利用擴頻時(shí)鐘降低電磁干擾

作為工程師來(lái)說(shuō)，您知道消費類(lèi)電子設備的操作速度有多快，它們每秒又能執行多少任務(wù)嗎？這些設備的高速操作帶來(lái)了許多樂(lè )趣，使直觀(guān)的觸控手機和視頻直播以及許多實(shí)際的應用都成為了可能，例如為網(wǎng)絡(luò )和通信設備驅動(dòng)高速數據。

電子設備性能水平和速度的提高給工程師帶來(lái)了許多挑戰。當設計這些設備時(shí)，安全性是關(guān)鍵因素，需要特別注意。附近設備的電磁干擾(EMI)是用戶(hù)安全和可靠運行的一個(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，手機突然接到一個(gè)電話(huà)，電視立即就沒(méi)了信號。然而，掛掉電話(huà)后電視信號又有了。這就是電磁干擾的案例。

每一個(gè)電信號都是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的結合。任何時(shí)域內有限的(或有界)信號在頻域都是無(wú)限(或無(wú)界)的，反之亦然。所有電氣系統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(gè)PCB上靠近芯片的位置，也可以遠至地球和衛星。在時(shí)域內具有固定模式的信號，其能量會(huì )分布在較寬的頻率范圍內。

例如，圖1顯示了時(shí)域和頻域內的125MHz時(shí)鐘信號。在時(shí)域內，這個(gè)時(shí)鐘信號具有周期性，其能量在頻域內分布范圍很廣。圖中125MHz、375MHz、625MHz和875MHz處的標記顯示了頻域的四個(gè)連續高能量點(diǎn)。峰值能量存儲在125MHz的基頻，為10.55dB。此外，375MHz、625MHz和875MHz是125MHz時(shí)鐘信號的奇次諧波。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。在特定工作頻率具有峰值能量的系統就是電磁輻射源的一個(gè)例子。

在手機和電視的例子中，輻射源為手機。在通過(guò)LCD HDTV看足球賽時(shí)，機頂盒被調整到54到890MHz范圍內的體育頻道。當手機處于空閑模式時(shí)(即沒(méi)有打電話(huà)或發(fā)短信時(shí))，它不會(huì )發(fā)射數據也不會(huì )產(chǎn)生輻射。然而，當手機接到來(lái)電時(shí)，它開(kāi)始與最近的基站通信。在傳輸過(guò)程中，手機使用更大的功率并在GSM頻段(900MHz)內傳送信號，這就會(huì )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(wú)法解碼廣播電視信號。這在很多家庭中不會(huì )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，當在800MHz范圍內支持4G傳輸時(shí)，手機和電視設計人員將會(huì )面臨更多的電磁干擾挑戰。

這種破壞發(fā)生在消費類(lèi)設備中時(shí)造成的威脅并不算大，然而，想象一下，當 Wi-Fi信號干擾到危險化工廠(chǎng)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)先國家都在從電磁干擾方面來(lái)規范電子設計。

除了電磁干擾輻射以外，還存在來(lái)自電路板布線(xiàn)、電源、電容或電感耦合的傳導電磁干擾，這會(huì )干擾其他設備的系統操作以及功能。

許多國際監管機構(IEC、CISPR和EN)制訂了系統可以有的最大輻射，同時(shí)也定義了不應影響系統的最小電磁干擾水平。電磁干擾的國際標準是基于應用和終端設備定義的，例如：軍事、消費類(lèi)、工業(yè)和汽車(chē)等。

高速設備是由高速時(shí)鐘驅動(dòng)的設備。主要影響EMI的因素是高速時(shí)鐘信號，它在時(shí)域上呈現周期性。如圖2所示，125MHz的時(shí)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(shí)域和頻域內的時(shí)鐘信號。

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)鐘信號引起的輻射也會(huì )下降。在時(shí)鐘信號驅動(dòng)大多數板上器件的系統中，電磁干擾會(huì )顯著(zhù)提高。擴頻技術(shù)采用同樣概念來(lái)提高系統的抗電磁干擾性能。

圖2：時(shí)鐘信號的峰值能量。

擴頻技術(shù)

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

圖3：經(jīng)過(guò)±2%中心擴頻的125MHz時(shí)鐘。

調制曲線(xiàn)：簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，調制信號波形代表了調制曲線(xiàn)。有兩種大家熟悉的曲線(xiàn)：Linear和Lexmark。Lexmark相對Linear來(lái)說(shuō)可以更好地降低峰值。Linear曲線(xiàn)形狀上類(lèi)似于三角波。