时钟电路的电磁波干扰
扩频时钟技术(Spread+Spectrum+Clock+Technology)对降低电磁干扰(EMI)的作用及实现方法
第二章扩频时钟技术第二章扩频时钟技术§２．１起源与发展历史扩频技术在相当长的一段时期内已经被广泛应用于通讯领域，但是直到最近十年，这项技术才被应用于其它领域。
比如为了降低电磁辐射干扰（ＥＭＩ）而采用扩频技术故意地在时钟发生器中引入抖动（ｒｉｆｌｅｒ）。
很多年前，在第二次世界大战前夕，当时的一位著名的好莱坞女演员ＨｅｄｙＬａｍｍａｒｒ（图２—１）利她的丈夫ＧｅｏｒｇｅＡｎｔｈｅ“——当时美国的一位先锋派作曲家，在一次晚餐中突然想到了一个有趣的方案可以在很远的距离控制武装鱼雷艇，并且通讯传输不会被敌人发现或者干扰。
他们很有先见地将这项发明申请了专利。
虽然直到１７年之后专利失效也没有将这个想法付诸实现，并且他们也没有从中得到一分钱好处。
但是这项发明的基本思想却成为了后来的扩频通讯技术的基础。
图２—１历史上第一个提出扩频概念的人ＨｅｄｙＬａｍｍａｒｒ和ＧｅｏｒｇｅＡｎｔｈｅｉｉ的发明让人感到更加不可思议的是，当时还没有发明数字电路，但是它却包含了一些关键的数字电路的概念。
虽然这两位扩频技术的先驱被人们忽略了多年，但是随着这项技术的不断应用，人们最终又发打频ｔｔ，ｔ９ｔ，技术对降低ＩＵ诎十扰们作』ＩＩ段Ｊ［０：现力法图２一１４所示为基于这种方法的扩频部分的一种实现框图。
Ｐ为每段折线上：所墩的点数，ｑ为用ＰＷＭ方式近似小数分频值ＩＩｔ的脉冲数。
ｄｊ利ｄ２分）ｊ０为所存线段上的点的垂直＾Ｕ距。
Ｎｂａｓｏ是不进行护频叫…．纠：路分频器的分频值。
ＮｄＪｖ是扩频时环路分频器的实际分频值。
扩频部分的仿真结果如图２一１５所示，环路分频器的Ｎ’值在￥１１－穹１；的阳个数字之间采用ＰＷＭ方式来回切换以达到近似一个小数的分频值。
图２—１５扩频时钟的仿真截图（以模拟方式显示的Ｎ值）虽然这种方法省去了查找表，并且可以较为精确地实现任意分频值。
但是由于ＰＷＭ方式实际上是一个数字量化的过程，必然存在量化误差。
而且带内误差信号所造成的噪声无法被ＰＬＬ滤除，因此对最终的扩频时钟性能会造成一定影响。
EMC(电磁干扰)展频时钟技术
电磁干扰(EMI)是一种会通过导致意外响应或完全工作实效从而影响电气/电子设备性能的能量。
EMI是由辐射电磁场或者感应电压和电流产生的。
当前高速数字系统中的高时钟频率和短边率也会导致EMI问题。
传导和发射EMI的一个重要产生源是连接交流电源线的电气设备，例如电脑和开关电源，以及带有电动马达的电气设备，例如冰箱、空调和电单车等。
一旦电气设备的EMI传导到一个电路里，里面的线缆就会像一根天线一样，将传导EMI以RFI(无线电干扰)的形式“广播”到整个电路中。
图1：时钟域里的Hershey Kiss展频时钟频率概图。
EMI可能影响不大，也可能导致灾难性的故障，所以对EMI的有效控制是非常重要的。
电磁兼容性(EMC)是指系统能在指定环境下运行而不会传导或发射过量电池干扰的能力。
EMI标准和相关成本EMC标准的宗旨是为了确保电子设备不会影响其它电子设备的运行甚至导致设备的故障。
各国针对“电视、广播、便携式娱乐设备、电子游戏和互联网设备”等消费电子设备的EMI 屏蔽功能的要求各有不同。
