時鍾是電磁幹擾能量的主要來源之一，隨著係統設計複雜性和集成度的大規模提高，電子係統的時鍾頻率越來越高；以前傳統的諸如屏蔽，濾波等EMI改(gai)善(shan)措(cuo)施(shi)的(de)應(ying)用(yong)已(yi)變(bian)得(de)越(yue)來(lai)越(yue)困(kun)難(nan)
，這(zhe)促(cu)使(shi)設(she)計(ji)工(gong)程(cheng)師(shi)去(qu)探(tan)索(suo)更(geng)可(ke)行(xing)有(you)效(xiao)的(de)方(fang)法(fa)來(lai)減(jian)少(shao)時(shi)鍾(zhong)能(neng)量(liang)發(fa)射(she)，而(er)擴(kuo)頻(pin)時(shi)鍾(zhong)的(de)適(shi)時(shi)出(chu)現(xian)則(ze)恰(qia)如(ru)其(qi)分(fen)的(de)解(jie)決(jue)了(le)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)，並(bing)從(cong)源(yuan)頭(tou)上(shang)——係統時鍾處控製和減少了EMI發射強度。目前
，時鍾擴展頻譜技術被廣泛使用在圖像采集、圖像顯示及汽車電子等行業。

 

 

擴(kuo)展(zhan)頻(pin)譜(pu)技(ji)術(shu)通(tong)過(guo)對(dui)尖(jian)峰(feng)時(shi)鍾(zhong)進(jin)行(xing)調(tiao)製(zhi)處(chu)理(li)，使(shi)其(qi)從(cong)一(yi)個(ge)窄(zhai)帶(dai)時(shi)鍾(zhong)變(bian)為(wei)一(yi)個(ge)具(ju)有(you)邊(bian)帶(dai)諧(xie)波(bo)的(de)頻(pin)譜(pu)，將(jiang)尖(jian)峰(feng)能(neng)量(liang)分(fen)散(san)到(dao)展(zhan)頻(pin)區(qu)域(yu)的(de)多(duo)個(ge)頻(pin)率(lv)段(duan)，從(cong)而(er)達(da)到(dao)降(jiang)低(di)尖(jian)峰(feng)能(neng)量(liang)，抑(yi)製(zhi)EMI的效果。

 

根據調變訊號的頻率範圍，擴展頻譜技術主要有向下展頻、中心展頻
、向上展頻三種模式，目前在抑製EMI上都是采用中心展頻
，中心展頻保證了更準確的平均頻率。

 

1、未調製周期正弦信號的時域和頻域圖如下：

 

圖1  未調製正弦信號的時域圖

 

圖2  未調製正弦信號的頻域圖

 

2、采用擴展頻譜技術對正弦信號進行調製，將信號能量擴展到一個比較寬的頻

   

率範圍上，經過擴展後正弦信號在時域與頻域圖如下：

 

圖3  經過擴頻技術對正弦信號調製後時域圖

 

圖4  經過擴頻技術對正弦信號調製後頻域圖

 

3
、使用擴展頻譜技術後實際效果圖

 

圖5  使用擴頻技術前後實際效果圖對比

 

（1）擴展率用d表示，用來衡量時鍾擴展的深度

，是頻域的擴展
，頻率擴展範圍用Δf表示，擴展前時鍾頻率用 fc表示，Δf計算方式為

 

Δf= fc·d·100%

 

假設經過擴頻時鍾調製後
，諧波頻譜的的百分比相當平坦
，峰值能量抑製近似如下

 

 

式中ASSC(i)—經過擴展時鍾調製後的時鍾i-th諧振幅；

 

ACLK(i)—經過擴頻時鍾調製前的時鍾i-th諧振幅；

 

RBW—測量電磁幹擾能量的頻寬。

 

因此
，抑製i-th諧波的電磁幹擾的計算如下

 

ASSC(i)·（dB）=ACLK(i)·（dB）-10㏒10(fc·d·100%/RBW)

 

上述公式表明，時鍾頻率越高，展頻降幅效果越好；相比於低次諧波
，時鍾的高次諧波展頻的降幅效果更好。

 

 

 

（1）降低成本

 

①減少屏蔽材料的使用
，簡化工藝，節省人工成本；

 

②減(jian)少(shao)對(dui)地(di)線(xian)要(yao)求(qiu)。確(que)保(bao)所(suo)有(you)數(shu)據(ju)和(he)時(shi)鍾(zhong)信(xin)號(hao)返(fan)回(hui)的(de)地(di)線(xian)產(chan)生(sheng)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)發(fa)射(she)滿(man)足(zu)測(ce)量(liang)要(yao)求(qiu)很(hen)難(nan)。一(yi)種(zhong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)是(shi)增(zeng)加(jia)接(jie)地(di)層(ceng)
，但(dan)是(shi)這(zhe)樣(yang)便(bian)增(zeng)加(jia)了(le)電(dian)路(lu)板(ban)的(de)成(cheng)本(ben)。然(ran)而(er)，擴(kuo)頻(pin)時(shi)鍾(zhong)技(ji)術(shu)既(ji)可(ke)以(yi)抑(yi)製(zhi)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)，又(you)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)對(dui)地(di)線(xian)的(de)要(yao)求(qiu)。

