采用扩展频谱方法减少EMI问题

随着PC和工作站时钟速度的进一步提高，电磁辐射干扰也在增强。辐射干扰主要由基频和低阶谐波产生，而这些频率为主要的无线电FM波段所覆盖，所以会产生信号干扰。为了规范无线通信，相关管理机构严格限制PC以及任何可能使用时钟，并导致发射的电子设备所产生的电磁辐射。

诸如时钟、数据、地址和控制信号等，几乎任何电信号的快速信号沿变化都会产生电磁辐射。随着人们对电子设备的性能需求越来越高，时钟速度也在不断提高。为了满足越来越严格的建立时间和保持时间需求，信号的跳变沿变得越来越快。(建立时间是指时钟信号上升沿之前，数据脉冲必须稳定建立的时间，而保持时间是指时钟沿之后数据脉冲必须维持稳定的时间。)

时钟信号通常不仅仅只连接到一个或者两个器件上，而是分布在整个印刷电路板上。时钟线上的存储器和其它负载的增加都会导致电磁辐射急剧增强。EMI线性正比于电流、电流环路的面积以及频率的平方，即EMI＝kIAf²，其中I是电流，A是环路面积，f是频率，k是与电路板材料和其它因素有关的一个常数。

EMI辐射分两种类型：差模辐射和共模辐射。差模辐射是由PC插卡和主板上信号线与地之间形成的电流环路而产生的，该环路实际上就是一个天线，对外可能产生超出FCC限制的EMI；共模辐射则是由局部地噪声注入到PC的I/O线或者电缆上而产生的。这些电缆和PCB线通常都很长，因而也构成了可以产生辐射的天线。

一直以来，电磁屏蔽是降低EMI最普遍的方法，但是在某些情况下该方案并不可行，这促使设计工程师去探索更可行也更有效的方法来减少辐射，扩展频谱的方法就是其中一种很有效的方法。

扩展频谱方法对信号进行调制，将信号能量扩展到一个比较宽的频率范围上。实际上，该方法是对信号的一种受控的调制，这种方法不会明显增加时钟信号的抖动。实际中的应用证明扩展频谱技术是有效的，不同的调制度可以将辐射降低7到20dB。

扩展频谱的方法主要用于方波信号。方波信号包含基频分量和基频信号的奇次谐波分量，能量也分布在基频信号和谐波分量中。由于频谱密度以同频率成反比的方式滚降，因此谐波能量随频率的增加呈级数降低。

由于大多数时钟信号的占空比不是50%，因此具有更大的谐波分量。另外，频谱同信号的傅立叶变换有关，傅立叶变换显示出信号在频域的频率成分。例如，单一频率的正弦信号在频域中表现为在该频率上的一个垂直尖峰。

最严重的辐射通常包含在时钟频率基频到三次或者五次谐波之中。将基频能量分布在一个扩展的频谱上，同样也将谐波能量分布在一个更宽的频率范围上，这是由于n次谐波的带宽是基频带宽的n倍。扩展频谱方法必须受到控制，使之相对于时钟频率更慢，确保时钟频率的改变对系统来说是透明的。时钟周期之间以及峰值之间的抖动都必须满足系统规范要求。

从本质上说，扩展频谱是一种以调制百分比来衡量的调制方法。例如，0.5%的调制就表示一个100MHz的时钟信号在99.5MHz到100.5MHz之间进行调制。由于100MHz的基频保持在中心频率上，因此称为中心0.5%(б)调制。

扩展频谱方法还必须保证最小时钟周期不会出现冲突。为避免超出系统的最高频率，时钟信号通常在99.5MHz和100MHz范围之间扫描变化，该方法称为向下扩展频谱。在这种情况下，时钟频率的偏离用负的百分比来衡量，此处为－0.5%(б)扩展。

扩展频谱主要用于系统时钟。对于当前400MHz的PC，由于高频时钟需要采用特定的电磁辐射消减措施。在Pericom公司的产品中，时钟电路具有扩展频谱的能力，例如台式电脑应用中的PI6C104，以及便携式应用中的PI6C103和102，可以实现整个系统中EMI发射兼容的更高容限。所有Pericom台式机和便携式PC的时钟都具有扩展频谱降低EMI的性能。PI6C104的扩展频谱能力仅提供CPU和PCI的时钟调制，固定时钟，如REF以及其它时钟(24MHz和48MHz)都不进行调制。