目前为止已经有各种各样的组织发布了EMI规范。
在美国，FCC发布了针对A?级和B级电子设备的第15部分J章规范。
A?级和A层规范针对的是工业设备，而B级和B层规范则适用于消费电子产品。
EMI规则减少了电子设备之间的干扰，解决了健康和安全方面的问题。
图2：频率域里的展频时钟频率概图。
如何控制EMI，一般要考虑以下几个因素：1) PCB设计－“灵敏元件、电源和地面层的隔离”2) 电路电流－“EMI辐射会随电流增大而增加”3) 频率，包括回转率－“EMI辐射会导致频率升高”4) 带宽5) 电路回路区域－“保持在最小”6) 屏蔽/过滤－“结合合理的设计、过滤、屏蔽和其它技巧，来以最低成本的方法将EMI控制在所需等级”7) 展频时钟－“合适的展频数量和调制频率”8) 抖动应用系统中时钟的中心频率，以便将辐射能量扩展到多个频段，而不是让所有能量辐射到一个频率。
高速时钟电路的EMC设计
高速时钟电路的EMC设计分类：C++ builder 笔记PCB 初学2010-05-29 12:57 375人阅读评论(0) 收藏举报EMI信号将会干扰电子设备（如收音机、电视、移动电话以及其他类似设备）的正常运行。
在PCB板上，电磁干扰会严重影响系统的正常工作。
在大多数数字系统中，电磁干扰的主要来源是时钟发生以及分发电路。
干扰是电磁波造成的，而电磁波是由于带电粒子在电场中移动产生的，只要存在电信号就一定会产生电磁波。
监管机构要求产生电磁干扰的电子设备必须符合特定的规章制度和要求。
其中一项要求是：在固定的频率范围内，在距离发射源一定距离处由发射源产生的干扰不能超过预定水平。
时钟又是如何影响其他设备的正常工作呢？很多同步设备使用的典型频率为33.3MHz，这个频率经常用作PCI总线、ASIC、FPGA以及处理器的时钟信号源。
与33.3MHz有关的是一系列谐波频率。
33.3MHz的3次谐波即为99.9MHz，因此一块工作频率为33MHz的电路板可能使调谐99.90MHz的收音机不能正常接收。
时钟电路在数字电路中占有重要地位，同时时钟电路也是产生电磁辐射的主要来源。
一个具有2ns上升沿的时钟信号辐射能量的带宽可达160MHz，其可能辐射带宽可达十倍频，即1.6GHz。
因此，设计好时钟电路是保证达到系统辐射指标的关键，时钟电路EMC设计的好坏直接影响整个系统的性能。
时钟电路中电磁干扰的产生时钟源可以通过两种方式产生电磁干扰。
同步时钟的重复特性以及没有正确端接的线路都会产生电磁干扰。
时钟的能量是通过天线辐射进入电磁场的。
这里指的天线包括各种形式：PCB线路、PCB返工线、未经充分屏蔽的元件、连接器、缆线（屏蔽或非屏蔽）以及未正确接地的设备等。
在高速数字系统中，固定频率的时钟是主要的电磁干扰源。
这是因为，这些时钟总是在一个固定的频率下工作，这将使能量增加到更高的级别。
而非重复性信号或是异步信号不会产生如此多的电磁干扰。
利用扩频技术减少高速时钟电路的电磁干扰
利用扩频技术减少高速时钟电路的电磁干扰
韩晓轩
【期刊名称】《电子质量》
【年(卷),期】2008(000)006
【摘要】数字电子设备的运行速度越来越快,其时钟频率就越来越高,时钟电路产生的辐射干扰就越为严重.本文介绍了一种对抑制时钟电路辐射干扰较为有效的方法-时钟扩频技术.
