利用擴(kuò)頻時(shí)鐘降低電磁干擾
作為工程師來說，您知道消費(fèi)類電子設(shè)備的操作速度有多快，它們每秒又能執(zhí)行多少任務(wù)嗎？這些設(shè)備的高速操作帶來了許多樂趣，使直觀的觸控手機(jī)和視頻直播以及許多實(shí)際的應(yīng)用都成為了可能，例如為網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備驅(qū)動(dòng)高速數(shù)據(jù)。
電子設(shè)備性能水平和速度的提高給工程師帶來了許多挑戰(zhàn)。當(dāng)設(shè)計(jì)這些設(shè)備時(shí)，安全性是關(guān)鍵因素，需要特別注意。附近設(shè)備的電磁干擾(EMI)是用戶安全和可靠運(yùn)行的一個(gè)主要威脅。
電磁干擾
一次筆者正通過HDTV看足球賽時(shí)，就要射門了，手機(jī)突然接到一個(gè)電話，電視立即就沒了信號(hào)。然而，掛掉電話后電視信號(hào)又有了。這就是電磁干擾的案例。
每一個(gè)電信號(hào)都是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的結(jié)合。任何時(shí)域內(nèi)有限的(或有界)信號(hào)在頻域都是無限(或無界)的，反之亦然。所有電氣系統(tǒng)都具有攜帶信息的信號(hào)，因此，它們都具有特定的模式。這些模式是由接收端和發(fā)射端使用的通信協(xié)議定義的，接收端和發(fā)射端可以位于同一個(gè)PCB上靠近芯片的位置，也可以遠(yuǎn)至地球和衛(wèi)星。在時(shí)域內(nèi)具有固定模式的信號(hào)，其能量會(huì)分布在較寬的頻率范圍內(nèi)。
例如，圖1顯示了時(shí)域和頻域內(nèi)的125MHz時(shí)鐘信號(hào)。在時(shí)域內(nèi)，這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)具有周期性，其能量在頻域內(nèi)分布范圍很廣。圖中125MHz、375MHz、625MHz和875MHz處的標(biāo)記顯示了頻域的四個(gè)連續(xù)高能量點(diǎn)。峰值能量存儲(chǔ)在125MHz的基頻，為10.55dB。此外，375MHz、625MHz和875MHz是125MHz時(shí)鐘信號(hào)的奇次諧波。該能量是電磁干擾的一個(gè)關(guān)鍵因素，它會(huì)干擾附近工作的其他系統(tǒng)。在特定工作頻率具有峰值能量的系統(tǒng)就是電磁輻射源的一個(gè)例子。
在手機(jī)和電視的例子中，輻射源為手機(jī)。在通過LCD HDTV看足球賽時(shí)，機(jī)頂盒被調(diào)整到54到890MHz范圍內(nèi)的體育頻道。當(dāng)手機(jī)處于空閑模式時(shí)(即沒有打電話或發(fā)短信時(shí))，它不會(huì)發(fā)射數(shù)據(jù)也不會(huì)產(chǎn)生輻射。然而，當(dāng)手機(jī)接到來電時(shí)，它開始與最近的基站通信。在傳輸過程中，手機(jī)使用更大的功率并在GSM頻段(900MHz)內(nèi)傳送信號(hào)，這就會(huì)對(duì)相鄰的機(jī)頂盒頻率范圍(接近890MHz)產(chǎn)生輻射。由于這種輻射的存在，機(jī)頂盒無法解碼廣播電視信號(hào)。這在很多家庭中不會(huì)發(fā)生，這是由于在電視和手機(jī)的工作頻率和電磁干擾防護(hù)方面考慮了足夠的裕量。然而，當(dāng)在800MHz范圍內(nèi)支持4G傳輸時(shí)，手機(jī)和電視設(shè)計(jì)人員將會(huì)面臨更多的電磁干擾挑戰(zhàn)。
這種破壞發(fā)生在消費(fèi)類設(shè)備中時(shí)造成的威脅并不算大，然而，想象一下，當(dāng) Wi-Fi信號(hào)干擾到危險(xiǎn)化工廠的控制操作時(shí)又會(huì)怎樣？歷史上有許多事故就是由于電磁干擾所造成，因此，世界領(lǐng)先國(guó)家都在從電磁干擾方面來規(guī)范電子設(shè)計(jì)。
除了電磁干擾輻射以外，還存在來自電路板布線、電源、電容或電感耦合的傳導(dǎo)電磁干擾，這會(huì)干擾其他設(shè)備的系統(tǒng)操作以及功能。
