一個(gè)電容搞定高頻時(shí)鐘輻射超標(biāo)問題

一引言

在電磁兼容的輻射發(fā)射測(cè)試中，最常見的就是時(shí)鐘輻射超標(biāo)，隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜性和集成度的大規(guī)模提高，電子系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率越來越高，處理的難度也越來越大。時(shí)鐘輻射的癥結(jié)在于，時(shí)鐘信號(hào)對(duì)應(yīng)的頻域?yàn)檎瓗ьl譜，能量比較集中，在數(shù)據(jù)上體現(xiàn)為離散的有倍頻特性的頻點(diǎn)，而高頻信號(hào)本身就很容易通過各種方式對(duì)外輻射。本文將結(jié)合具體案例分享如何通過一個(gè)電容解決時(shí)鐘輻射超標(biāo)問題，并提出面對(duì)時(shí)鐘超標(biāo)問題時(shí)可行的措施。

二案例背景

客戶的一款掃地機(jī)器人在做輻射測(cè)試時(shí)，出現(xiàn)750MHz頻點(diǎn)數(shù)據(jù)余量不足的情況，希望針對(duì)這個(gè)頻點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化。簡(jiǎn)要的電路架構(gòu)如下：

以下是通過韜略實(shí)驗(yàn)室復(fù)測(cè)后的其中一個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

從數(shù)據(jù)可以看出，750MHz這個(gè)頻點(diǎn)確實(shí)比較高，前后離散分布的其他頻點(diǎn)的頻率差為50MHz，說明產(chǎn)品上存在以50MHz為基頻工作的電路模塊。

三整改過程與對(duì)策

1.查找源頭

利用頻譜儀進(jìn)行排查，通過近場(chǎng)探頭掃描發(fā)現(xiàn)定位到模塊R16到WIFI芯片的時(shí)鐘信號(hào)WL-SDIO-CLK的時(shí)鐘頻率剛好就是50MHz，其他模塊沒有這個(gè)頻點(diǎn)。

2.輻射路徑判斷

除了時(shí)鐘信號(hào)線WL-SDIO-CLK測(cè)得到50MHz的時(shí)鐘倍頻，通過探針探測(cè)，發(fā)現(xiàn)R16到WIFI芯片的數(shù)據(jù)信號(hào)線也能測(cè)到這些時(shí)鐘頻點(diǎn)，初步判斷噪聲源頭為R16到WIFI的時(shí)鐘信號(hào)，并耦合到數(shù)據(jù)通信信號(hào)。

3.整改過程

通過RC對(duì)時(shí)鐘線和信號(hào)線進(jìn)行濾波處理，越靠近R16芯片端越好，實(shí)際由于PCB布板空間問題，所以一開始只對(duì)時(shí)鐘線做濾波處理，電容用100pF，主要考慮該電容的諧振頻率點(diǎn)在1GHz左右，對(duì)750MHz頻段可以起到較好的效果。

效果如下：

頻率向更高的800MHz移動(dòng)，考慮到拆裝機(jī)的影響，說明只對(duì)時(shí)鐘信號(hào)處理并沒有起到很好的效果。后嘗試對(duì)信號(hào)線加56pF電容濾波，數(shù)據(jù)如下：

可以看到，對(duì)800MHz及之前的頻點(diǎn)有效果，但對(duì)850MHz這個(gè)頻點(diǎn)并沒有很好的改善效果。受空間限值，如果要針對(duì)時(shí)鐘信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)走線做優(yōu)化走線和濾波處理，需要配合改板，將濾波電容位置靠近R16芯片端，預(yù)留位置做RC濾波。

4.嘗試查找是否存在其他輻射路徑

利用近場(chǎng)探頭再仔細(xì)探查，主要針對(duì)排線和PCB板之間的信號(hào)連線，因?yàn)檫@些都是比較常見的輻射路徑。通過排查，發(fā)現(xiàn)如圖所示信號(hào)線有50MHz的倍頻點(diǎn)：

通過頻譜探針進(jìn)一步確定，信號(hào)引腳UART2_RX作為R16芯片與雷達(dá)模塊的信號(hào)通信接口，耦合到了高頻時(shí)鐘噪聲，成為了輻射天線之一，通過將該引腳對(duì)地加100pF電容濾波，結(jié)果如下：

從數(shù)據(jù)可以看出，高頻段的噪聲頻點(diǎn)都沒有了。

最終的整改措施只在UART_RX引腳處對(duì)地加100pF電容，整改用到的設(shè)備和器件有：頻譜儀，近場(chǎng)探頭，探針，電容。

四總結(jié)

本次整改只用一個(gè)電容便解決了高頻時(shí)鐘輻射問題，但整改過程卻有很多值得反思總結(jié)的點(diǎn)，通過反思本次整改過程，針對(duì)時(shí)鐘問題可供參考的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)如下：

1.時(shí)鐘問題根源思考

高頻時(shí)鐘及其倍頻容易出現(xiàn)以下幾個(gè)問題：

（1）通過信號(hào)本身PCB走線或信號(hào)環(huán)路形成對(duì)外輻射的天線；

（2）串?dāng)_到靠近時(shí)鐘線的走線；

（3）耦合到排線，排線又是時(shí)鐘輻射的良好天線；

（4）最不好處理的，是在芯片內(nèi)部串?dāng)_可能就已經(jīng)發(fā)生，導(dǎo)致芯片IO口都帶有高頻信號(hào)噪聲。

2.輻射路徑排查思路

（1）通過測(cè)試數(shù)據(jù)，可以大致判斷超標(biāo)頻率的基頻；

（2）如果基頻跟電路已知工作頻率一致，可以快速對(duì)該電路進(jìn)行驗(yàn)證；

（3）可以通過頻譜儀，結(jié)合近場(chǎng)探環(huán)和探針，鎖定時(shí)鐘源頭。

3.處理與驗(yàn)證

通常越靠近源頭處理效果越明顯，措施也會(huì)相對(duì)較少。

（1）直接對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行展頻處理，目前常見的展頻手段有軟件展頻和通過硬件電路展頻，硬件電路展頻可以了解韜略科技的產(chǎn)品：展頻IC和展頻晶振；

（2）在設(shè)計(jì)階段，對(duì)時(shí)鐘走線做包地處理，通過走線屏蔽減少其對(duì)外輻射和串?dāng)_的能力；

（3）整改階段，需要先排查噪聲源頭，同時(shí)也要盡量評(píng)估所有可能成為輻射天線的走線和排線，避免陷入對(duì)某個(gè)問題點(diǎn)反復(fù)驗(yàn)證，卻不盡人意的死循環(huán)之中。

審核編輯：湯梓紅