【总页数】3页(P94-96)
【作者】韩晓轩
【作者单位】TCL集团股份有限公司,广东深圳,518067
【正文语种】中文
【中图分类】TN75
【相关文献】
1.时钟电路辐射骚扰与扩频技术 [J], 范桢;欧阳典勇
2.高速时钟与数据恢复电路技术研究 [J], 张长春;王志功;郭宇峰;施思
3.扩频控制技术用于减少电力电子变换器的电磁干扰的研究 [J], 黄劲;熊蕊;邹云屏
4.高速数字电路设计的电磁干扰控制技术 [J], 李国华
5.利用扩频技术降低电磁干扰 [J], 闻映红;张林昌
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电磁波干扰的原理
电磁波干扰的原理电磁波干扰的原理是指电磁波在空间传播时，由于遇到障碍物或其他电磁波干扰等因素的影响，使得传播的电磁波质量受到损害或产生失真现象。
干扰的原理主要涉及以下几个方面：1. 多径传播：当电磁波传播在室内或城市中的建筑物、障碍物等物体周围时，会发生多次反射、折射和衍射现象，形成多条路径传播。
这些不同路径的电磁波到达目标设备时，由于路径长度不同和传播途径的不同，会引起干扰，造成信号强度的变化和多径延迟扩展，导致传输错误或降低传输速率。
2. 同频干扰：不同设备或系统使用相同的频段进行通信时，会产生同频干扰。
当两个或多个设备同时工作时，它们的信号会互相干扰，导致接收设备无法正确识别和解码原始信号。
这种同频干扰可以通过使用频率分离技术或调整设备间的工作频段来解决。
3. 杂散射频干扰：当电磁波在传输过程中，遇到其他设备发射的杂散射频信号，会引起杂散射频干扰。
这种干扰主要是由于不同设备的谐振回波、闪烁回波或其他电磁波辐射产生的散射导致的。
杂散射频干扰的解决方法包括增加设备间的距离、调整工作频段，或使用滤波器等。
4. 共模干扰：共模干扰是指电磁波在传输过程中，遇到电源或其他设备发射的干扰信号，使得电磁波的振幅和相位发生变化。
这种干扰主要产生在共用电源线或接地线的设备之间。
共模干扰的解决方法包括使用各设备独立的电源供应或隔离设备之间的连接。
5. 天线干扰：天线干扰是指电磁波在传播过程中，遇到其他设备的天线发射的信号，导致接收设备接收到不相关的信号。
这种干扰主要发生在无线通信系统或广播系统中，可以通过调整天线方向、增加天线间的距离或使用天线隔离器等方法来解决。
综上所述，电磁波干扰的原理是由于电磁波在传输过程中遇到各种因素的影响，导致信号质量受损或失真，从而引起通信设备的干扰现象。
为了减少干扰，可以通过合适的技术手段和设备设计来优化电磁波传输和接收。
电子电路中常见的时钟信号问题解决方法
电子电路中常见的时钟信号问题解决方法在现代电子设备中，时钟信号是非常重要的，它作为同步电路的基准信号，用于协调各个模块的工作。
然而，在实际的电路设计与应用中，时钟信号问题经常会带来各种困扰。
本文将探讨电子电路中常见的时钟信号问题，并提供相应的解决方法。
一、时钟信号干扰问题当时钟信号被其他电源噪声或干扰信号所污染时，会导致电路性能下降，甚至无法正常工作。
为了解决时钟信号干扰问题，可以采取以下措施：1.地线隔离：将时钟信号的地线与其他信号的地线分离开，避免互相干扰。
2.屏蔽处理：对时钟信号线进行屏蔽处理，可以有效减少外界干扰信号对时钟信号的干扰。
3.滤波电路：在时钟信号输入端添加适当的滤波电路，可以滤除高频噪声，保证时钟信号的纯净性。
二、时钟信号衰减问题长距离传输时钟信号时，由于电线电阻、电容等因素的存在，时钟信号会出现衰减现象，导致接收端无法正确识别时钟信号。
为了解决时钟信号衰减问题，可以采取以下方法：1.线路加强：加大时钟信号线路的电线直径，降低线路的电阻和电容，减少信号的衰减。
2.差分信号传输：采用差分信号传输时钟信号，在时钟信号的传输过程中，根据不同方向的电压差获取时钟信号，抵消传输中的衰减。
三、时钟信号抖动问题时钟信号抖动是指时钟信号在稳定工作状态下的微小波动。
时钟信号抖动会对电路的性能产生负面影响，为了解决这一问题，可以采取以下方法：1.时钟信号缓冲：使用时钟信号缓冲器，可以增强时钟信号的稳定性，减少抖动。
2.时钟信号滤波：在时钟信号输入端添加滤波电路，可以滤除高频抖动信号，提高时钟信号的纯净性。
