用時鐘展頻技術降低EMI技術探索用時鐘展頻技術降低EMI技術探索

汽車電子系統和工業系統變復雜且密集，因此如何降低電磁干擾（EMI）的影響成為了工程師在設計之初，就必須要考慮的因素。干擾源通過一定的傳導途徑影響了敏感設備，就是電磁干擾。

隨著技術的發展，數字信號的時鐘頻率越來越高，電路系統對于信號的建立、保持時間、時鐘抖動等要素提出越來越高的要求。EMI，即電磁干擾，是指電路系統通過傳導或者輻射的方式，對于周邊電路系統產生的影響。EMI會引起電路性能的降低，嚴重的話，可能導致整個系統失效。在實際操作中，相關機構頒布電磁兼容的規范，確保上市的電子產品滿足規范要求。EMI過不了，掉發禿頭抓狂三步走！如何解決EMI問題，要從源頭來看。

從EMI的傳遞路徑來看，如圖2 所示，總結起來有四種：感性耦合、容性耦合、輻射耦合，以及明晃晃的傳導耦合。感性耦合涉及電路中的感性元件包括電感和變壓器器件；容性耦合則非常常見，電路中任意相近的兩根電流導線都會存在分布電容耦合；傳導和輻射耦合就更直觀了，包括空間耦合、多余的形成等效天線模型的電路走線。只要輻射源不流過等效天線模型，則不產生輻射，所以歸根結底也許可以說——電流導致了輻射。

這四種耦合方式在電子系統中至少有一樣，所以，輻射超標問題在大部分電子產品中都是亟需解決的問題。而且，隨著電子系統設計的逐漸精密和緊密，在EMI方面就更需要謹慎。

如今的EV、HEV、及燃油車，車身娛樂系統和電子輔助系統的功能越來越多且已經在成為主流和標配的路上，這意味著它包含了更多的電子元器件或電路在里面，需要工程師去設計更為緊湊的方案以得到多樣化的功能，同時高靈敏度決定了高速信號的應用之廣。因此需要在設計時減少相關電路尺寸和大小，其中包括電源，而符合產品要求的電源可能擁有更高的開關頻率，因此帶來了更多EMI問題。

除了電源，與EMI電磁干擾密切相關的幾點就是時鐘，布線，屏 蔽，這些都可能導致EMI指標的超標，在實際操作中，相關機構頒布電磁兼容性EMC的規范，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設備在正常運行過程中對所在環境產生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對所在環境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。EMI整個規格是非常寬的頻率范圍，通常是150KHz，到工業應用上是到30MHz，汽車應用上會到108MHz。

降低EMI的方法有許多種，包括屏蔽、濾波、隔離、鐵氧體磁環、信號邊沿控制以及在PCB中增加電源和GND層等等。在應用中可以靈活使用以上方法，其中屏蔽是相對簡單的機械學方法，成本較高，不適用于手持和便攜式設備；濾波和信號邊沿控制對于低頻信號有效，不適合當前廣泛應用的高速信號。另外，使用EMI/RFI濾波器這些被動元器件，會增加成本；通過LAYOUT技巧降低EMI顯然比較費時且改善有限。

因為時鐘信號常常是電路系統中頻率最高和邊沿最陡的信號，多數EMI問題的產生和時鐘信號有關。所以很多時候在板子已經成型的情況下，展頻時鐘（Spread Spectrum Clocking）SSC是有效降低EMI的方法。

一般數字時鐘有很高的Q值，即所有能量都集中在很窄的頻率范圍內，表現為相對較高的能量峰值。在頻譜圖上容易看到在中間頻率上有很高的峰值，在奇次諧波位置有較低的峰值。而時鐘展頻通過頻率調制的手段將集中在窄頻帶范圍內的能量分散到設定的寬頻帶范圍，通過降低時鐘在基頻和奇次諧波頻率的幅度（能量），達到降低系統電磁輻射峰值的目的。如圖3-a的能力分布，展頻整改后就變成了圖3-b所示，就像調節花灑旋鈕，使水壓分散開來以達到較好的使用感。

