利用擴頻時鐘降低電磁干擾

作為工程師來說，您知道消費類電子設(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，使直觀的觸控手機和視頻直播以及許多實際的應(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)計這些設(shè)備時，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行的一個主要威脅。

電磁干擾

一次筆者正通過HDTV看足球賽時，就要射門了，手機突然接到一個電話，電視立即就沒了信號。然而，掛掉電話后電視信號又有了。這就是電磁干擾的案例。

每一個電信號都是電場和磁場的結(jié)合。任何時域內(nèi)有限的(或有界)信號在頻域都是無限(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，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PCB上靠近芯片的位置，也可以遠至地球和衛(wèi)星。在時域內(nèi)具有固定模式的信號，其能量會分布在較寬的頻率范圍內(nèi)。

例如，圖1顯示了時域和頻域內(nèi)的125MHz時鐘信號。在時域內(nèi)，這個時鐘信號具有周期性，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連續(xù)高能量點。峰值能量存儲在125MHz的基頻，為10.55dB。此外，375MHz、625MHz和875MHz是125MHz時鐘信號的奇次諧波。該能量是電磁干擾的一個關(guān)鍵因素，它會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例子。

在手機和電視的例子中，輻射源為手機。在通過LCD HDTV看足球賽時，機頂盒被調(diào)整到54到890MHz范圍內(nèi)的體育頻道。當(dāng)手機處于空閑模式時(即沒有打電話或發(fā)短信時)，它不會發(fā)射數(shù)據(jù)也不會產(chǎn)生輻射。然而，當(dāng)手機接到來電時，它開始與最近的基站通信。在傳輸過程中，手機使用更大的功率并在GSM頻段(900MHz)內(nèi)傳送信號，這就會對相鄰的機頂盒頻率范圍(接近890MHz)產(chǎn)生輻射。由于這種輻射的存在，機頂盒無法解碼廣播電視信號。這在很多家庭中不會發(fā)生，這是由于在電視和手機的工作頻率和電磁干擾防護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，手機和電視設(shè)計人員將會面臨更多的電磁干擾挑戰(zhàn)。

這種破壞發(fā)生在消費類設(shè)備中時造成的威脅并不算大，然而，想象一下，當(dāng) Wi-Fi信號干擾到危險化工廠的控制操作時又會怎樣？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)先國家都在從電磁干擾方面來規(guī)范電子設(shè)計。

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，這會干擾其他設(shè)備的系統(tǒng)操作以及功能。

許多國際監(jiān)管機構(gòu)(IEC、CISPR和EN)制訂了系統(tǒng)可以有的最大輻射，同時也定義了不應(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、消費類、工業(yè)和汽車等。

高速設(shè)備是由高速時鐘驅(qū)動的設(shè)備。主要影響EMI的因素是高速時鐘信號，它在時域上呈現(xiàn)周期性。如圖2所示，125MHz的時鐘信號在基頻上具有峰值能量和較強的奇次諧波信號(如圖1所示)。

圖1：時域和頻域內(nèi)的時鐘信號。

圖2顯示了125MHz時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，則由時鐘信號引起的輻射也會下降。在時鐘信號驅(qū)動大多數(shù)板上器件的系統(tǒng)中，電磁干擾會顯著提高。擴頻技術(shù)采用同樣概念來提高系統(tǒng)的抗電磁干擾性能。

圖2：時鐘信號的峰值能量。

擴頻技術(shù)

在擴頻技術(shù)中，高頻時鐘信號通過低頻調(diào)制。調(diào)制信號的頻率通常為30~120kHz。由于調(diào)制，儲存在基頻的能量將分布在一個較寬的頻率范圍內(nèi)并使峰值降低(如圖3所示)。假如沒有采用擴頻技術(shù)，125MHz時鐘信號的峰值為-5.29dB。經(jīng)過±2%的擴展，峰值會降低到-13.37dB。調(diào)制曲線、擴展類型、擴展百分比都是擴頻技術(shù)的重要參數(shù)。

圖3：經(jīng)過±2%中心擴頻的125MHz時鐘。

調(diào)制曲線：簡單來說，調(diào)制信號波形代表了調(diào)制曲線。有兩種大家熟悉的曲線：Linear和Lexmark。Lexmark相對Linear來說可以更好地降低峰值。Linear曲線形狀上類似于三角波。