四、时钟信号时序问题时钟信号的时序问题是指时钟信号的上升沿和下降沿出现偏差，导致数据采样时刻不准确。
为了解决时钟信号时序问题，可以采取以下方法：1.时钟信号延迟控制：通过调整时钟信号的延迟来修正时序偏差，使时钟信号与数据采样时刻精确匹配。
2.时钟信号重整：使用时钟信号重整器，可以对时钟信号进行重新整形，使得时钟信号的时序更加准确。
时钟电路的电磁波干扰
时钟电路的电磁波干扰
Michael Hsieh
【期刊名称】《世界电子元器件》
【年(卷),期】2004(000)002
【摘要】所有会产生电压频率信号的电子组件都是潜在的电磁波干扰(EMI)的来源，这些电磁波信号将会影响如收音机、电视或移动电话等电子产品的正常运作。
大多数系统中产生电磁波噪声的主要来源是系统时钟的产生与分配电路，本文将探讨电磁波干扰产生的原因、如何测量电磁波干扰及如何降低电磁波干扰带来的影响。
【总页数】3页(P34-36)
【作者】Michael Hsieh
【作者单位】Cypress台湾区应用工程经理
【正文语种】中文
【中图分类】TN7
【相关文献】
1.基于时钟消抖电路的高精度全局时钟同步设计 [J], 高林林;宋克柱;杨俊峰;吕文
贵
2.时脉电路的电磁波干扰 [J], 谢明忠
3.时脉电路的电磁波干扰 [J], 谢明忠
4.多时钟系统下跨时钟域同步电路的设计 [J], 赵旸;梁步阁;杨德贵;赵党军
5.多ATE时钟的时钟电路设计与时钟分配方法研究 [J], 刘欣
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利用扩频技术减少高速时钟电路的电磁干扰
３ 时钟扩频原理
时钟扩频 的原理 ： 是用 一个频 率较低 的正 弦信号 （ 三角 波或 其他 方式 ）对时 钟信 号进 行调制 而使 输 出时钟 的频 率 存在 微小 的变化 ，把 能量集 中的频谱 变成 分散 在 以时钟 频 率为 中心 的一个较 宽 的频带上 ， 辐射 出去 的 总能量 不变 ， 但
下式 将单频 功率均 分到整个 扩展谐 波频段 ：
２高速 时钟 电路 电磁 干扰产 生原 因
高速 时钟 电路 （ 例如液 晶 电视 机 中 的 Ｓ Ｒ Ｍ／ Ｄ Ｄ Ａ Ｄ Ｒ时
ｃ ｏｃｋ ｎ ｔ ｌ ｉ ｇ ｅｃｈｎｉ ｑｕｅ
Ｃｌ ｍ ｌ ｎ Ｔ ５ — ｎ ｃ ￣ Ｎ７
Ｄ● Ⅻｍ掘 ｔ ｄ ｛ ｃ ∞ ． Ａ
＾ｒ ｌＩ １１ ０ ３ ０ ０ （０ ８） ６ ０ ９ ． ３ ｔｃ－１１ ０ ． １ ７ ２ ０ ０ ． ０ ４ ０ ． １
１前 言
在高 速数字 系统 中 ， 钟 电路是 主要 的 电磁 干扰源 ， 时 时 钟 电路 的时 钟频 率越 高 ， 产生 的 电磁辐 射越 为严 重 ， 钟 其 时
ｆｅｑｕｅｎｃ ｗｏｕｌ ｇｅｔｍ Ｌｃｈ ｈ ｇｈｅｒ ｈｅｎ ｔ ａｄｉ ｅｄ ｄｉ ｔ ｂａｎｃ ｐ ｏｄｕ ｒ ｙ ｄ Ｊ ｉ ｔ ｈｅ ｒ ａｔ ｓ ｕｒ ｅ ｒ ｃｅｄ ｆｏｍ ｈ ｃｌ ｒ ｔ ｅ ｏｃｋｉ ｒ ｕｉ Ｗ ＯＵ ｄ ｂｅｃ ｎｇ ｃｉｃ ｔ Ｉ ｏｍ ｅ ｍ ｏｒ ｓ ｉ ｅ ｅｒｏｕｓ Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｎｔｏｄｕｃｅｓ ｉ ｒ ａｎ ｆｅｃｔ ｍ ｅ ｈ ｅ ｆ ｉ ｖｅ ｔ ｏｄ － Ｓｐｒ ｅａｄ ｐｅｃ ｒ ｓ ｔ ｕｍ ｃｌ ｋｉ ｔ ｏｃ ｎｇ ｅｃｈ ｑｕｅ ｗｈｉ ｈ ｃ ｎｉ ｃ Ｉ ａｎ ｏ ｖｅｒ ｃｏｍ ｅ ｔ ａ ａｔ ｓｔ ｂａｎｃ ｐｒ ｈｅ ｒ ｄｉ ｅｄ ｄｉ ｕｒ ｅ ｏｄｕｃ ｅｄ ｒ ｍ ｈ ｃｌ ｆ ｏ ｔ ｅ ｏｃｋ ｎｇ ｃ ｒ ｔ ｉ ｉｃｕｉ
什么是电磁干扰如何在电子电路中抵御干扰
什么是电磁干扰如何在电子电路中抵御干扰在现代科技快速发展的时代，电子设备在我们的日常生活中变得越来越重要。
然而，随着电子设备的增多和电磁波的频繁使用，电磁干扰成为了一个普遍存在的问题。
电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）指的是来自外部电磁场的干扰信号，它们可能导致电子设备的不正常工作甚至损坏。