時鐘展頻有三個主要的控制參數：調制速度（Modulation Rate）、調制深度（Modulation Depth）和調制方式（Modulation Profile）。

1. 調制速度

調制速度（MR）是指輸出時鐘頻率 fo 在設定的調制頻率范圍內的變化速度。調制速度應遠小于源時鐘的頻率 fc 以免引起時序問題（建立/保持時間等），同時應當高于人耳可識別的聲音的頻率范圍（20Hz~20KHz）以免產生噪音。在實際應用中，調制速度一般選擇30KHz~120KHz。

2. 調制深度

調制深度是指展頻后輸出時鐘頻率 fo 以調制速度MR偏移源時鐘頻率 fc 的大小。調制深度以偏移（Δf）源時鐘頻率的百分比（%）來表示。調制深度決定降低EMI峰值的大小。通常調制深度越大，EMI峰值越低。在應用時，需要合理預計系統可接受的頻率調制范圍。在許多系統中，基頻的奇次諧波才是產生EMI問題的根源，因此不僅需要衰減基頻的EMI輻射，同時也抑制奇次諧波上的能量輻射。

3. 調制方式

調制方式（Modulation Profile）決定EMI峰值的表現形式。如圖4和圖5所示，Linear和Hershey Kiss是SSCG（展頻時鐘發生器）常用的兩種調制方式。Linear線性調制相對簡單，顧名思義，線性調制后輸出的時鐘頻率是線性變化的。這種調制方法的缺點是輸出頻譜旁瓣比中間頻率幅度高1-2dB，因為在任何頻率EMI的失效也就意味著整個EMI測試的失敗，因此這一點也需要重視。

而 Hershey Kiss調制可以得到接近平整的頻譜圖，如圖5所示，Hershey Kiss調制的特點是在調制范圍的兩端，頻率變化速度更快，在調制范圍的中間值，頻率變化較慢。頻率在兩端變化的速度快，這樣信號在頻率兩端的能量得到更大的衰減，分散到中間位置。整體的表現就是整個頻譜的能量近似平坦。除了看調制方式，還要根據源時鐘頻率和目標整改方向，適當地選擇展頻方式。

從本質上說，擴展頻譜是一種以調制百分比來衡量的調制方法。展頻晶振通過動態改變時鐘頻率，有效降低電磁輻射功率，減少EMI電磁干擾的影響。相對于其他的EMI抑制技術而言，展頻晶振的系統化特點是其主要的優點，由展頻晶振產生的所有時鐘和定時信號也被以同樣的比率加以調制。這給整個系統都帶來顯著的EMI改善效果。在EMC測試中，只改變一個電容或可編程的數字輸入就能夠調節頻率調制度。展頻晶振的這種可編程特性簡化了該技術在產品設計和EMC測試中的使用，還可以減少用于EMI抑制的印刷電路板面積，節省產品成本和面市時間。使用展頻晶振的另一個好處是可以在同一產品中進一步集成可編程的EMI抑制和定時功能，使產品的性能更高，成本更低。同時，在產品的受控整改中節約時間，牢牢抓住市場機會。

以上就是使用展頻晶振進行部分電磁整改，使之的電磁干擾降低到既定值以下的一些基礎性的介紹。

相對于普通晶振來說，展頻晶振市場較少。而我們使用的電子產品，目之所及必定有晶振的影子。畢竟，最簡單的單片機最小系統就包括單片機、晶振電路、復位電路。，更遑論如今愈加復雜和精密的電路系統了。

在不同的系統中，對于晶振的選型也有要求，對于車載娛樂系統而言，比較重視振蕩器線路的負阻抗值、負載電容激勵功率；對于UPS（不間斷電源）而言，比較重視晶振的高溫頻率穩定性（頻偏）、老化問題。就像生物鐘對于人的重要性，選擇好晶體是造就好系統的第一步。香港晶體（HKC）歷經26年專注于石英晶振、晶體振蕩器、陶瓷振蕩器的生產、研發與服務，其產品被廣泛應用于工業控制、汽車電子、通訊設備、電力儀表、醫療器械、安防監控、計算機、消費電子家用電器等領域，是各個領域工程師的優選。

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