許多國(guó)際監(jiān)管機(jī)構(gòu)(IEC、CISPR和EN)制訂了系統(tǒng)可以有的最大輻射，同時(shí)也定義了不應(yīng)影響系統(tǒng)的最小電磁干擾水平。電磁干擾的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是基于應(yīng)用和終端設(shè)備定義的，例如：軍事、消費(fèi)類、工業(yè)和汽車等。
高速設(shè)備是由高速時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的設(shè)備。主要影響EMI的因素是高速時(shí)鐘信號(hào)，它在時(shí)域上呈現(xiàn)周期性。如圖2所示，125MHz的時(shí)鐘信號(hào)在基頻上具有峰值能量和較強(qiáng)的奇次諧波信號(hào)(如圖1所示)。
圖1：時(shí)域和頻域內(nèi)的時(shí)鐘信號(hào)。
圖2顯示了125MHz時(shí)鐘集中于基頻的頻譜分析。峰值表明基頻的能量為-5.29dBm。如果中心頻率的能量降低了，則由時(shí)鐘信號(hào)引起的輻射也會(huì)下降。在時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)大多數(shù)板上器件的系統(tǒng)中，電磁干擾會(huì)顯著提高。擴(kuò)頻技術(shù)采用同樣概念來提高系統(tǒng)的抗電磁干擾性能。
擴(kuò)頻技術(shù)
在擴(kuò)頻技術(shù)中，高頻時(shí)鐘信號(hào)通過低頻調(diào)制。調(diào)制信號(hào)的頻率通常為30~120kHz。由于調(diào)制，儲(chǔ)存在基頻的能量將分布在一個(gè)較寬的頻率范圍內(nèi)并使峰值降低(如圖3所示)。假如沒有采用擴(kuò)頻技術(shù)，125MHz時(shí)鐘信號(hào)的峰值為-5.29dB。經(jīng)過±2%的擴(kuò)展，峰值會(huì)降低到-13.37dB。調(diào)制曲線、擴(kuò)展類型、擴(kuò)展百分比都是擴(kuò)頻技術(shù)的重要參數(shù)。
圖3：經(jīng)過±2%中心擴(kuò)頻的125MHz時(shí)鐘。
調(diào)制曲線：簡(jiǎn)單來說，調(diào)制信號(hào)波形代表了調(diào)制曲線。有兩種大家熟悉的曲線：Linear和Lexmark。Lexmark相對(duì)Linear來說可以更好地降低峰值。Linear曲線形狀上類似于三角波。
擴(kuò)展百分比：調(diào)制信號(hào)的峰峰值振幅代表了擴(kuò)展百分比。擴(kuò)展百分比代表標(biāo)稱信號(hào)頻率的偏差。
擴(kuò)展類型：如果標(biāo)稱信號(hào)頻率是在調(diào)制曲線的中心，則稱為中心擴(kuò)展。如果信號(hào)頻率在調(diào)制曲線的頂部，則稱為向下擴(kuò)展。
案例分析
在信息技術(shù)設(shè)備中，CY 25100時(shí)鐘芯片被用來驅(qū)動(dòng)FPGA和以太網(wǎng)芯片(如圖4所示)。參考時(shí)鐘輸出為25MHz，沒有擴(kuò)展。125MHz信號(hào)通過片上鎖相環(huán)生成，可以是一個(gè)擴(kuò)頻時(shí)鐘。
圖4：CY25100應(yīng)用。
最初，客戶使用沒有擴(kuò)展的125MHz時(shí)鐘輸出。按照歐盟要求，該設(shè)備需要滿足EN 55022標(biāo)準(zhǔn)限值。設(shè)備樣機(jī)經(jīng)過測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)在125MHz的多個(gè)倍頻處有44dB輻射，超過了EN 55022標(biāo)準(zhǔn)的40dB限制。通過采用不同的擴(kuò)展百分比進(jìn)行一些試驗(yàn)，在31.7kHz處進(jìn)行±2%中心擴(kuò)展減少6dB的整體設(shè)備輻射，使得系統(tǒng)滿足了EN 55022要求并提供了2dB的裕量。
為了檢驗(yàn)在電磁干擾方面擴(kuò)頻時(shí)鐘的效果，在具有最低噪聲的簡(jiǎn)潔設(shè)置下使用鑒定板(即板上只有CY 25100器件)測(cè)量了125MHz時(shí)鐘峰值能量。沒有擴(kuò)頻時(shí)，測(cè)量到的時(shí)鐘信號(hào)峰值為-5.29dB。經(jīng)過±2%的擴(kuò)展后，時(shí)鐘峰值減少為8dB。表1顯示了擴(kuò)展百分比下的峰值減少情況。
使用擴(kuò)頻時(shí)鐘時(shí)，在電磁干擾輻射方面會(huì)有顯著改善。此外，這些改善不需要花費(fèi)時(shí)間和成本進(jìn)行樣機(jī)或電路板的重新設(shè)計(jì)。