因此，在电子电路中抵御电磁干扰是至关重要的。
一、电磁干扰的类型1. 外部电磁干扰：来自于电力线、电信线路、雷达、无线电发射塔等电磁场的干扰信号。
这些信号可以通过电感耦合、电容耦合等方式进入电子电路，对电子设备造成干扰。
2. 内部电磁干扰：电子设备内部各个部件之间的相互作用产生的电磁干扰。
比如，高速时钟信号导致的时钟辐射、信号线和电源线之间的互相干扰等。
二、电磁干扰的影响电磁干扰对电子电路的影响是多方面的。
首先，它会导致电子设备的性能下降，可能使得设备无法正常工作。
其次，电磁干扰对电子设备的信号传输造成干扰，导致数据传输错误或丢失。
此外，电磁干扰还会加速电子设备的老化和损坏，缩短设备的使用寿命。
三、电磁干扰抵御的方法为了抵御电磁干扰，我们可以采取一系列的措施来保护电子电路的正常运行。
1. 屏蔽设计：通过在电子设备的外壳和电路板上增加屏蔽层，来阻挡外部电磁场的干扰。
屏蔽材料通常采用导电性能较好的金属，如铜或铝。
在设计电子设备时，要合理设计和布置屏蔽结构，以最大限度地屏蔽外部干扰。
2. 地线设计：合理的地线设计可以提供电子电路的电源和信号的共同接地，减小干扰电流的传输路径，达到减少电磁干扰的效果。
3. 滤波器设计：在电子电路的电源输入端和信号输入输出端添加滤波器，能够滤除大部分的高频噪声和电磁干扰信号。
常用的滤波器有电源线滤波器和信号线滤波器。
4. 独立供电设计：为敏感电子设备提供独立的供电系统，避免与其他电源设备共用电源，减少共享电源所带来的电磁干扰。
5. 合理布线：在电路板的布线过程中，要避免信号线和电源线的交叉和平行布线，以减少互相之间的干扰。
PCB板时钟电路的电磁兼容设计
ＥＭＣ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｌｏｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｎ ＰＣＢ
ＸＩＥ Ｒｕ－ｙｕａｎ，ＳＨＩ Ｊｉａ－ｌｉｎ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＣＢ；ｃｌｏｃｋ ｓｉｇｎａｌ；ＥＭＣ ｄｅｓｉｇｎ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ
０ 引 言
众所周知，电磁兼 容 的 ３ 要 素 是 电 磁 干 扰 源、被 干 扰对象和传播电磁 干 扰 的 途 径。ＰＣＢ 板 上 安 装 的 时 钟 信号是一种引起 ＰＣＢ 板电磁兼容问题的常见而又非常 重 要 的 辐 射 源 。 尽 管 时 钟 信 号 与 其 他 数 据 信 号 、控 制 信 号 的 逻 辑 电 平 一 般 都 是 一 样 的 ，翻 转 速 率 一 般 也 没 有 太 大 的 差 别 （大 多 数 总 线 数 据 率 与 时 钟 信 号 翻 转 速 率 之 比 是１∶１或者１∶２），但 由 于 时 钟 信 号 之 所 以 更 容 易 接 近 或 者 超 过 辐 射 发 射 的 限 值 ，主 要 原 因 是 时 钟 信 号 是 比 较 严 格 的 周 期 信 号 ，其 在 频 域 的 能 量 主 要 集 中 在 某 些 频 点上，而数据信号是非 周 期 信 号，在 频 域 上 的 能 量 也 是 比较分散的。因此，良 好 的 时 钟 电 路 设 计 是 ＰＣＢ 板 的 电磁兼容设计的关键。
如 果 布 线 从 晶 振 下 面 穿 过 ，特 别 是 传 输 到 连 接 器 的 布线，不仅破坏局部地 平 面 的 作 用，而 且 还 会 将 晶 振 产 生的噪声通过容性耦合的方式耦合到穿过它下面的信 号线，使这些信号线带 有 共 模 电 压 噪 声，如 果 这 些 信 号 线通过连接 器 又 延 伸 出 ＰＣＢ，就 会 将 噪 声 带 出。 这 是 一 种 典 型 的 共 模 辐 射 问 题 ，原 理 如 图 ５ 所 示 。
sd卡时钟高速信号线电磁干扰的整改
SD卡时钟高速信号线电磁干扰的整改引言随着科技的快速发展，S D卡在各个领域中得到广泛应用，然而在实际应用过程中，我们也经常面临SD卡时钟高速信号线电磁干扰的问题。
