【導(dǎo)讀】本文介紹了時(shí)鐘擴(kuò)頻技術(shù)的原理、分類,結(jié)合它在攝像頭的具體應(yīng)用案例,與傳統(tǒng)EMI抑制手段的實(shí)際效果進(jìn)行對(duì)比,突顯時(shí)鐘擴(kuò)頻技術(shù)在抑制時(shí)鐘EMI上的優(yōu)勢。目前，時(shí)鐘擴(kuò)展頻譜技術(shù)被廣泛使用在圖像采集、圖像顯示及汽車電子等行業(yè)。
一、引言
時(shí)鐘是電磁干擾能量的主要來源之一，隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性和集成度的大規(guī)模提高，電子系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率越來越高；以前傳統(tǒng)的諸如屏蔽，濾波等EMI改善措施的應(yīng)用已變得越來越困難，這促使設(shè)計(jì)工程師去探索更可行有效的方法來減少時(shí)鐘能量發(fā)射，而擴(kuò)頻時(shí)鐘的適時(shí)出現(xiàn)則恰如其分的解決了這個(gè)問題，并從源頭上——系統(tǒng)時(shí)鐘處控制和減少了EMI發(fā)射強(qiáng)度。目前，時(shí)鐘擴(kuò)展頻譜技術(shù)被廣泛使用在圖像采集、圖像顯示及汽車電子等行業(yè)。
二、原理
擴(kuò)展頻譜技術(shù)通過對(duì)尖峰時(shí)鐘進(jìn)行調(diào)制處理，使其從一個(gè)窄帶時(shí)鐘變?yōu)橐粋€(gè)具有邊帶諧波的頻譜，將尖峰能量分散到展頻區(qū)域的多個(gè)頻率段，從而達(dá)到降低尖峰能量，抑制EMI的效果。
根據(jù)調(diào)變訊號(hào)的頻率范圍，擴(kuò)展頻譜技術(shù)主要有向下展頻、中心展頻、向上展頻三種模式，目前在抑制EMI上都是采用中心展頻，中心展頻保證了更準(zhǔn)確的平均頻率。
1、未調(diào)制周期正弦信號(hào)的時(shí)域和頻域圖如下：
圖1 未調(diào)制正弦信號(hào)的時(shí)域圖
圖2 未調(diào)制正弦信號(hào)的頻域圖
2、采用擴(kuò)展頻譜技術(shù)對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，將信號(hào)能量擴(kuò)展到一個(gè)比較寬的頻
率范圍上，經(jīng)過擴(kuò)展后正弦信號(hào)在時(shí)域與頻域圖如下：
圖3 經(jīng)過擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)正弦信號(hào)調(diào)制后時(shí)域圖
圖4 經(jīng)過擴(kuò)頻技術(shù)對(duì)正弦信號(hào)調(diào)制后頻域圖
3、使用擴(kuò)展頻譜技術(shù)后實(shí)際效果圖
圖5 使用擴(kuò)頻技術(shù)前后實(shí)際效果圖對(duì)比
（1）擴(kuò)展率用d表示，用來衡量時(shí)鐘擴(kuò)展的深度，是頻域的擴(kuò)展，頻率擴(kuò)展范圍用Δf表示，擴(kuò)展前時(shí)鐘頻率用 fc表示，Δf計(jì)算方式為
Δf= fc·d·100%
假設(shè)經(jīng)過擴(kuò)頻時(shí)鐘調(diào)制后，諧波頻譜的的百分比相當(dāng)平坦，峰值能量抑制近似如下
式中ASSC(i)—經(jīng)過擴(kuò)展時(shí)鐘調(diào)制后的時(shí)鐘i-th諧振幅；
ACLK(i)—經(jīng)過擴(kuò)頻時(shí)鐘調(diào)制前的時(shí)鐘i-th諧振幅；
RBW—測量電磁干擾能量的頻寬。
因此，抑制i-th諧波的電磁干擾的計(jì)算如下
ASSC(i)·（dB）=ACLK(i)·（dB）-10㏒10(fc·d·100%/RBW)
上述公式表明，時(shí)鐘頻率越高，展頻降幅效果越好；相比于低次諧波，時(shí)鐘的高次諧波展頻的降幅效果更好。
三、擴(kuò)展頻譜技術(shù)產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用
1、優(yōu)點(diǎn)
（1）降低成本
①減少屏蔽材料的使用，簡化工藝，節(jié)省人工成本；
②減少對(duì)地線要求。確保所有數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)返回的地線產(chǎn)生電磁干擾發(fā)射滿足測量要求很難。一種解決方案是增加接地層，但是這樣便增加了電路板的成本。然而，擴(kuò)頻時(shí)鐘技術(shù)既可以抑制電磁干擾，又可以降低對(duì)地線的要求。
