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前言

 

隨著電子產(chǎn)品的運行速度和復(fù)雜程度的不斷增加，數(shù)字信號的時鐘頻率越來越高，電路系統(tǒng)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。電磁干擾(EMI)也在不斷增長，各種便攜式無線產(chǎn)品的數(shù)量增加使得各系統(tǒng)之相的相互干擾亦隨之提高，電磁干擾的問題也越來越嚴(yán)重。它會引起電路性能的降低，嚴(yán)重的話，可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)失效。在實際操作中，相關(guān)機構(gòu)頒布電磁兼容（EMC）的規(guī)范，確保上市的電子產(chǎn)品滿足規(guī)范要求。

 

傳統(tǒng) EMI 防護(hù)技術(shù)

 

一般控制電磁干擾（EMI）發(fā)射比較常用的方法就是屏蔽，我們通俗的稱為圍堵。屏蔽是一種比較容易的降低干擾的防護(hù)技術(shù)，它將EMI 圍堵在系統(tǒng)中，利用接地的屏蔽導(dǎo)體把輻射位置全部或部分圍堵屏蔽，是對空間、成本、重量等因素較無限制的系統(tǒng)來是很有效的解決方案。但是對于大部分的系統(tǒng)，特別是便攜式與掌上產(chǎn)品，屏蔽會增加產(chǎn)品的體積、重量和成本，增加制造流程自動化的困難度同而變相的增加勞動力成本。 

 

另外用電阻(R)、電容(C)、電感(L)、磁珠(B)等元件所組成的濾波器來抑制EMI ，我們稱之為被動型EMI 抑制技術(shù)。時鐘信號常常是電路系統(tǒng)中頻率最高和邊沿最陡的信號，多數(shù)EMI問題的產(chǎn)生都和時鐘信號有密切關(guān)系，這種低通濾波器用于降低由時鐘信號所產(chǎn)生的 EMI 干擾被廣泛使用，它主要是濾除級數(shù)較高的高頻諧波以降低時鐘信號的上升和下降時間。但這種技術(shù)在高速系統(tǒng)中不太適用，因為這種技術(shù)會降低關(guān)鍵的中止和激活時間，亦會增加信號的過高激、過低激以及振鈴程度。過濾技術(shù)的難點是無法系統(tǒng)化，即在某個節(jié)點上的EMI 輻射的降低，并不能降低其它節(jié)點的輻射。

 

除此之外在PCB中增加POWER電源層和GND地層等 , 或通過PCB  LAYOUT技巧降低EMI顯然比較費時和增加大量的成本。隨著電子系統(tǒng)的速度往高速、高復(fù)雜度和便攜式發(fā)展，以上這些措施也就越來越難加以應(yīng)用。

 

在這里介紹一種主動型 EMI抑制技術(shù)---展頻技術(shù)，它應(yīng)用半導(dǎo)體芯片技術(shù)進(jìn)行處理，被稱為當(dāng)今最先進(jìn)有效的主動型 EMI 抑制方法之一。

 

展頻技術(shù)優(yōu)勢

 

展頻時鐘發(fā)生器SSCG(Spread Spectrum Clock Generator)是一種非常有效且低成本的解決EMI問題的方案，可以在保證時鐘信號完整性的基礎(chǔ)上應(yīng)對更廣頻率范圍內(nèi)EMI問題。相比傳統(tǒng)上使用鐵氧體磁珠和射頻扼流線圈抑制EMI，SSCG通過時鐘內(nèi)部集成電路調(diào)制頻率的手段來達(dá)到抑制EMI峰值的目的。SSCG不僅調(diào)制時鐘源，其它的同步于時鐘源的數(shù)據(jù)、地址和控制信號，在時鐘展頻的同時也一并得以調(diào)制，整體的EMI峰值都會因此減小，所以說時鐘展頻是系統(tǒng)級的EMI解決方案, 這是SSCG相比其它抑制EMI措施的最大優(yōu)勢。另外SSCG功能可以由用戶選擇不同配置，可以打開或者關(guān)閉，以及設(shè)置不同的調(diào)制頻率范圍等，應(yīng)用起來非常靈活。

 

展頻技術(shù)原理

 

聯(lián)系信號的時域與頻域的數(shù)學(xué)方法叫傅里葉變換，由法國數(shù)學(xué)家傅里葉發(fā)現(xiàn)，任何周期函數(shù)都可以用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)所構(gòu)成的無窮級數(shù)來表示。用傅里葉級數(shù)表示一個信號時，這些正弦波函數(shù)和余弦波函數(shù)就代表了這個信號包含的頻率成分。

 

如果一個周期性函數(shù)的周期是T，則它可以寫成：

 

 

式中a0 叫直流分量，它實際是函數(shù)在一個周期內(nèi)的平均值。

 

n = 1 的分量叫基波分量，它的頻率與原來的函數(shù)的重復(fù)頻率相同。n 為其他數(shù)的項叫諧波分量，例如 n = 2 的項叫做二次諧波，n = 3 的項叫做三次諧波。各項求解系數(shù)如下：

