擴展調制技術(shù)改善EMC性能的原理

 

擴頻調制技術(shù)能夠有效的降低EMI騷擾水平。下面用一個(gè)40MHz的時(shí)鐘信號舉例說(shuō)明其原理。

 

該時(shí)鐘信號未經(jīng)調制時(shí)，在時(shí)域上的波形為圖1（a），在頻域上的波形表現為（基波加諧波）圖1（b）：

 

（a）40MHz時(shí)鐘信號的時(shí)域波形

 

（b）40MHz時(shí)鐘信號的頻域波形

圖1：40MHz時(shí)鐘信號的時(shí)域和頻域波形

 

該時(shí)鐘信號經(jīng)過(guò)擴頻調制后，時(shí)域上和頻域（基波加諧波）上的波形分別變?yōu)椋▓D2（a）和（b））：

 

（a）40MHz時(shí)鐘信號擴頻后的時(shí)域波形

 

（b）40MHz時(shí)鐘信號擴頻后的頻域波形

圖2：40MHz時(shí)鐘信號擴頻后的時(shí)域和頻域波形

 

從這幾張曲線(xiàn)來(lái)看，時(shí)鐘信號經(jīng)過(guò)擴頻之后，時(shí)域上的波形變?yōu)榱藢捳坏鹊姆讲?，頻率也不再是單一的數值，而是一個(gè)范圍（例中調制后的頻率范圍變?yōu)?9M~41MHz）；在頻域上，頻譜也不再是孤立的峰，而是變?yōu)榻咏菪蔚囊粋€(gè)形狀。

 

一個(gè)時(shí)鐘信號經(jīng)過(guò)擴頻調制后的波形通常如圖3所示。由于擴頻調制后的時(shí)鐘信號頻率變得不再唯一，上升和下降沿的產(chǎn)生時(shí)間也在一個(gè)短的時(shí)間范圍內變得隨機。這個(gè)特定的時(shí)間范圍是可控的。擴頻調制技術(shù)就是通過(guò)將集中在同一頻率帶的頻譜分散到更多的頻帶，以降低原來(lái)固定頻率時(shí)的騷擾電平。

 

圖3 時(shí)鐘信號擴頻后的時(shí)域波形圖

 

擴頻調制的結果就是使得信號的頻譜帶寬變寬，使被測設備的騷擾在較寬的頻譜上均分，通過(guò)這種途徑來(lái)使其通過(guò)EMC測試。接收機的分辨率帶寬一般保持不變，當騷擾的譜線(xiàn)變寬后，這時(shí)一部分能量就落在了分辨率帶寬以外，從而測量值也相應變小。采用擴頻調制，通?？梢允贡粶y設備的騷擾水平顯著(zhù)降低6~20dB之多。但是需要注意的是，它并不改變整個(gè)頻率范圍的騷擾能量。

 

采用擴頻調制技術(shù)解決EMC問(wèn)題的整改案例

 

某企業(yè)生產(chǎn)的具有TV接收功能的便攜式DVD產(chǎn)品，需要通過(guò)CE認證，在進(jìn)行輻射騷擾場(chǎng)強測試時(shí)騷擾超標。測試曲線(xiàn)（水平極化）如圖4所示：

 

圖4 帶TV功能的便攜式DVD輻射測試初測曲線(xiàn)

 

從圖中可以看出，該產(chǎn)品超標嚴重。由于被測樣機是便攜式產(chǎn)品，內部空間極小，且樣機采用塑料外殼，換上噴涂了導電漆的外殼后，輻射測試仍然不合格。但是從輻射測試曲線(xiàn)上看，超標頻點(diǎn)多為樣機內部時(shí)鐘頻率的諧波，企業(yè)于是決定采用擴頻調制技術(shù)。

 

企業(yè)采用了某芯片廠(chǎng)家生產(chǎn)的型號為PCS3P7303AG的擴頻IC，其主要性能特點(diǎn)有：它是一款多功能的抑制EMI的IC，既可以輸入來(lái)源于晶振的時(shí)鐘信號，也可以輸入一個(gè)外部參考時(shí)鐘信號；頻率輸入和輸出范圍都是10MHz~80MHz；具有頻率選擇功能；提供可選的擴頻調制工作模式，由外接電阻進(jìn)行控制。

 

由于PCS3P7303AG具有以上特點(diǎn)，它特別適用于對晶振時(shí)鐘的擴頻處理。PCS3P7303AG的引腳定義如下（表1）：

 

