電磁干擾(EMI)是一種會(huì )通過(guò)導致意外響應或完全工作實(shí)效從而影響電氣/電子設備性能的能量。

EMI是由輻射電磁場(chǎng)或者感應電壓和電流產(chǎn)生的。當前高速數字系統中的高時(shí)鐘頻率和短邊率也會(huì )導致EMI問(wèn)題。

傳導和發(fā)射EMI的一個(gè)重要產(chǎn)生源是連接交流電源線(xiàn)的電氣設備，例如電腦和開(kāi)關(guān)電源，以及帶有電動(dòng)馬達的電氣設備，例如冰箱、空調和電單車(chē)等。

一旦電氣設備的EMI傳導到一個(gè)電路里，里面的線(xiàn)纜就會(huì )像一根天線(xiàn)一樣，將傳導EMI以RFI(無(wú)線(xiàn)電干擾)的形式“廣播”到整個(gè)電路中。

圖1：時(shí)鐘域里的Hershey Kiss展頻時(shí)鐘頻率概圖

EMI可能影響不大，也可能導致災難性的故障，所以對EMI的有效控制是非常重要的。電磁兼容性(EMC)是指系統能在指定環(huán)境下運行而不會(huì )傳導或發(fā)射過(guò)量電池干擾的能力。

EMI標準和相關(guān)成本

EMC標準的宗旨是為了確保電子設備不會(huì )影響其它電子設備的運行甚至導致設備的故障。各國針對“電視、廣播、便攜式娛樂(lè )設備、電子游戲和互聯(lián)網(wǎng)設備”等消費電子設備的EMI屏蔽功能的要求各有不同。

目前為止已經(jīng)有各種各樣的組織發(fā)布了EMI規范。在美國，FCC發(fā)布了針對A級和B級電子設備的第15部分J章規范。A級和A層規范針對的是工業(yè)設備，而B(niǎo)級和B層規范則適用于消費電子產(chǎn)品。EMI規則減少了電子設備之間的干擾，解決了健康和安全方面的問(wèn)題。

圖2：頻率域里的展頻時(shí)鐘頻率概圖

如何控制EMI，一般要考慮以下幾個(gè)因素：

1) PCB設計－“靈敏元件、電源和地面層的隔離”
2) 電路電流－“EMI輻射會(huì )隨電流增大而增加”
3) 頻率，包括回轉率－“EMI輻射會(huì )導致頻率升高”
4) 帶寬
5) 電路回路區域－“保持在最小”
6) 屏蔽/過(guò)濾－“結合合理的設計、過(guò)濾、屏蔽和其它技巧，來(lái)以最低成本的方法將EMI控制在所需等級”
7) 展頻時(shí)鐘－“合適的展頻數量和調制頻率”
8) 抖動(dòng)應用系統中時(shí)鐘的中心頻率，以便將輻射能量擴展到多個(gè)頻段，而不是讓所有能量輻射到一個(gè)頻率。

控制和降低EMI的方法

控制和降低EMI有兩個(gè)基本方法：抑制和吸收。最常用的降噪方法包括合理的設備電路設計、屏蔽、接地、過(guò)濾、隔離、分隔和定向、電路阻抗級控制、線(xiàn)纜設計和噪音消除等。

這些方法要求使用無(wú)源和有源元件，例如濾波器、扼流器、鐵氧體磁珠、箔片，并結合PCB設計規則和展頻時(shí)鐘生成器(SSCG)。

圖3：Hershey Kiss展頻概圖的優(yōu)勢

[member]
[page]
在源頭處解決EMI問(wèn)題

EMC設計的一個(gè)基本原則是在PCB的源頭處減弱EMI。展頻法是指有意將特別帶寬中產(chǎn)生的輻射能量擴展到頻率域，產(chǎn)生一個(gè)帶寬更大的信號。展品時(shí)鐘生成器(SSCG)就可以執行這一功能。

在選擇展頻時(shí)鐘來(lái)減弱消費電子產(chǎn)品的EMI時(shí)，開(kāi)發(fā)人員必須確保以下幾點(diǎn)：

1) 系統必須通過(guò)EMI型式測試。良好的頻率概圖和調制頻率是最重要的。高質(zhì)量的Hershey Kiss頻率概圖在降低EMI上是性能最好的；與之相比，三角頻率概圖需要更大的擴展量才能將EMI降低到同樣等級(見(jiàn)圖1至圖3)。調制頻率越高，就能將EMI降到更低的程度(如圖4)。

2)即便展頻有副作用，也要保持系統性能。首先，PLL必須運行于一個(gè)理想狀態(tài)，例如較高的PFD和VCO頻率和適當的帶寬等等。第二，頻率擴展量必須盡可能小，以便保持較高的系統時(shí)序余度和較低的周期間抖動(dòng)。頻率擴展量更小，系統的平均頻率就不會(huì )降低太多，因而系統的運行速度也就不會(huì )那么慢。

