時(shí)鐘性能能夠針對所要求的規(guī)格進(jìn)行優(yōu)化。比如，開發(fā)人員可以規(guī)定2.1%的精確擴(kuò)展率(而不是固定選擇的3%)，或者為實(shí)現(xiàn)所需的頻率設(shè)置而優(yōu)化調(diào)制模式。

　　上面的圖4展示了如何利用一個(gè)帶有2個(gè)展頻PLL的4PLL型時(shí)鐘芯片，通過調(diào)制頻率優(yōu)化來輕松將EMI降低3 ～4 dB的。這些擴(kuò)展的PLL都有兩個(gè)獨(dú)立擴(kuò)展模式可供選擇。

　　大部分開發(fā)人員都更喜歡使用Hershey Kiss展頻時(shí)鐘來實(shí)現(xiàn)更好的EMI抑制性能，但很多時(shí)鐘供應(yīng)商都只提供線性展頻時(shí)鐘。在理想情況下，一個(gè)SSCG必須同時(shí)提供Hershey Kiss和線性展頻時(shí)鐘。圖3展示出Hershey Kiss展頻時(shí)鐘在上面所示的4PLL時(shí)鐘芯片測試條件下一次性EMI降低了1.67dB。

　　另外，重要的時(shí)鐘參數(shù)，例如PLL電荷泵電流、VCO增益和輸出驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，都是必須能夠編程設(shè)置的。這樣的靈活性能夠大大提高系統(tǒng)性能，減少系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，將改動(dòng)限制到最小并降低風(fēng)險(xiǎn)。