利用擴(kuò)頻時(shí)鐘降低電磁干擾

作為工程師來(lái)說(shuō)，您知道消費(fèi)類(lèi)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(lái)了許多樂(lè)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(lái)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(hù)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(guò)HDTV看足球賽時(shí)，就要射門(mén)了，手機(jī)突然接到一個(gè)電話，電視立即就沒(méi)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(wú)限(或無(wú)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(guò)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(méi)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(lái)電時(shí)，它開(kāi)始與最近的基站通信。在傳輸過(guò)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(wú)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(lèi)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(lái)規(guī)范電子設(shè)計(jì)。

除了電磁干擾輻射以外，還存在來(lái)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(lèi)、工業(yè)和汽車(chē)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(lái)提高系統(tǒng)的抗電磁干擾性能。

圖2：時(shí)鐘信號(hào)的峰值能量。

擴(kuò)頻技術(shù)

在擴(kuò)頻技術(shù)中，高頻時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)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(méi)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(guò)±2%的擴(kuò)展，峰值會(huì)降低到-13.37dB。調(diào)制曲線、擴(kuò)展類(lèi)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(guò)±2%中心擴(kuò)頻的125MHz時(shí)鐘。

調(diào)制曲線：簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)可以更好地降低峰值。Linear曲線形狀上類(lèi)似于三角波。