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[原创]如何利用展频技术改善电磁干扰

关键词:展频技术 电磁干扰 安森美半导体

时间:2014-06-11 11:28:20      来源:安森美半导体公司

首先,EMI是什么?电磁干扰(EMI)是一个电子设备邻近另一个电子设备所产生的射频(RF)频谱的电磁场工作中时所受到的干扰。

首先,EMI是什么?电磁干扰(EMI)是一个电子设备邻近另一个电子设备所产生的射频(RF)频谱的电磁场工作中时所受到的干扰。大到高压电塔,小到手机、汽车配件这样的小型电子产品中都会存在EMI,针对EMI的解决技术之一就是展频技术,可以降低电子设备EMI的发生。
那么,什么是扩频时钟产生器(SSCG)?随着电子硬件工作速率增高/密度增高,EMI成为一项问题,电子硬件中的时钟产生器输出单个频率,在此频率及高频时电磁辐射增大。而SSCG以轻微调制频率的方式,可抑制峰值振荡频率,从而解决这一问题。

对于电磁波的干扰,主要有两大类的标准,以此来规范EMI的标准,FCC及CISPR A类和B类规范。计算机设备分为如下类型:A类,作为在商业、工业及企业环境使用而营销的计算机设备;B类,作为在住宅环境使用而营销的计算机设备,尽管也可用于商业、工业或企业环境。

FCC即美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission),CISPR即国际无线电干扰特别委员会(Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques)。

FCC及CISPR的A类和B类规范如表1所示。

表1 FCC及CISPR的A类和B类规范




导电EMI和辐射EMI是两种不同类型的电磁干扰,没有物理接触导体引起的是感应辐射EMI。

EMI是不必要的RF能量,干扰着其他系统的正常运行,它是多余的的辐射能量,干扰装置或系统(电磁兼容性的限制范围之外)。
展频时钟的产生是解决这问题的一种方法,它包含在窄频带的时钟源中的能量以受控的方式分布在更宽的频带,从而降低了峰值振幅频谱的主频和从时钟的谐波降低辐射源。

SSCG技术概览
首先了解一下展频调制基础理论,如果一个正弦信号频率fc被另一个正弦信号频率fm(调变偏频)以最大偏频率差Δf(偏差)来进行频率调变,那么被调变信号的频谱就会由载波频率和频带范围内以fm为间隔的边带组成。


使用展频(SS)的信号频谱,通过略微偏离平均时钟频率,以独特的轮廓(profile)来“步进”/调变,就可以减小时钟信号的峰值能量,将其分散在更宽的频带范围内。

安森美半导体时序安全(Timing-Safe)SSCG具有两个特点,第一,Timing-Safe技术能用于时序约束型视频成像及模拟视频应用;第二,Timing-Safe能提供无周期滑移(zero cycle slips)。安森美半导体Timing-Safe实现输出如图1所示。



图1 使用Timing-Safe IC后输出变化


Timing-Safe启用展频与关闭扩频对比图如图2所示。实例中,基础频率为33.6MHz,测量范围为30kHz~1GHz。在5次谐波时,减少幅度为约10dBm。

图2 Timing-Safe启用展频与关闭扩频对比图

HDMI EMI
HDMI:EMI方案P3P8203A的主要特性有P3P8203A在晶体源引入SSCG,将频率的变化率控制在约±0.05%;视频ASIC内部锁相环(PLL)使参考时钟倍频至HDMI像素时钟;内部PLL额定复制HDMI时钟的频率变化,因此降低HDMI电磁干扰(EMI)。

采用P3P8203A作为参考时钟,增加P3P8203A作为EMI方案对时序及信号完整性影响极小,而对共模扼流圈有显著影响。HDMI EMI参数比较表如表2所示。
未采用SSCG时的水平扫描,在HDMI为148.5MHz时,得到1.91dB@743MHz。采用SSCG(P3P8203A)时的水平扫描则有明显的变化,HDMI时钟为148.5MHz时,得到-2.72dB@743MHz,降低了4.63dB。

表2 HDMI EMI参数比较表




不采用SSCG时的垂直扫描,在HDMI时钟为148.5MHz,得到-1.58dB@743MHz,采用SSCG(P3P8203A)时的垂直扫描则也有明显变化,在HDMI时钟为148.5MHz时,得到-5.84dB@743MHz,降低了4.26dB。

手机应用
手机上的应用主要是摄像头的应用,能够让EMI干扰降低,应用框图如图3所示。

图3 安森美半导体P3MS650103H应用框图

从这张图上我们可以看出,EMI滤波器只是降低了从EMI滤波器到基带/MIPI的EMI,而P3MS650103H 降低了MCLK、线缆、线路、MIPI及基带数据的 EMI。
在GSM900射频干扰(RFI)敏感度比较中发现,使用EMI滤波器时,EMI滤波器仍然在数个源自摄像头的通道产生峰值。而使用P3MS650103H时,P3MS650103H则抑制所有峰值,改善RFI敏感度达10dB以上。