表1 PCS3P7303AG的引腳定義

 

企業(yè)采用了IC廠(chǎng)家推薦的典型的外接電路，該電路原理圖如圖5：

 

圖5 典型的外接電路

 

企業(yè)在該電路加了解碼板27MHz晶振的輸出端，以實(shí)現對晶振時(shí)鐘的擴頻調制。另外，由于企業(yè)用的是MTK公司的解碼方案，該方案本身帶有擴頻功能，可以對主芯片和SDRAM的通信時(shí)鐘121.5MHz進(jìn)行擴頻調制，企業(yè)整改時(shí)也打開(kāi)了這個(gè)功能。

 

改板后重測的輻射曲線(xiàn)為圖6（水平極化）：

 

圖6 采用擴頻調制技術(shù)后的輻射測試曲線(xiàn)

 

重測的結果雖然仍舊不合格，但是和之前的測試曲線(xiàn)相比，已經(jīng)發(fā)生了明顯的改善。在對例如162MHz等這些晶振的諧波頻率進(jìn)行單點(diǎn)測量時(shí)，也可以明顯的看到擴頻后頻譜發(fā)生的變化。在這個(gè)測試結果的基礎上，企業(yè)又加上了濾波技術(shù)，最終使樣機順利通過(guò)測試。濾波不是本文重點(diǎn)，相關(guān)的整改措施就不列出。

 

擴頻調制技術(shù)的特點(diǎn)

 

專(zhuān)用的具有擴頻調制功能的IC現在主要用來(lái)處理晶振這種時(shí)鐘源，而對于主芯片發(fā)出的時(shí)鐘，由于加入擴頻時(shí)會(huì )產(chǎn)生時(shí)序問(wèn)題，目前還用的不多。本文中的PCS3P7303AG型擴頻IC，主要用在便攜式DVD、數碼相框、電子閱讀器和手機等數碼設備上。對于液晶電視機和液晶顯示器這一類(lèi)產(chǎn)品，由于主要的方案商（M-STAR和MTK等）都在各自的芯片中加入了擴頻調制功能，如果實(shí)際測試中需要進(jìn)行擴頻處理，只需在軟件中輸入口令打開(kāi)這一功能即可。對時(shí)鐘進(jìn)行擴頻調制后，有可能會(huì )影響到產(chǎn)品的一些性能指標，但只要擴頻IC外圍電路的參數選擇合適，還是可以將其對產(chǎn)品的影響控制在最小范圍。

 

擴頻調制技術(shù)利用了測量接收機在工作方式上的“漏洞”，但是目前全球范圍內都接受了這種方法。擴頻調制技術(shù)在對干擾的處理效果上與濾波技術(shù)有點(diǎn)類(lèi)似，但是原理上與濾波技術(shù)又有很大的差別，兩者的對比如下：

 

擴頻調制技術(shù)的效果僅僅是使被測設備容易通過(guò)EMC測試，在整個(gè)頻率范圍內，騷擾能量并沒(méi)有發(fā)生改變。濾波技術(shù)是將不需要的能量濾掉，以此來(lái)降低干擾的幅度。

 

擴頻調制技術(shù)未改變脈沖的上升/下降沿，而濾波技術(shù)通常是延緩了脈沖的上升沿，從而降低高次諧波分量。

 

濾波技術(shù)通常使用的是低通濾波，也就是僅濾掉較高次的諧波，而擴頻調制技術(shù)對低頻甚至對基波都有降低騷擾幅度的作用。

 

小結

 

本文討論了擴頻調制技術(shù)在EMC整改中的應用。作為一個(gè)新的技術(shù)，擴頻調制目前已經(jīng)在EMC中有了很多的應用場(chǎng)合，除了文中介紹的處理晶振時(shí)鐘的擴頻IC，現在已經(jīng)有針對開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行擴頻處理的擴頻IC，和針對某一具體產(chǎn)品而開(kāi)發(fā)的擴頻調制模塊，例如針對D類(lèi)功放內部工作頻率的擴頻調制器等等?？梢哉f(shuō)，在時(shí)鐘頻率越來(lái)越高的今天，擴頻調制技術(shù)的應用，給解決EMC問(wèn)題提供了一條嶄新的思路。

 

本文轉載自韜略科技EMC，作者：郭遠東

 

 

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