（2）靈活性。系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)成非擴(kuò)頻時(shí)鐘與不同比例的擴(kuò)頻時(shí)鐘，可以通過外圍參數(shù)自由切換。
（3）全系統(tǒng)電磁干擾抑制。其他電磁干擾方法，如濾波、接地、屏蔽方法，可以在特定位置使用，從而減少特定位置的電磁干擾。與此相反，增加擴(kuò)頻時(shí)鐘，可以減少所有與時(shí)鐘同步的信號(hào)的電磁干擾。
2、應(yīng)用
A類：時(shí)鐘源頭晶振上的應(yīng)用
圖6 擴(kuò)頻IC使用在主時(shí)鐘上示意圖
圖7 擴(kuò)頻IC使用在主時(shí)鐘電路圖
說明：以聯(lián)詠NT96650BG方案的行車記錄儀為例，在主時(shí)鐘24MHZ上增加擴(kuò)頻IC后，對(duì)于從主時(shí)鐘分頻或倍頻出來的DDR時(shí)鐘、SD-CARD時(shí)鐘、攝像頭時(shí)鐘、屏?xí)r鐘等都能得到相應(yīng)擴(kuò)頻，讓EMI得到抑制。
B類：CLK單線上的應(yīng)用（以Sensor的MCLK為例）
圖8 擴(kuò)頻IC使用在單線時(shí)鐘上示意圖
圖9 擴(kuò)頻IC使用在單線時(shí)鐘電路圖
說明：以安霸A7的IP Camera為例，因結(jié)構(gòu)所限，攝像頭與DSP一般處于不同的兩塊PCB，中間用電纜連接，因此攝像頭的EMI問題一般是IPC輻射發(fā)射處理的難點(diǎn)。在MCLK增加擴(kuò)頻IC，既可以抑制MCLK的諧波，同時(shí)PCLK也是基于MCLK時(shí)鐘產(chǎn)生，因此PCLK的諧波也能得到相應(yīng)的抑制。
四、案例
某行車記錄儀采用安霸A7的方案，同時(shí)配置鎂光AR0331的感光芯片；要求通過EN55022 CLASS B輻射發(fā)射測試標(biāo)準(zhǔn)，測試時(shí)用12V電池給其供電，沒有外接其他配件，測試數(shù)據(jù)超標(biāo)嚴(yán)重，具體測試數(shù)據(jù)如下：
圖10 行車記錄儀為做處理測試數(shù)據(jù)圖
數(shù)據(jù)分析（只列舉了比較差的水平方向）：該產(chǎn)品在30-1000MHZ之間超標(biāo)頻點(diǎn)很多，其中168MHZ超標(biāo)達(dá)13.46DB。
輻射源頭分析：
該產(chǎn)品有兩塊PCB，包括主板和攝像頭小板，兩板之間用FPC排線連接。排線上有SENSOR的CLK時(shí)鐘信號(hào)，MCLK時(shí)鐘頻率為24MHZ，PCLK時(shí)鐘頻率為48MHZ，如果關(guān)閉攝像頭測試，機(jī)器可以通過測試標(biāo)準(zhǔn)；而且超標(biāo)頻點(diǎn)通過測試數(shù)據(jù)分析，其中大部分都是24MHZ的倍頻，因此判定攝像頭的MCLK和PCLK為主要輻射源頭，整機(jī)結(jié)構(gòu)如下：
圖11 產(chǎn)品PCB連接示意圖
四、整改方案
1、采用常規(guī)措施，在MCLK和PCLK分別靠近輻射源頭串聯(lián)220R的平滑曲線磁珠，對(duì)地增加22PF電容，具體如下：
圖12 在CLK時(shí)鐘線上具體處理示意圖
處理后測試數(shù)據(jù)：
數(shù)據(jù)分析：整體有一定下降，但是超標(biāo)頻點(diǎn)還是很多，尤其是168MHZ還超標(biāo)9.91DB，效果不理想。
2、在MCLK上靠近CPU增加擴(kuò)頻IC，PCLK上不做改動(dòng)，具體操作如下：
圖14 在MCLK上增加擴(kuò)頻IC實(shí)物圖
處理后測試數(shù)據(jù)：
圖15 在MCLK上使用擴(kuò)頻IC后測試數(shù)據(jù)圖
數(shù)據(jù)分析：效果明顯，整體下降10-15dB，并且頻率越高效果越好，整改后可以通過EN55022 CLASS B測試標(biāo)準(zhǔn)，PK值余量超過1.6DB。
六、結(jié)語
時(shí)鐘擴(kuò)展頻譜技術(shù)在抑制時(shí)鐘EMI上的應(yīng)用，可以在一定程度上簡化EMC對(duì)策，降低昂貴的屏蔽材料成本，增強(qiáng)產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的一致性，因此在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)初期做EMC設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)，應(yīng)考慮做好展頻電路的兼容設(shè)計(jì)，以防產(chǎn)品在上市前因EMI整改困難而焦頭爛額，錯(cuò)失最好的市場機(jī)會(huì)！
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