 

 

我們?nèi)≈C波次數(shù)越高，傅里葉級數(shù)逼近原來函數(shù)的程度越好。

 

傅里葉級數(shù)中并不是所有項都存在的。這個函數(shù)中，除了a0 以外，an 項都不存在這是因為方波波形是個奇函數(shù)，而余弦函數(shù)是一個偶函數(shù)，因此不存在。我們還可以看出，正弦波的各項僅有的奇次數(shù)項。這是因為方波的占空比為1的緣故。它意味著如果我們的時鐘信號采用占空比為1的脈沖信號，可以減少諧波的成分，同時也減少了導(dǎo)致干擾的機會。當(dāng)諧波的成分足夠多時，合成的波形就能夠與原來的波形很接近。如果我們能根據(jù)需要，只采用適當(dāng)?shù)拇螖?shù)的諧波來合成原來的波形，就能夠大大減少高次諧波的成分。而這些高次諧波成分往往是導(dǎo)致電磁干擾的主要原因。

 

需要注意的是，時域中周期性的信號對應(yīng)頻域中離散的頻譜，時域中非周期性的信號對應(yīng)著頻域中連續(xù)的頻譜。這意味著周期性的信號在頻域中的能量更加集中，而非周期性的信號，在頻域中的能量是分散在各個頻率上的，因此在某個頻率上的能量較小。這個概念具體到工程上面的應(yīng)用，就是進(jìn)行設(shè)備的電磁兼容設(shè)計時，要特別關(guān)注那些周期性的信號，如時鐘信號，本振信號等，因為這些信號會產(chǎn)生最強的電磁干擾發(fā)射。所以，我們利用這種特性使時鐘信號發(fā)生抖動，從而使頻譜擴(kuò)展散開，這樣就能夠減小頻線的幅度，從而更容易的通過電磁兼容設(shè)計技術(shù)。

 

如下圖以一個簡單的40MHz 的頻率為例：

展頻技術(shù)不但對時鐘振蕩頻率即基波有抑制作用,如下圖所示 ：

 

而且對時鐘的高次諧波的峰值也有很強的抑制作用，如下圖所示 ：

 

 

 

展頻技術(shù)應(yīng)用案例

 

某行車記錄儀測試 RE 時發(fā)現(xiàn)由時鐘產(chǎn)生的倍頻干擾很強。

 

 

增加展頻方案于晶振的源頭后干擾點得到了很好的抑制。

 

 

 

 

展頻方案使用方法

展頻方案可以應(yīng)用于汽車電子、GPS電子產(chǎn)品、筆記本、MID、機頂盒、手機、工業(yè)控制產(chǎn)品等等的產(chǎn)品當(dāng)中，具體所應(yīng)用的位置如下 ：

 

方案1 ：展頻方案應(yīng)用于晶振的源頭來抑制由時鐘倍頻所產(chǎn)生的干擾

方案2：展頻方案應(yīng)用于單線時鐘信號來抑制由時鐘倍頻所產(chǎn)生的干擾

 

 

 

BTS3I7166A 展頻模塊使用方法   

 

BTS3I7166A 展頻模塊原理圖

 

BTS3I7166A 展頻模塊 BOM 參數(shù)

 

     

 BTS3I7166A 展頻模塊 DEMO BOARD

 

 BTS3I7166A展頻模塊使用說明

 

 1. 模塊 VDD電源供電電壓為 3.3V/2.5V，推薦使用 3.3V電源供電。

 

2. 芯片對時鐘信號支持的頻率范圍是 10-80 MHz。

 

3. 在用于晶振時鐘源的情況下，將機器本身的晶體及匹配的元件拆下貼在Y1、C5、C6、R6 位號處，模塊中的 OUT 焊點接到主芯片的 XIN 腳即可，主芯片的 XOUT 懸空。

 

4. 在用于單線時鐘信號的情況下，請將時鐘信號輸入焊接到上圖所示位置，OUT焊點輸出到需展譜的時鐘信號腳。

 

5. R4 默認(rèn)值為 47K ，客戶可以根據(jù)機器測試的情況在 30K-200K 之間調(diào)整參數(shù)。

 

6. 關(guān)于芯片的封裝和其他未盡說明可參考我司提供的 BTS3I7166A  IC 規(guī)格書。

 

7. PCB Layout時展頻IC電路盡可能緊靠主芯片,并且晶體盡量靠近 BTS3I7166A 展頻IC, 晶體的走線盡可能短和BTS3I7166A 展頻IC的輸出線盡可能短。

 

總結(jié)

 

展頻方案對于抑制 EMI 效果顯著，它能減少旁路電容、扼流圈、磁珠以及屏蔽罩等其他抑制干擾組件的使用，有助于實現(xiàn)產(chǎn)品的小型化。如果在產(chǎn)品設(shè)計階段就采用展頻方案，更可節(jié)省測評時間和研究EMI 對策的費用。這種主動型的EMI 防護(hù)方案將會在今后得到更廣泛的應(yīng)用，謝謝。