这种干扰会导致数据传输中断、数据丢失等严重后果。
为了解决这一问题，需要进行相应的整改措施，以确保SD卡正常运行。
本文将介绍S D卡时钟高速信号线电磁干扰的原因和解决方法。
原因分析S D卡时钟高速信号线电磁干扰的原因主要包括以下几个方面：1.电源线干扰电源线上的电流变化会引起电磁场的变化，从而对SD卡的时钟高速信号线产生干扰。
电源线的干扰主要来自于电源电压的波动，以及其他电器设备对电源线的干扰。
2.地线干扰地线上的电流变化同样会引起电磁场的变化，从而对S D卡的时钟高速信号线产生干扰。
地线的干扰包括地线共享、地线干扰等情况。
3.信号线长度信号线长度会影响信号的传输速度和质量，过长的信号线容易受到电磁干扰。
特别是在高速传输时，信号线长度的不合理设置会对S D卡的时钟高速信号线产生严重影响。
解决方法针对SD卡时钟高速信号线电磁干扰问题，我们可以采取以下措施进行整改：1.电源线隔离通过使用低噪声电源模块和隔离设备，将S D卡的电源线与其他电器设备隔离，以减少电源线干扰对时钟高速信号线的影响。
2.地线分离合理设计和规划地线，避免不同设备的地线共享，减少地线干扰对时钟高速信号线的影响。
同时，使用低电阻的地线和良好的接地措施，以提高地线的质量。
3.信号线长度优化合理设计和布局S D卡的信号线，尽量缩短信号线的长度，以减少电磁干扰的影响。
可以采取线路优化、增加信号线屏蔽等措施，提高数据传输的稳定性和可靠性。
4.滤波措施在S D卡的电路中添加滤波电容等器件，以滤除高频噪声，降低电磁干扰。
选择合适的滤波器件和参数，确保滤波效果的同时，不影响正常信号的传输。
5.电磁屏蔽通过增加金属屏蔽罩、使用金属屏蔽材料等方法，对S D卡的时钟高速信号线进行电磁屏蔽，以降低外界电磁干扰的影响。
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时钟电路的电磁波干扰作者Cypress台湾区应用工程经理 Michael Hsieh所有会产生电压频率信号的电子组件都是潜在的电磁波干扰-Electro-Magnetic Interference, EMI-的来源这些电磁波信号将会影响如收音机电视或行动电话等电子产品的正常运作大多数系统中产生电磁波噪声的主要来源是系统时钟的产生与分配电路本文将探讨电磁波干扰产生的原因怎么测量电磁波干扰与如何降低电磁波干扰带来的影响电磁波发生的原理以物理学来说明当带负电荷的电子在电场中移动时会产生电磁场因此只要有电路中有电流信号存在就会形成电磁波不过电磁波为什么会影响电子设备呢为什么计算机的CPU运作频率会干扰收音机或无线电话呢以收音机为例通常无线电台的运作频率在88Mhz ~ 108Mhz波段与波段之间必须200KHz的空隔以避免相互干扰收音机本身为了要清晰的接收远方电台的信号而装置了高增益的接收放大电路以拾取微弱的电波信号个人计算机中的PCI总线与芯片组之间通常使用33.3MHz的频率来做为同步时钟跟随着33.3MHz 的基础频率同时也会发生一系列的谐波频率﹝谐波的频率是以基础频率为倍数而发生﹞例如第三次谐波的频率为99.9MHz恰巧落在收音机的工作频段内若是个人计算机附近正好有收音机频率调谐到99.9MHz就会受到个人计算机EMI的干扰而产生噪声世界各国为了防止此类电子产品散发出来的电磁波干扰纷纷设立专责机构与制定条文来做为产品制造的规范像是美国的联邦通讯委员会﹝Federal Communication Commission, FCC﹞等目的都在限制电子产品的电磁波在特定距离所量测特定波段中的强度能保持在规定的信号强度标准以下电磁波的形成在高速的数字电子产品中时钟产生器因长时间运作在固定的频率上使电磁波能量不断累积到极高的水平其余变动的异步的信号则不会造成如同时钟电路这么高的电磁波干扰因此时钟信号成为主要造成电磁波干扰的来源时钟会因其本身信号稳定震荡的特性或是信号终结不够妥善而会产生大量的EMI这些电磁波能量将透过类似天线的结构对外散发出去天线会以各种不同形式存在譬如印刷电路板上的线路跳线没有适当屏蔽的组件连接器缆线或是没有妥善接地的装置为了获得更快速的运算效能电子产品不断提高系统工作的时钟频率信号的变换速度也就随之提高但信号波形的上升与下降速度加快将使电磁波辐射的能量大幅增加图1显示两个具有相同频率振幅相位与工作周期的信号两者唯一的差别只在信号的转换率具有较快波形上升与下降速度的信号量测出来的电磁辐射能量将高于波形转换速度较慢者图1. 