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电子产品:EMI辐射设计扩谱时钟技术在数字设备的优势

对于数字设备,辐射发射超标是产品顺利通过电磁兼容试验的巨大挑战!传统的屏蔽和滤波措施虽然能够使产品满足电磁兼容标准的要求,但是付出的成本较高,并且在有些场合并不容易实施。扩谱时钟技术在解决这个问题方面有比较大的优势!

扩谱时钟能够将时钟信号的各次谐波降低7-20dB;对数字电路EMI辐射的设计满足电磁兼容要求有最高的性价比!

1.扩谱时钟(展频技术)

扩谱时钟与普通时钟的区别是:普通时钟的信号周期十分稳定,而扩谱时钟信号的周期是按一定规律变化的。这种周期变化的结果是使时钟信号的谱线变宽,峰值降低!而每个谐波的总能量保持不变;如下示意图进行说明!

注意:扩谱时钟信号的频率抖动要控制在不引起系统时序错乱的程度,一般用百分比表示,称为频率调制度。

例如:±0.5%调制度表示100MHZ的时钟频率在99.5-100.5MHZ之间变化。当系统有工作频率的上限要求时,为了避免时钟频率超过系统允许的最高频率;时钟频率可在99.5MHZ-100MHZ之间变化;这称为下扩谱!

常用的扩谱方式如下图所示:

我们在实际的技术规范中要注明这种时钟周期,幅度的抖动!

2.普通的标准时钟和扩谱时钟的发射频谱的对比数据如下:

3.扩谱时钟技术与传统的滤波技术的差异

用低通滤波器(例如铁氧体磁环或三端电容)对时钟信号滤波,将时钟信号的高次谐波衰减,从而减小电路辐射的方法已为大多的电子设计师所了解!这种滤波的结果是延长了脉冲信号的上升沿,因此不适合高速电路的场合!特别是随着数字电路的工作速度迅速提高,时钟信号的上升沿必须保持一定的抖动!不允许使用滤波的方法。

同样的在开关电源中,使用上升沿较长的脉冲虽然可以减小干扰发射;但是会导致电源的效率降低!

与使用滤波器衰减脉冲信号高次谐波的方法相比;扩谱时钟技术具有以下几个不可替代的好处!

A.时钟信号的波形不变;扩谱时钟信号的脉冲波形与普通时钟信号的脉冲波形一样,具有很陡的上升沿,适合高速数字逻辑电路!

B.扩谱时钟从根源上减小干扰幅度;传统的滤波技术仅能将安装滤波器的线路上的时钟高次谐波幅度降低,而这路时钟经过分频或再次驱动后,高次谐波幅度又会恢复(甚至更大,取决于分频或驱动电路)。扩谱时钟则没有这个问题;因为它从根源上降低了时钟信号的各次谐波幅度!

C.扩谱时钟减小所以谐波的幅度;滤波仅能将高次(为了保证时钟的基本波形,一般要保留15次谐波)谐波幅度降低,而对较低次谐波(特别是基频)没有任何的抑制效果!例如:对于频率为12MHZ的时钟信号,一般仅能将150MHZ(保留13次谐波)以上的谐波滤除!而150MHZ以下的谐波任然会产生较强的发射!

这只能靠屏蔽和在电缆上使用高性能的滤波器来解决!

使用扩谱时钟则没有这个问题;几乎所有的谐波都会降低!

4.扩谱时钟的设计

获得扩谱时钟的器件有两类:

一类是独立的扩谱时钟振荡器(扩谱晶振)它的封装与普通晶体振荡器相同,可以直接替换普通的晶体振荡器,使电路工作在扩谱时钟状态。这类器件的缺点是每个型号的输出频率,扩谱参数(频率调制度)固定。

另一类需要外接一些器件,通常需要外接晶体或时钟源作为参考频率。这类器件的优点是工作频率为一个范围,扩谱参数可以设置!在新开发的产品中我推荐使用这类器件设计!

5.扩谱时钟(展频技术)在TFT-LCD显示的应用及技术要求

后面我再将工作中的电子产品的EMI辐射问题设计技巧推荐给大家!

2018年12月的两场研讨会;我将设计技巧进行分享!

更多应用及技术交流;请关注公众号

《电子产品&设备:EMI的分析设计技巧》

2018年12月我在天津 & 常州和大家相约!我们不见不散!!

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实际应用中电子产品的EMC涉及面比较广;我的系统理论及课程再对电子设计师遇到的实际问题 进行实战分析!先分析再设计;实现性价比最优化原则!

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