在垂直低频扫描(30MHz~200MHz)EMI扫描中,我们发现使用无源EMI滤波器时,EMI滤波器的截止频率接近300MHz,无法降低较低频带的EMI峰值。而使用P3MS650103H时,P3MS650103H能抑制从低频到高频的所有峰值。

平板电脑应用
通过平板电脑中的Timing-Safe应用示例中发现,使用SSCG对任何时序规格都没有影响。数据设置时间及数据维持时间均处于规格范围之内。平板电脑中的Timing-Safe应用框图如图4所示。


图4 平板电脑中的Timing-Safe应用框图

根据频谱分析仪上的LVDS时钟EMI峰值比较,启用展频和无展频有不同的结果,如表3所示。PC网络摄像头

表3 启用扩频(SS)和无扩频时频谱分析仪上的LVDS时钟EMI峰值比较



在PC网络摄像头的应用中,展频技术可以使USB EMI降低,应用框图如图5所示。

图5 PC网络摄像头的应用框图

设置SSCG选用 P3P8203A,偏移为±0.05%,MR=125KHz,以及设置USB2.0兼容,远端。

频谱分析仪上的EMI峰值比较如图6所示。

图6 频谱分析仪上的EMI峰值比较图



我们通过这些应用的实例,不难发现,展频技术是有效应对EMI的方法之一。

问答选编
 
问:测量参数中的“抖动”是么含义?其数值是大一点  好,还是小一点好?
答:抖动是实际时钟边沿短时间内偏移理想边沿的时间或相位。一般应用中,过大的抖动会造成采样的误码。
问: 展频技术主要解决哪些问题?
答:展频技术主要解决板上电磁干扰的问题,采用调制技  术将时钟信号的频谱尖峰降低,从而改善该信号的  EMI问题。
问:请问展频技术主要应用在什么地方?
答:现在主要在消费产品方面有应用,但是,所有的EMI  问题也可以用上展频技术,比如汽车上的GPS。
问:请问如何解决因阻抗不匹配而产生的反射?
答:阻抗不匹配基本上跟原始设计的电路布局走线  (layout)有关,所以,基本上只能从外部的轨迹线  (trace line)加对策去改善这些因为不匹配造成的反射  问题。
问:请问该解决方案最佳运行温度区间是多少?硬件支持  标准有哪些?
答:芯片常温测试温度为25℃。工业级可以支持  -40℃~85℃。芯片标称范围内的温度都可正常运行。
问:除了展频技术外,改变EMI最有效的途径都有那些?
答:可以使用增加屏蔽罩的方法,还有应用更好的器件布  局和走线等方法。
问:请有哪些方法解决因阻抗不匹配的反射问题?
答:可以采用降低上升沿的速率,采用更好的端接方式等。
问:如何提高抗干扰能力?
答:有很多方法,比如好的电路布局,以及对干扰信号进  行抑制。
问:请问A类主要应满足FCC还是CISPR标准?
答:两种标准都有。
问:怎么将干扰降到最低,有没有标准?
答:没有标准,只有在设计上可以找到方案通过EMI的测  试规范。
问:安森美半导体现有展频芯片主要应用在哪些领域?
答:安森美半导体现在的应用中产量最大的是手机、平板  电脑、彩电、汽车应用的GPS和音频,在音频上因为  有RF射频,蓝牙也有这个需求。  问:安森美半导体的方案对系统的时钟有多大影响?
答:可以根据系统对时钟的要求和EMI的要求来定。如果  EMI要求较高,而系统对时钟要求低,则可以增加调  制比。
问:是否在采用安森美半导体方案之前,要测出系统的频  率对EMI的影响?
答:也不一定,如果系统的EMI有预期的话,可以试着先  增加安森美的方案,产品出来后,如果没有EMI问  题,可以不贴芯片,这样可以缩短您的开发周期,不  用反 复设计。
问:方案是否可降低成本?
答:如果需要平价的方案,S650是个不错的选择,包装封  装少,应用在细小的板上非常好。
问:安森美半导体的解决方案中有针对医疗设备的?
答:有的,有医疗用的产品。有客户使用我们的方案  解决面板上面造成的EMI问题。
问:请介绍一下P3MS650103器件的特性?
答:这颗IC的特性有以下这些,只有4PIN,所以基  本上展频的调制已经被设计在IC内部,所以目前的  SS%=+/-0.4%@24MHz input frequency,IC的power supply VDD=1.8~3.3V。
问:安森美半导体对未来展频芯片技术的发展有哪些展望?
答:我们希望可以让目前的展频技术发展在差分讯号上面。
问:产品可以用在车身电子产品上吗?
答:当然可以。
问:安森美的设计方案主要采用什么方案降低EMI?
答:我们的展频IC利用将EMI能量分散的原理来减少峰
值EMI。
问:对于解决因阻抗不匹配的反射问题,设计过程是什么?
答:对于重要的时钟和高速信号线,应该首先保证走线的  阻抗连续。需要注意最少的过孔、严格的阻抗控制和  正确的端接。

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