控制板級(jí)時(shí)鐘分配期間出現(xiàn)的 EMI

今天，我們來(lái)談?wù)勊须娮酉到y(tǒng)都存在的一種常見(jiàn)問(wèn)題——電磁干擾也即 EMI，并側(cè)重討論時(shí)鐘的影響。

從廣義來(lái)講，EMI? 是中斷、阻礙或者降低電子器件有效性能的所有電磁干擾。其產(chǎn)生的方式有兩種：1）通過(guò)存在于信號(hào)之間的寄生電感/電容，或者通過(guò)電源或接地連接的無(wú)用耦合，從而產(chǎn)生 EMI；或者2）直接通過(guò)電子/磁輻射，即輻射性 EMI。

由于兩個(gè)原因，時(shí)鐘信號(hào)常歸咎于 EMI。即使時(shí)鐘低頻率運(yùn)行，較好的時(shí)鐘上升/下降沿也包含大量的奇次諧波，其在更高頻率時(shí)會(huì)引起 EMI。另外，時(shí)鐘通常會(huì)在板上傳播一段較長(zhǎng)的距離，從而更可能給其他組件帶來(lái)干擾。通常，EMI 可通過(guò)頻譜分析儀測(cè)量，如圖 1 所示。圖中，綠色信號(hào)存在一些超出紅色 FCC 屏蔽的頻率分量（300MHz、400MHz 和 500MHz 等）。

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圖 1 板級(jí) EMI 測(cè)量實(shí)例

控制時(shí)鐘引起 EMI 的一些方法都基于上述兩種方式：屏蔽、去耦、精心布局，以及改變時(shí)鐘源特性。

屏蔽方法使用導(dǎo)體將 EMI 徹底包起來(lái)接地。利用這種方法，電磁能量被控制在系統(tǒng)內(nèi)部。另外，它還使外部信號(hào)更難以將 EMI 帶入系統(tǒng)。這種方法對(duì)傳導(dǎo)性 EMI 和輻射性 EMI 都有效。一般而言，這種方法在保護(hù)系統(tǒng)的敏感部件時(shí)成本較高，并且占用空間。高頻時(shí)效果較好。在 100MHz 以下時(shí)鐘頻率或邊緣速率情況下，EMI 自屏蔽層以上時(shí)鐘信號(hào)耦合，而屏蔽層本身也產(chǎn)生輻射。這種情況下，屏蔽的效果極其有限。一種解決方法是使用 RF 線(xiàn)圈。

大多數(shù)情況下，較好的去耦和精心的布局比屏蔽方法更能減少傳導(dǎo)性 EMI。

在每個(gè)有源器件（盡可能靠近器件連接電源或接地）上安裝旁路或者“去耦”電容有助于引導(dǎo)時(shí)鐘或任何其他高頻信號(hào)組件直接接地，而非干擾其他信號(hào)。至少用兩個(gè)數(shù)量級(jí)，交替這些旁路電容器的值。如果可能，選擇表面貼裝類(lèi)型。在板上給去耦組件一個(gè)占位器 (position holder) 一直都是一個(gè)不錯(cuò)的辦法。

就您的布局而言，基本原則是讓接地返回路徑短一些，并最小化信號(hào)環(huán)路。使用較短的過(guò)孔組件線(xiàn)。盡可能地靠近 PCB 貼裝組件，并將與時(shí)鐘線(xiàn)跡相關(guān)的所有組件都靠近放置在一起。如果可以的話(huà)，請(qǐng)使用差分信號(hào)。實(shí)事證明，使用一個(gè)專(zhuān)用接地層和多層布局較為高效。但是，這會(huì)增加電路板成本。對(duì)于一些如便攜式系統(tǒng)等成本敏感型設(shè)計(jì)而言，這樣做并不可取。這些情況下，改變時(shí)鐘信號(hào)本身可有效地減少 EMI 源，同時(shí)更便宜，也更靈活。

一種方法是減少信號(hào)擺動(dòng)來(lái)降低峰值能量。增加串聯(lián)電阻減慢時(shí)鐘上升/下降沿，從而減少諧波。另一種普遍使用的方法是使用擴(kuò)頻時(shí)鐘 (SSC)，有意將時(shí)鐘能量傳播至更寬的頻帶，這樣便使峰值能量降低。這種 SSC 功能被集成到大多數(shù)我們的時(shí)鐘器件中。下次，我們將對(duì)其做更詳細(xì)的討論。

降低擺動(dòng)或使用邊緣控制的缺點(diǎn)是使時(shí)鐘的抗噪性變差。使用 SSC 增加了時(shí)鐘的抖動(dòng)。就消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品而言，通常較少關(guān)注這些。但是，對(duì)于一些高精度應(yīng)用而言，這些方法通常不是首選的方法。

結(jié)論
總之，降低 EMI 方法的選擇涉及您的應(yīng)用、時(shí)鐘頻率和成本/性能考慮等諸多方面。一般而言，它是所有上述方法的綜合。