不同信号转换率对信号波形的影响第二个会造成电磁波的因素为电路中信号路径不正确的终结若是终端的阻抗不匹配时波形就会形成上缘凸起(Over-Shoot)或下缘陷落(Under-Shoot)的状况使电磁波辐射的能量增强视信号波形凸起或陷落程度的多寡每个信号或节点可比正常的情况增加约3 ~ 4 dB的电磁波辐射若同时有数十个信号或节点发生信号凸起的情形想要通过FCC的测试根本是不可能的事情图2-(a)显示不正确的信号终结所造成的凸起与陷落图2-(b)右为正确的信号终结状态有着较左图为低的EMI图2. 信号终结状态示意(a) 不正确的视讯终结(b) 正确的视讯终结如何量测电磁波通常要测量EMI的方式是将受测的产品放置在一个受控制的环境之中例如无电磁波回声室或开放空间测试场所﹝Open Area Test Site, OATS﹞测量由产品中辐射出来的电磁波强度与FCC等单位所规定的限制值相比较在1975年时FCC规定所有在产品功能上并非有意发出电磁波的设备所辐射的电磁波强度在特定的距离与频率测量时不得超过FCC所规定的最大能量FCC主要对辐射强度分成两大种类的标准Class A与Class B Class A标准适用的产品类型为数字设备标示为商业工业或办公场合用途并不得在公众场所与家庭内所使用Class B标准的适用产品则为数字产品标示为家庭使用但也可以适用于其它场合Class B标准较Class A严格许多表1显示FCC Class A与Class B的规格标准表1. FCC的Class ”A”与Class “B”规格当测试实验室完成受测产品的测量后报告中的图表可显示出频率范围由30MHz到1000MHz 的辐射能量强度若是辐射能量强度的极大值低于上表中FCC对每个频段辐射强度的规范则此产频就符合FCC的标准但若是某个频率中的极大值超过FCC的标准产品就必须进行修改或重新设计以降低电磁波辐射的强度减少电磁波辐射有几种方法可以降低数字产品电磁波辐射的问题工程师可以选择为产品加上屏蔽的处理对信号加上滤波器或是减低散发电磁波组件的功率第一种加上屏蔽的方式并非对电路上而是一种在机械结构上的解决方案利用金属材质的封装将EMI封闭在产品内部不致泄漏出来这种手法在过去经常被采用来对抗EMI但通常会大幅增加产品制造成本并且若是问题发生在产品即将上市的时期也将无法及时修改机壳的设计以符合EMI测试标准其它如滤波器与降低组件功率的手段则是试图找出散发电磁波的源头将其隔离出来利用无电磁波回声室之类的测试场所测量出超过辐射强度规定的特定电波频率锁定这个频率或其谐波频率即可判别出是那一条时钟电路造成的电磁波辐射在罪魁祸首确定之后首先必须确保所有的信号线都有妥善的终结其次分析该条时钟信号是否有波形凸起或陷落的现象并适当的调整终端电阻的阻抗使波形尽量保持平缓若仍旧无法降低EMI水平则再检查该时钟信号的波形转换速度尽量选用较低转换速度的组件许多时钟缓冲器同时具备了高低两种转换速度的型号可供选择这两种形式缓冲器的脚位大多相同可以轻易的互换或是具备可程序化的波形变化斜率使工程师可依系统需求自行设定波形转换速度在系统可以接受的状态下采用较低的转换速度将可减少电磁波的辐射此法也不会对产品的生产成本造成太大的影响若无法以低转换速度组件替换时滤波是最常用来降低信号波形的边缘速度的方法也就是在信号路径中加上5到15pF 的电容器用以平缓信号的边缘速度通常工程师会在电路的设计中靠近信号源头的位置预留这些电容器的装设位置直到发生EMI 问题时再将电容器装置上去若时钟电路采用串接式的终端电阻滤波电容器装置在电阻的两侧皆可但为了获得最佳的信号终结与保持信号的完整性则滤波电容建议装置在终端电阻之后靠信号来源的这一侧如图4所示图4. 