【導讀】本文介紹了時鐘擴頻技術的原理、分類,結合它在攝像頭的具體應用案例,與傳統(tǒng)EMI抑制手段的實際效果進行對比,突顯時鐘擴頻技術在抑制時鐘EMI上的優(yōu)勢。目前，時鐘擴展頻譜技術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
時鐘是電磁干擾能量的主要來源之一，隨著系統(tǒng)設計復雜性和集成度的大規(guī)模提高，電子系統(tǒng)的時鐘頻率越來越高；以前傳統(tǒng)的諸如屏蔽，濾波等EMI改善措施的應用已變得越來越困難，這促使設計工程師去探索更可行有效的方法來減少時鐘能量發(fā)射，而擴頻時鐘的適時出現(xiàn)則恰如其分的解決了這個問題，并從源頭上——系統(tǒng)時鐘處控制和減少了EMI發(fā)射強度。目前，時鐘擴展頻譜技術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
擴展頻譜技術通過對尖峰時鐘進行調制處理，使其從一個窄帶時鐘變?yōu)橐粋€具有邊帶諧波的頻譜，將尖峰能量分散到展頻區(qū)域的多個頻率段，從而達到降低尖峰能量，抑制EMI的效果。
根據(jù)調變訊號的頻率范圍，擴展頻譜技術主要有向下展頻、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確的平均頻率。
1、未調制周期正弦信號的時域和頻域圖如下：
圖1 未調制正弦信號的時域圖
圖2 未調制正弦信號的頻域圖
2、采用擴展頻譜技術對正弦信號進行調制，將信號能量擴展到一個比較寬的頻
率范圍上，經(jīng)過擴展后正弦信號在時域與頻域圖如下：
圖3 經(jīng)過擴頻技術對正弦信號調制后時域圖
圖4 經(jīng)過擴頻技術對正弦信號調制后頻域圖
3、使用擴展頻譜技術后實際效果圖
圖5 使用擴頻技術前后實際效果圖對比
（1）擴展率用d表示，用來衡量時鐘擴展的深度，是頻域的擴展，頻率擴展范圍用Δf表示，擴展前時鐘頻率用 fc表示，Δf計算方式為
Δf= fc·d·100%
假設經(jīng)過擴頻時鐘調制后，諧波頻譜的的百分比相當平坦，峰值能量抑制近似如下
式中ASSC(i)—經(jīng)過擴展時鐘調制后的時鐘i-th諧振幅；
ACLK(i)—經(jīng)過擴頻時鐘調制前的時鐘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算如下
ASSC(i)·（dB）=ACLK(i)·（dB）-10㏒10(fc·d·100%/RBW)
上述公式表明，時鐘頻率越高，展頻降幅效果越好；相比于低次諧波，時鐘的高次諧波展頻的降幅效果更好。
三、擴展頻譜技術產(chǎn)品的優(yōu)點和應用
1、優(yōu)點
（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減少對地線要求。確保所有數(shù)據(jù)和時鐘信號返回的地線產(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，擴頻時鐘技術既可以抑制電磁干擾，又可以降低對地線的要求。
（2）靈活性。系統(tǒng)可以設計成非擴頻時鐘與不同比例的擴頻時鐘，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，增加擴頻時鐘，可以減少所有與時鐘同步的信號的電磁干擾。
2、應用
A類：時鐘源頭晶振上的應用
圖6 擴頻IC使用在主時鐘上示意圖
圖7 擴頻IC使用在主時鐘電路圖
說明：以聯(lián)詠NT96650BG方案的行車記錄儀為例，在主時鐘24MHZ上增加擴頻IC后，對于從主時鐘分頻或倍頻出來的DDR時鐘、SD-CARD時鐘、攝像頭時鐘、屏時鐘等都能得到相應擴頻，讓EMI得到抑制。
B類：CLK單線上的應用（以Sensor的MCLK為例）
圖8 擴頻IC使用在單線時鐘上示意圖
圖9 擴頻IC使用在單線時鐘電路圖
說明：以安霸A7的IP Camera為例，因結構所限，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。在MCLK增加擴頻IC，既可以抑制MCLK的諧波，同時PCLK也是基于MCLK時鐘產(chǎn)生，因此PCLK的諧波也能得到相應的抑制。
四、案例
某行車記錄儀采用安霸A7的方案，同時配置鎂光AR0331的感光芯片；要求通過EN55022 CLASS B輻射發(fā)射測試標準，測試時用12V電池給其供電，沒有外接其他配件，測試數(shù)據(jù)超標嚴重，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之間超標頻點很多，其中168MHZ超標達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時鐘信號，MCLK時鐘頻率為24MHZ，PCLK時鐘頻率為48MHZ，如果關閉攝像頭測試，機器可以通過測試標準；而且超標頻點通過測試數(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，整機結構如下：
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，對地增加22PF電容，具體如下：
圖12 在CLK時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，但是超標頻點還是很多，尤其是168MHZ還超標9.91DB，效果不理想。
2、在MCLK上靠近CPU增加擴頻IC，PCLK上不做改動，具體操作如下：
圖14 在MCLK上增加擴頻IC實物圖
處理后測試數(shù)據(jù)：
圖15 在MCLK上使用擴頻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測試標準，PK值余量超過1.6DB。
六、結語
時鐘擴展頻譜技術在抑制時鐘EMI上的應用，可以在一定程度上簡化EMC對策，降低昂貴的屏蔽材料成本，增強產(chǎn)品大批量生產(chǎn)的一致性，因此在產(chǎn)品的設計初期做EMC設計規(guī)劃時，應考慮做好展頻電路的兼容設計，以防產(chǎn)品在上市前因EMI整改困難而焦頭爛額，錯失最好的市場機會！
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