汽車電子系統(tǒng)和工業(yè)系統(tǒng)中該如何降低電磁干擾的影響

用時鐘展頻技術(shù)降低EMI技術(shù)探索用時鐘展頻技術(shù)降低EMI技術(shù)探索

汽車電子系統(tǒng)和工業(yè)系統(tǒng)變復雜且密集，因此如何降低電磁干擾（EMI）的影響成為了工程師在設(shè)計之初，就必須要考慮的因素。干擾源通過一定的傳導途徑影響了敏感設(shè)備，就是電磁干擾。

隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字信號的時鐘頻率越來越高，電路系統(tǒng)對于信號的建立、保持時間、時鐘抖動等要素提出越來越高的要求。EMI，即電磁干擾，是指電路系統(tǒng)通過傳導或者輻射的方式，對于周邊電路系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。EMI會引起電路性能的降低，嚴重的話，可能導致整個系統(tǒng)失效。在實際操作中，相關(guān)機構(gòu)頒布電磁兼容的規(guī)范，確保上市的電子產(chǎn)品滿足規(guī)范要求。EMI過不了，掉發(fā)禿頭抓狂三步走！如何解決EMI問題，要從源頭來看。

從EMI的傳遞路徑來看，如圖2 所示，總結(jié)起來有四種：感性耦合、容性耦合、輻射耦合，以及明晃晃的傳導耦合。感性耦合涉及電路中的感性元件包括電感和變壓器器件；容性耦合則非常常見，電路中任意相近的兩根電流導線都會存在分布電容耦合；傳導和輻射耦合就更直觀了，包括空間耦合、多余的形成等效天線模型的電路走線。只要輻射源不流過等效天線模型，則不產(chǎn)生輻射，所以歸根結(jié)底也許可以說——電流導致了輻射。

這四種耦合方式在電子系統(tǒng)中至少有一樣，所以，輻射超標問題在大部分電子產(chǎn)品中都是亟需解決的問題。而且，隨著電子系統(tǒng)設(shè)計的逐漸精密和緊密，在EMI方面就更需要謹慎。

如今的EV、HEV、及燃油車，車身娛樂系統(tǒng)和電子輔助系統(tǒng)的功能越來越多且已經(jīng)在成為主流和標配的路上，這意味著它包含了更多的電子元器件或電路在里面，需要工程師去設(shè)計更為緊湊的方案以得到多樣化的功能，同時高靈敏度決定了高速信號的應(yīng)用之廣。因此需要在設(shè)計時減少相關(guān)電路尺寸和大小，其中包括電源，而符合產(chǎn)品要求的電源可能擁有更高的開關(guān)頻率，因此帶來了更多EMI問題。

除了電源，與EMI電磁干擾密切相關(guān)的幾點就是時鐘，布線，屏 蔽，這些都可能導致EMI指標的超標，在實際操作中，相關(guān)機構(gòu)頒布電磁兼容性EMC的規(guī)范，EMC包括兩個方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運行過程中對所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過一定的限值；另一方面是指器具對所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。EMI整個規(guī)格是非常寬的頻率范圍，通常是150KHz，到工業(yè)應(yīng)用上是到30MHz，汽車應(yīng)用上會到108MHz。

降低EMI的方法有許多種，包括屏蔽、濾波、隔離、鐵氧體磁環(huán)、信號邊沿控制以及在PCB中增加電源和GND層等等。在應(yīng)用中可以靈活使用以上方法，其中屏蔽是相對簡單的機械學方法，成本較高，不適用于手持和便攜式設(shè)備；濾波和信號邊沿控制對于低頻信號有效，不適合當前廣泛應(yīng)用的高速信號。另外，使用EMI/RFI濾波器這些被動元器件，會增加成本；通過LAYOUT技巧降低EMI顯然比較費時且改善有限。

因為時鐘信號常常是電路系統(tǒng)中頻率最高和邊沿最陡的信號，多數(shù)EMI問題的產(chǎn)生和時鐘信號有關(guān)。所以很多時候在板子已經(jīng)成型的情況下，展頻時鐘（Spread Spectrum Clocking）SSC是有效降低EMI的方法。

一般數(shù)字時鐘有很高的Q值，即所有能量都集中在很窄的頻率范圍內(nèi)，表現(xiàn)為相對較高的能量峰值。在頻譜圖上容易看到在中間頻率上有很高的峰值，在奇次諧波位置有較低的峰值。而時鐘展頻通過頻率調(diào)制的手段將集中在窄頻帶范圍內(nèi)的能量分散到設(shè)定的寬頻帶范圍，通過降低時鐘在基頻和奇次諧波頻率的幅度（能量），達到降低系統(tǒng)電磁輻射峰值的目的。如圖3-a的能力分布，展頻整改后就變成了圖3-b所示，就像調(diào)節(jié)花灑旋鈕，使水壓分散開來以達到較好的使用感。