滤波电容器的安装示意虽然加上滤波电容可以有效的降低EMI但这方法也有其缺点存在它降低了信号的完整性将原本轮廓鲜明波缘转折明确的高速时钟信号转变为波缘平滑的信号使组件不易准确的锁定信号时序并且在每个时钟信号的分布都需加上滤波电容器也会提高产品制造成本时钟频率展频另一种降低电磁波辐射的方法为时钟调变时钟调变又称做展频(Spread Spectrum)最早于1995年时开始使用于计算机系统中而现在几乎所有的个人计算机都设计有时钟展频的功能用以降低EMI的发生时钟展频可称的上是目前最能经济有效降低EMI的解决方案展频的工作原理是将原本固定不变的时钟频率以一定的周期规律且小幅度的调变时钟频率使系统产生的电磁波辐射能量平均散布于一段频率范围内不至于将能量集中在原始的时钟频率中而超过了法规的标准而且以原始时钟频率百分之零点五到百分之五的范围内小幅调整运作频率对于使用者而言几乎无法察觉出展频前后有什么不同之处若以原始时钟频率为中心进行展频系统平均的运作效能完全不会受到展频的影响时钟展频降低EMI的程度受到调变方式频率变动比率与调变速率这三个参数所影响展频的调变方式可以有许多种选择像是线性调变正弦波调变与Lexmark TM曲线调变等目前证实最能有效降低EMI的调变方式就属Lexmark TM曲线调变了如下图5所示图5. Lexmark TM曲线调变之波形由图5的范例所示原始频率为65MHz展频调变后输出频率分布范围从最低的63.797MHz 到最高的66.311MHz这个例子因基础频率上下展频的比例相等又称做中央展频请注意Lexmark TM展频方式在基础频率附近时频率的变动较缓和而在接近最高与最低频率时频率的变动较剧烈展频的频宽可用时钟的最高频率减去最低频率而得BW = F MAX – F MIN而一般会以展频频宽除以原始频率来表示时钟展频的程度BW% = ( BW / F REF ) * 100%以前例而言BW = 66.311MHz – 63.797MHz = 2.541MHzBW% = ( 2.541MHz / 65MHz ) * 100% = 3.87%这个65MHz的时钟在展频前后EMI的变化可以使用频谱显示器观察出来图6中未经展频的时钟在65MHz的附近展现出极窄的频率范围也较邻近频率带有极高的能量峰值相较之下经过展频后的时钟虽然中央频率仍旧是65MHz但频率范围较宽连带使能量平均分布在整个展频频宽当中使电磁波辐射的强度在65MHz峰值处降低了6.48dB图6. 原始频率为65 MHz之下展频前后的EMI变化最后一个影响EMI降低值为展频的调变速率这个速率是指展频方式重复的频率速度在图5的Lexmark TM曲线范例中调变速率为27.86KHz一般调变的速度介于20KHz到200KHz之间若是调变速度低于20KHz有可能在系统中产生人耳可以听到的脉冲杂音若调变速度高于200KHz时钟下游串接的PLL回路即可能因为组件频宽不足无法锁定时钟频率而使系统失效展频系统中其余组件的时钟跟随时钟展频能够很容易的整合至系统的时钟电路设计中并有效降低系统电磁波峰值的产生但在另一方面若电路中的展频时钟电路之后设计了其它的锁相回路并利用展频的时钟来做为这些锁相回路的信号来源在设计上就必须特别注意了因为展频对系统的时钟进行不断的调变下游的锁相回路组件必须能够快速的反应追随这些频率变动此时若是锁相回路的频宽不足就容易产生时钟追踪的歪斜Skew造成系统时钟抖动的增加工程师们必须确定电路中所有的锁相回路组件都能够正确的追踪展频时钟频率的变动若这些串接的锁相回路做为时钟电路缓冲器clock buffer中的组成部分可以采用像是Spread Aware™这一类专为展频电路所设计并测试合格的时钟组件结语目前的时钟电路运作频率极高容易产生我们所不欲见的电磁波噪声当电磁波的强度超过一定的程度时这些恼人的电磁波将产生不可预期的影响因此不可不注意预防市面上已有许多以机械结构或是改变电路布局方式的电磁波干扰防治解决方案但是这些解决方案都耗时费事并且所费不赀若能在电路设计上的小细节多加留意就可以有效的预防电磁波噪声的产生时钟信号若是没有妥善的被终结或是时钟组件具有快速的瞬时特性都会产生大量的电磁波噪声若要控制电磁波噪声的产生必须考虑下列几项原则妥善的终结所有的时钟信号尽量采用波缘上升速度较低的时钟缓冲组件在信号线路中采用滤波电容器在高速的电路中采用展频时钟组件只要在电路设计上遵守这些简单的规则就可以以最低的成本有效的控制电磁波噪声的产生提高产品的竞争力。