由于使用了I2C的控制方式，Pericom的PC时钟提供几种类型的调制方式。例如PI6C104可以实现б值为0.5%、0.9%、1%、-1%、-0.5%和0.25%的调制，以及不采用调制(关闭扩展频谱)，调制频率设置为60 kHz。在调制频率为30kHz和60kHz时，扩展频谱调制引入的时钟信号抖动很小。

为了解决EMI问题，设计工程师还必须遵循一系列的设计规则和方法：

1. 在实际设计中建议使用实体地和电源层，避免电源和地被分割，这种分割可能导致复杂的电流环路。电流环路越大辐射也越大，所以必须避免任何信号，尤其是时钟信号在分割地上布线。

2. 将时钟驱动器布局在电路板中心位置而不是电路板外围。将时钟驱动器放置在电路板外围会增加磁偶极矩(magnetic dipole moment)。

2. 为了进一步降低顶层时钟信号线的EMI，最好是在时钟线两侧并行布上地线。当然，最好将时钟信号布在地层与电源层之间的内部信号层上。

4. 时钟信号使用4mil到8mil的布线宽度，由于窄的信号线更容易增加高频信号衰减，并降低信号线之间的电容性耦合。

5. 由于直角布线会增加布线电容并增加阻抗的不连续性，从而导致信号劣化，所以应该尽量避免直角布线和T型布线。

6. 尽量满足阻抗匹配。绝大多数情况下，阻抗不匹配会引起反射，而且信号完整性也主要取决于阻抗匹配。

7. 时钟信号布线不能并行走得太长，否则会产生串扰从而导致EMI增大。一个较好的办法是确保这些线之间的间距不小于线宽。

8. 在设计图形存储器子系统时，必须确保时钟线远离任何PC的I/O连接器，距离保持在至少2.5英寸以上。这些连接器包括并行口、串行口、键盘连接器和监视器连接器等。在I/O连接器周围设置地隔离沟的方式可以将共模辐射限制到最小。对于高频共模辐射的抑制，推荐使用具有合适阻抗特性的铁氧体器件，由于铁氧体的阻抗随频率而变化，在高频区域铁氧体的特征更接近一个电阻而不是电感，并且铁氧体的电阻损耗可用于消除辐射。

9. 对外部或内部时钟源使用Vdd去耦电容可以降低EMI，去耦电容的布局对于降低时钟源器件封装的发射来说非常重要，所有电容都应该布局在离Vdd管脚20mil的范围以内。去耦电容的值是根据电容的谐振频率来定，对于时钟发生器较高的频率而言，100pF左右的电容比较合适。

10. 缩短高频信号布线长度以及减小电流环路面积可有效抑制EMI。同时，在时钟源上设置RC滤波器来控制上升和下降时间可降低EMI，因为较慢的上升和下降时间产生较低的发射频率。

11. 确保时钟芯片的电源管脚紧邻地管脚可以使电源环路最小化。使电源和地管脚引线并行而且互相靠近，这样可以有效地降低EMI。

12. 当信号噪声源不能消除时，采用滤波器可以有效地实现噪声抑制。EMI滤波器以及铁氧体磁珠是最常用的滤波器，铁氧体磁珠通过增加电感来抑制高频分量。

采用EMI滤波器消除高频噪声

EMI滤波器可以消除电源线上的高频噪声，这种滤波器可以在市场买到。EMI滤波器不仅阻止噪声进入系统，而且也会阻止系统产生的噪声影响系统中的其它部分，具有双向效果。EMI滤波器的构成可以根据节点电阻来确定：高阻抗节点要求使用电容，而低阻抗节点要求使用电感。

EMI滤波器的结构还可以是旁路电容、L电路、π型电路和T型电路，采用旁路电容的唯一器件就是电容器，当连接到滤波器的阻抗很高时采用旁路电容是一种很好的选择。

除了时钟电路以外，高速器件也会产生更多的高频噪声，这是因为较短的信号跳变时间会使信号在高频范围上有更多的能量。总之，扩展频谱方法提高了系统EMI性能，可以加速产生信号干扰的产品上市，并且降低封装和屏蔽方面的成本。与此同时，设计工程师应该使用所有可能的方法和设计规则来降低EMI。

作者：

Chris Arcus

设计经理

Pericom Semiconductor公司