【導(dǎo)讀】熟悉電磁兼容設(shè)計(jì)的工程師都知道，設(shè)計(jì)好時(shí)鐘電路是保證達(dá)到系統(tǒng)輻射指標(biāo)的關(guān)鍵，時(shí)鐘電路EMC設(shè)計(jì)的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師來(lái)說(shuō)，在數(shù)字系統(tǒng)中有許多種方法可用于解決電磁干擾問(wèn)題。
我們都知道時(shí)鐘源可以通過(guò)兩種方式產(chǎn)生電磁干擾。同步時(shí)鐘的重復(fù)特性以及沒(méi)有正確端接的線路都會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。時(shí)鐘的能量是通過(guò)天線輻射進(jìn)入電磁場(chǎng)的。這里指的天線包括各種形式：PCB線路、PCB返工線、未經(jīng)充分屏蔽的元件、連接器、纜線(屏蔽或非屏蔽)以及未正確接地的設(shè)備等。在高速數(shù)字系統(tǒng)中，固定頻率的時(shí)鐘是主要的電磁干擾源。這是因?yàn)椋@些時(shí)鐘總是在一個(gè)固定的頻率下工作，這將使能量增加到更高的級(jí)別。而非重復(fù)性信號(hào)或是異步信號(hào)不會(huì)產(chǎn)生如此多的電磁干擾。隨著更高的數(shù)據(jù)速率要求更快的時(shí)鐘頻率，信號(hào)的邊沿率(即上升時(shí)間和下降時(shí)間)也隨之提高。較快的邊沿率將使輻射信號(hào)的能量級(jí)別增加更多。導(dǎo)致電磁干擾的第二個(gè)原因是時(shí)鐘線路沒(méi)有正確端接。阻抗不匹配將會(huì)導(dǎo)致線路信號(hào)出現(xiàn)正向或負(fù)向的過(guò)沖，在這種情況下輻射能量將會(huì)增加，增加的幅度取決于正負(fù)向過(guò)沖的嚴(yán)重程度。如果嚴(yán)重的過(guò)沖導(dǎo)致了十到二十個(gè)節(jié)點(diǎn)，可能就無(wú)法通過(guò)FCC符合標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試。
對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師來(lái)說(shuō)，在數(shù)字系統(tǒng)中有許多種方法可用于解決電磁干擾問(wèn)題。設(shè)計(jì)者可以選擇屏蔽設(shè)計(jì)、信號(hào)過(guò)濾或是消除干擾源能量的方法來(lái)解決問(wèn)題，這些方案可以單獨(dú)使用，也可以和其他方案配合使用。第一種方法為屏蔽，這并不是一種電氣解決方案，而只能稱(chēng)得上是一種機(jī)械上的執(zhí)行方案。屏蔽是采用金屬包裝的方式將元器件、電路、組合件、電纜或整個(gè)系統(tǒng)的干擾源包圍起來(lái)，防止干擾電磁場(chǎng)向外擴(kuò)散。過(guò)去經(jīng)常采用屏蔽方案，但是有時(shí)這種方案的成本較高；而且對(duì)于發(fā)熱量比較大的電路系統(tǒng)，加上屏蔽盒會(huì)影響散熱，沒(méi)有良好的散熱這對(duì)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是非常致命的，過(guò)熱甚至?xí)p傷器件或系統(tǒng)。還有，一旦在產(chǎn)品發(fā)布之前發(fā)現(xiàn)電磁干擾問(wèn)題，如果采用屏蔽方案，屏蔽盒的安裝將成為一個(gè)難題。其他兩種方法為濾波和降低功率都是采用將產(chǎn)生電磁干擾輻射的線路隔離的方法。為了確定究竟是哪一條或是哪幾條線路導(dǎo)致了電磁干擾，應(yīng)進(jìn)行消聲室測(cè)試或是電磁干擾仿真。測(cè)試得到的輻射報(bào)告將確定在哪些頻率上的電磁干擾超標(biāo)，這些頻率通常被稱(chēng)為干擾點(diǎn)。一旦確定了這些頻率(以及其諧波頻率)，就可找到導(dǎo)致干擾的時(shí)鐘線路，這里可以從時(shí)鐘信號(hào)是否端接、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的選擇、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器的選擇、降低時(shí)鐘邊沿轉(zhuǎn)換率來(lái)考慮。
因此針對(duì)時(shí)鐘電路的EMC設(shè)計(jì)，我們提出了如下的建議。由于目前已有許多以機(jī)械結(jié)構(gòu)或是改變電路布局方式的電磁波干擾防治解決方案，但是這些解決方案都耗時(shí)費(fèi)事，若能在電路設(shè)計(jì)上的小細(xì)節(jié)多加留意，就可以有效地預(yù)防電磁波噪聲的產(chǎn)生。時(shí)鐘信號(hào)若是沒(méi)有被正確的端接，或是時(shí)鐘器件具有快速的瞬時(shí)特性，都會(huì)產(chǎn)生大量的電磁波噪聲。若要控制電磁波噪聲的產(chǎn)生，必須考慮下列幾項(xiàng)原則：正確的端接所有的時(shí)鐘信號(hào)；盡量采用邊緣上升速率較低的時(shí)鐘緩沖器件；在時(shí)鐘線路中采用濾波電容；在高速的電路中采用時(shí)鐘擴(kuò)頻技術(shù)。
除了以上運(yùn)用的方法，我們還可以用一些措施來(lái)減小時(shí)鐘電路以及時(shí)鐘線路的電磁輻射，如時(shí)鐘信號(hào)走線長(zhǎng)度盡可能短，線寬盡可能大，與其他線間距盡可能大，緊靠器件布局布線，必要時(shí)可以走內(nèi)層；時(shí)鐘產(chǎn)生器盡量靠近使用該時(shí)鐘的器件。在某些情況下，可以采取對(duì)時(shí)鐘線路添加保護(hù)性線路，即在時(shí)鐘線兩邊鋪設(shè)兩條接地線進(jìn)行屏蔽。時(shí)鐘電路和高頻電路是主要的干擾和輻射源，一定要單獨(dú)安排、遠(yuǎn)離敏感電路。時(shí)鐘輸出布線時(shí)不要采用向多個(gè)器件直接串行地連接(稱(chēng)為菊花式連接)；而應(yīng)該經(jīng)時(shí)鐘緩沖器分發(fā)后向多個(gè)器件直接提供時(shí)鐘信號(hào)。石英晶體下面以及對(duì)噪聲敏感的器件下面不要走線，且石英晶體振蕩器外殼要接地。時(shí)鐘線要嚴(yán)格地控制阻抗，如果能從內(nèi)層走線則最好(可減小干擾)，盡量少用過(guò)孔。保證時(shí)鐘信號(hào)返回路徑的完整性，使信號(hào)返回路徑的環(huán)路面積最小，減小電磁輻射。各類(lèi)時(shí)鐘IC芯片的接地引腳要就近接地。只要在電路設(shè)計(jì)上遵守這些簡(jiǎn)單的規(guī)則，就可以最低的成本和最短的時(shí)間內(nèi)有效地控制電磁波輻射，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。