使用擴(kuò)頻時(shí)鐘前檢查參數(shù)
抖動(dòng)：在低頻處擴(kuò)頻調(diào)制高頻時(shí)鐘信號(hào)，增加了周期上的時(shí)鐘沿偏差。這樣就導(dǎo)致了更高的抖動(dòng)。需要測(cè)量擴(kuò)頻時(shí)鐘的抖動(dòng)，并確定時(shí)鐘接收端可以容忍擴(kuò)頻時(shí)鐘中增加的抖動(dòng)。
百萬分率(PPM)誤差：百萬分率(PPM)誤差參數(shù)用來測(cè)量時(shí)鐘信號(hào)精度。由于擴(kuò)展百分比，時(shí)鐘頻率將不同于標(biāo)稱頻率，因此，PPM誤差將會(huì)增大。對(duì)于PPM誤差規(guī)格非常嚴(yán)格的應(yīng)用來說，需要確保使用擴(kuò)頻后PPM誤差仍在限制范圍內(nèi)。
擴(kuò)展已知鎖相環(huán)：假設(shè)應(yīng)用中采用單個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)多個(gè)時(shí)鐘接收芯片，那么零延遲緩沖器就可以用來滿足時(shí)鐘接收負(fù)載。如果最初生成的時(shí)鐘信號(hào)有擴(kuò)頻，需要通過讓其經(jīng)過時(shí)鐘接收端以充分減少電磁干擾來驗(yàn)證零延遲緩沖器支持?jǐn)U展。如果零延遲緩沖器不支持?jǐn)U展，輸入擴(kuò)展將會(huì)在時(shí)鐘緩沖器輸出出現(xiàn)偏移。這被稱為跟蹤偏移，如果應(yīng)用對(duì)偏移規(guī)格要求較為嚴(yán)格(例如：同步應(yīng)用)，那么它就需要被關(guān)注。
為專門應(yīng)用選擇擴(kuò)展參數(shù)
增加擴(kuò)展百分比，峰值能量會(huì)相應(yīng)減少，但峰值降低速率并不是常數(shù)。如表1所示，當(dāng)擴(kuò)展百分比為±2%時(shí)，峰值減少8.08dB((-13.37)-(-5.29)dB)。當(dāng)擴(kuò)展百分比增加到±2.5%時(shí)，峰值減少8.82dB((-14.11)-(-5.29)dB)。因此，對(duì)于進(jìn)一步的±0.5%擴(kuò)展增量，可以觀察到小于1dB的峰值降低。
擴(kuò)展類型(向下擴(kuò)展/中心擴(kuò)展)：這取決于時(shí)鐘接收端的最高工作頻率。如果時(shí)鐘接收端支持正常頻率的±容限，可以使用中心擴(kuò)展或向下擴(kuò)展。中心擴(kuò)展可以使標(biāo)稱頻率在兩個(gè)方向上發(fā)生變化，例如，25MHz經(jīng)過±1%擴(kuò)展，可以從24.75MHz到25.25MHz變化。向下擴(kuò)展只向下變化標(biāo)稱頻率，可以確保最大頻率一直為標(biāo)稱頻率，例如，25MHz經(jīng)過-1%擴(kuò)展，將會(huì)從24.75MHz到25MHz變化。在正常頻率為最高頻率的情況下，向下擴(kuò)展是正確的選擇。
調(diào)制曲線：Lexmark曲線相對(duì)于Linear曲線來說可以更好的降低峰值。如果時(shí)鐘發(fā)生器支持Lexmark曲線，那么就選擇它。
在復(fù)雜的系統(tǒng)應(yīng)用中會(huì)包含多個(gè)數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和地址總線，它們運(yùn)行在不同的速度，使用不同的電源，支持不同的通信協(xié)議，只使用一個(gè)特定頻率的擴(kuò)頻時(shí)鐘不足以完全管理系統(tǒng)的電磁干擾。設(shè)計(jì)人員還需要特別注意電路板設(shè)計(jì)問題(例如串?dāng)_和接地回路)，因?yàn)檫@里有多個(gè)噪聲源。在這樣的復(fù)雜系統(tǒng)中，可能有一些協(xié)議由于PPM需求或抖動(dòng)規(guī)格而使得功能沒有被最優(yōu)化。擴(kuò)頻時(shí)鐘可以幫助降低由時(shí)鐘帶來的總輻射，但是也需要其他技術(shù)來彌補(bǔ)其他不支持?jǐn)U展的數(shù)據(jù)或時(shí)鐘信號(hào)。不過，如上所示的案例分析，具備擴(kuò)頻能力總會(huì)是一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵撃芰p少了許多具有挑戰(zhàn)性的電磁干擾源所必需的屏蔽和濾波。
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