時鐘展頻有三個主要的控制參數(shù)：調(diào)制速度（Modulation Rate）、調(diào)制深度（Modulation Depth）和調(diào)制方式（Modulation Profile）。

1. 調(diào)制速度

調(diào)制速度（MR）是指輸出時鐘頻率 fo 在設(shè)定的調(diào)制頻率范圍內(nèi)的變化速度。調(diào)制速度應(yīng)遠小于源時鐘的頻率 fc 以免引起時序問題（建立/保持時間等），同時應(yīng)當高于人耳可識別的聲音的頻率范圍（20Hz~20KHz）以免產(chǎn)生噪音。在實際應(yīng)用中，調(diào)制速度一般選擇30KHz~120KHz。

2. 調(diào)制深度

調(diào)制深度是指展頻后輸出時鐘頻率 fo 以調(diào)制速度MR偏移源時鐘頻率 fc 的大小。調(diào)制深度以偏移（Δf）源時鐘頻率的百分比（%）來表示。調(diào)制深度決定降低EMI峰值的大小。通常調(diào)制深度越大，EMI峰值越低。在應(yīng)用時，需要合理預(yù)計系統(tǒng)可接受的頻率調(diào)制范圍。在許多系統(tǒng)中，基頻的奇次諧波才是產(chǎn)生EMI問題的根源，因此不僅需要衰減基頻的EMI輻射，同時也抑制奇次諧波上的能量輻射。

3. 調(diào)制方式

調(diào)制方式（Modulation Profile）決定EMI峰值的表現(xiàn)形式。如圖4和圖5所示，Linear和Hershey Kiss是SSCG（展頻時鐘發(fā)生器）常用的兩種調(diào)制方式。Linear線性調(diào)制相對簡單，顧名思義，線性調(diào)制后輸出的時鐘頻率是線性變化的。這種調(diào)制方法的缺點是輸出頻譜旁瓣比中間頻率幅度高1-2dB，因為在任何頻率EMI的失效也就意味著整個EMI測試的失敗，因此這一點也需要重視。

而 Hershey Kiss調(diào)制可以得到接近平整的頻譜圖，如圖5所示，Hershey Kiss調(diào)制的特點是在調(diào)制范圍的兩端，頻率變化速度更快，在調(diào)制范圍的中間值，頻率變化較慢。頻率在兩端變化的速度快，這樣信號在頻率兩端的能量得到更大的衰減，分散到中間位置。整體的表現(xiàn)就是整個頻譜的能量近似平坦。除了看調(diào)制方式，還要根據(jù)源時鐘頻率和目標整改方向，適當?shù)剡x擇展頻方式。

從本質(zhì)上說，擴展頻譜是一種以調(diào)制百分比來衡量的調(diào)制方法。展頻晶振通過動態(tài)改變時鐘頻率，有效降低電磁輻射功率，減少EMI電磁干擾的影響。相對于其他的EMI抑制技術(shù)而言，展頻晶振的系統(tǒng)化特點是其主要的優(yōu)點，由展頻晶振產(chǎn)生的所有時鐘和定時信號也被以同樣的比率加以調(diào)制。這給整個系統(tǒng)都帶來顯著的EMI改善效果。在EMC測試中，只改變一個電容或可編程的數(shù)字輸入就能夠調(diào)節(jié)頻率調(diào)制度。展頻晶振的這種可編程特性簡化了該技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計和EMC測試中的使用，還可以減少用于EMI抑制的印刷電路板面積，節(jié)省產(chǎn)品成本和面市時間。使用展頻晶振的另一個好處是可以在同一產(chǎn)品中進一步集成可編程的EMI抑制和定時功能，使產(chǎn)品的性能更高，成本更低。同時，在產(chǎn)品的受控整改中節(jié)約時間，牢牢抓住市場機會。

以上就是使用展頻晶振進行部分電磁整改，使之的電磁干擾降低到既定值以下的一些基礎(chǔ)性的介紹。

相對于普通晶振來說，展頻晶振市場較少。而我們使用的電子產(chǎn)品，目之所及必定有晶振的影子。畢竟，最簡單的單片機最小系統(tǒng)就包括單片機、晶振電路、復位電路。，更遑論如今愈加復雜和精密的電路系統(tǒng)了。

在不同的系統(tǒng)中，對于晶振的選型也有要求，對于車載娛樂系統(tǒng)而言，比較重視振蕩器線路的負阻抗值、負載電容激勵功率；對于UPS（不間斷電源）而言，比較重視晶振的高溫頻率穩(wěn)定性（頻偏）、老化問題。就像生物鐘對于人的重要性，選擇好晶體是造就好系統(tǒng)的第一步。香港晶體（HKC）歷經(jīng)26年專注于石英晶振、晶體振蕩器、陶瓷振蕩器的生產(chǎn)、研發(fā)與服務(wù)，其產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、汽車電子、通訊設(shè)備、電力儀表、醫(yī)療器械、安防監(jiān)控、計算機、消費電子家用電器等領(lǐng)域，是各個領(lǐng)域工程師的優(yōu)選。

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