 

（2）靈活性。係統可以設計成非擴頻時鍾與不同比例的擴頻時鍾
，可以通過外圍參數自由切換。

 

（3）全係統電磁幹擾抑製。其他電磁幹擾方法，如濾波
、接地、屏(ping)蔽(bi)方(fang)法(fa)，可(ke)以(yi)在(zai)特(te)定(ding)位(wei)置(zhi)使(shi)用(yong)，從(cong)而(er)減(jian)少(shao)特(te)定(ding)位(wei)置(zhi)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)。與(yu)此(ci)相(xiang)反(fan)

，增(zeng)加(jia)擴(kuo)頻(pin)時(shi)鍾(zhong)，可(ke)以(yi)減(jian)少(shao)所(suo)有(you)與(yu)時(shi)鍾(zhong)同(tong)步(bu)的(de)信(xin)號(hao)的(de)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)。

 

2、應用 

 

A類：時鍾源頭晶振上的應用

 

圖6  擴頻IC使用在主時鍾上示意圖

 

圖7  擴頻IC使用在主時鍾電路圖

  

說明：以聯詠NT96650BG方案的行車記錄儀為例，在主時鍾24MHZ上增加擴頻IC後，對於從主時鍾分頻或倍頻出來的DDR時鍾、SD-CARD時鍾、攝像頭時鍾、屏時鍾等都能得到相應擴頻，讓EMI得到抑製。

 

B類：CLK單線上的應用（以Sensor的MCLK為例）

 

圖8  擴頻IC使用在單線時鍾上示意圖

 

圖9  擴頻IC使用在單線時鍾電路圖

  

說明：以安霸A7的IP Camera為例，因結構所限，攝像頭與DSP一般處於不同的兩塊PCB，中間用電纜連接
，因此攝像頭的EMI問題一般是IPC輻射發射處理的難點。在MCLK增加擴頻IC，既可以抑製MCLK的諧波
，同時PCLK也是基於MCLK時鍾產生，因此PCLK的諧波也能得到相應的抑製。

 

   

某行車記錄儀采用安霸A7的方案
，同時配置鎂光AR0331的感光芯片；要求通過EN55022 CLASS B輻射發射測試標準
，測試時用12V電池給其供電，沒有外接其他配件
，測試數據超標嚴重
，具體測試數據如下：

 

圖10 行車記錄儀為做處理測試數據圖

   

數據分析（隻列舉了比較差的水平方向）：該產品在30-1000MHZ之間超標頻點很多，其中168MHZ超標達13.46DB。

輻射源頭分析：

 

該產品有兩塊PCB，包括主板和攝像頭小板
，兩板之間用FPC排線連接。排線上有SENSOR的CLK時鍾信號，MCLK時鍾頻率為24MHZ
，PCLK時鍾頻率為48MHZ，如果關閉攝像頭測試，機器可以通過測試標準；而且超標頻點通過測試數據分析，其中大部分都是24MHZ的倍頻，因此判定攝像頭的MCLK和PCLK為主要輻射源頭，整機結構如下：

 

圖11  產品PCB連接示意圖

 

 

1、采用常規措施，在MCLK和PCLK分別靠近輻射源頭串聯220R的平滑曲線磁珠
，對地增加22PF電容，具體如下：

 

圖12 在CLK時鍾線上具體處理示意圖

 

 

   

數據分析：整體有一定下降，但是超標頻點還是很多，尤其是168MHZ還超標9.91DB
，效果不理想。

 

2、在MCLK上靠近CPU增加擴頻IC，PCLK上不做改動
，具體操作如下：

 

圖14 在MCLK上增加擴頻IC實物圖

 

 

圖15 在MCLK上使用擴頻IC後測試數據圖

   

數據分析：效果明顯，整體下降10-15dB，並且頻率越高效果越好
，整改後可以通過EN55022 CLASS B測試標準，PK值餘量超過1.6DB。

 

  

時鍾擴展頻譜技術在抑製時鍾EMI上的應用，可以在一定程度上簡化EMC對策，降低昂貴的屏蔽材料成本，增強產品大批量生產的一致性，因此在產品的設計初期做EMC設計規劃時
，應考慮做好展頻電路的兼容設計
，以防產品在上市前因EMI整改困難而焦頭爛額，錯失最好的市場機會！

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