3)要將對系統總成本的影響最小化。在消費電子產(chǎn)品中，展頻時(shí)鐘芯片的價(jià)格向來(lái)是一個(gè)主要的價(jià)格問(wèn)題。但是，在最近幾年消費電子產(chǎn)品復雜性越來(lái)越高的同時(shí)，開(kāi)發(fā)人員也要慎重考慮開(kāi)發(fā)成本和風(fēng)險。

比如，在抑制EMI和抖動(dòng)中即便只有一項要求沒(méi)有達到，消費電子產(chǎn)品的系統時(shí)鐘需要調整的可能性就更大?？删幊绦鸵种艵MI的方法的靈活性，可以大大降低開(kāi)發(fā)成本和風(fēng)險，從而確保滿(mǎn)足所有要求。

圖4：通過(guò)調制頻率降低EMI

展頻時(shí)鐘生成器

展頻時(shí)鐘生成器(SSCG)可分成可編程和不可編程兩種，也可以根據其是否有Hershey Kiss頻率還是三角展頻來(lái)分類(lèi)。不同消費電子產(chǎn)品的展頻時(shí)鐘對于頻率、中心或向下擴展、擴展量、調制頻率、Hershey Kiss或三角展頻等的要求是不同的。

由于非可編程式展頻時(shí)鐘芯片是為特殊應用定制的，頻率范圍和擴展量只有幾個(gè)固定的可選項，要在最大化成本/性能的同時(shí)滿(mǎn)足最優(yōu)展頻要求，就變得非常困難。

市場(chǎng)上大部分固定功能的時(shí)鐘芯片都有多個(gè)固定的可選擇輸入頻率范圍(如20-40MHz, 40-80MHz和80-160MHz)以及擴展率(如0.5%, 1%, 2%和3%)。要實(shí)現優(yōu)化，就需要兩套PLL參數，一套針對EMI抑制性能，另一套面向PLL性能。

圖5：GP SSCG緩沖器芯片中的頻率調整

當實(shí)際配置和這些理想設置有偏差時(shí)，各種副作用就會(huì )產(chǎn)生。比如，如果輸入頻率不在所選范圍的正中，VCO和調制頻率就會(huì )被直線(xiàn)調整(下圖6)。

如果PLL帶寬太低(一般是由于控制周期間抖動(dòng)，如圖6所示)，那么頻率概圖就會(huì )變形，從而影響EMI性能。

當輸入頻率最低時(shí)，結果是最糟糕的：因為PDF和VCO頻率都很低，周期間抖動(dòng)大大增加，并且由于調制頻率低而頻率概圖可能變形，EMI抑制性能就會(huì )大大降低。

圖6：頻率調整和理想概圖比較

當擴展量的選擇受到限制時(shí)，開(kāi)發(fā)人員就必須選擇一個(gè)超出需要的更大擴展量。這常常會(huì )增加周期間抖動(dòng)，并降低系統時(shí)序預算。

如果沒(méi)有一個(gè)擴展率可以滿(mǎn)足系統要求，開(kāi)發(fā)人員就必須要求時(shí)鐘供應商對設計作出改動(dòng)并提供一款新的芯片，而這個(gè)過(guò)程中，哪怕僅僅是改變一個(gè)金屬層那么簡(jiǎn)單，也最少需要數周的時(shí)間，并且成本一般都非常高。

與之相比，一個(gè)可編程的展頻時(shí)鐘生成器則能夠提供支持可現場(chǎng)編程性的通用時(shí)鐘，并結合片上非易失性存儲器，實(shí)現動(dòng)態(tài)的展頻參數重置，從而不需要讓廠(chǎng)家花大量時(shí)間和成本對芯片進(jìn)行改動(dòng)。

可編程性還讓展頻時(shí)鐘性能能夠針對所要求的規格進(jìn)行優(yōu)化。比如，開(kāi)發(fā)人員可以規定2.1%的精確擴展率(而不是固定選擇的3%)，或者為實(shí)現所需的頻率設置而優(yōu)化調制模式。

上面的圖4展示了如何利用一個(gè)帶有2個(gè)展頻PLL的4PLL型時(shí)鐘芯片，通過(guò)調制頻率優(yōu)化來(lái)輕松將EMI降低3 ～4 dB的。這些擴展的PLL都有兩個(gè)獨立擴展模式可供選擇。

大部分開(kāi)發(fā)人員都更喜歡使用Hershey Kiss展頻時(shí)鐘來(lái)實(shí)現更好的EMI抑制性能，但很多時(shí)鐘供應商都只提供線(xiàn)性展頻時(shí)鐘。在理想情況下，一個(gè)SSCG必須同時(shí)提供Hershey Kiss和線(xiàn)性展頻時(shí)鐘。圖3展示出Hershey Kiss展頻時(shí)鐘在上面所示的4PLL時(shí)鐘芯片測試條件下一次性EMI降低了1.67dB。

另外，重要的時(shí)鐘參數，例如PLL電荷泵電流、VCO增益和輸出驅動(dòng)強度，都是必須能夠編程設置的。這樣的靈活性能夠大大提高系統性能，減少系統開(kāi)發(fā)時(shí)間，將改動(dòng)限制到最小并降低風(fēng)險。