【導(dǎo)讀】一直以來，電磁屏蔽是降低EMI最普遍的方法，但是在某些情況下該方案并不可行，這促使設(shè)計工程師去探索更可行也更有效的方法來減少輻射，擴展頻譜的方法就是其中一種很有效的方法。
隨著PC和工作站時鐘速度的進一步提高，電磁輻射干擾也在增強。輻射干擾主要由基頻和低階諧波產(chǎn)生，而這些頻率為主要的無線電FM波段所覆蓋，所以會產(chǎn)生信號干擾。為了規(guī)范無線通信，相關(guān)管理機構(gòu)嚴格限制PC以及任何可能使用時鐘，并導(dǎo)致發(fā)射的電子設(shè)備所產(chǎn)生的電磁輻射。
諸如時鐘、數(shù)據(jù)、地址和控制信號等，幾乎任何電信號的快速信號沿變化都會產(chǎn)生電磁輻射。隨著人們對電子設(shè)備的性能需求越來越高，時鐘速度也在不斷提高。為了滿足越來越嚴格的建立時間和保持時間需求，信號的跳變沿變得越來越快。(建立時間是指時鐘信號上升沿之前，數(shù)據(jù)脈沖必須穩(wěn)定建立的時間，而保持時間是指時鐘沿之后數(shù)據(jù)脈沖必須維持穩(wěn)定的時間。)
時鐘信號通常不僅僅只連接到一個或者兩個器件上，而是分布在整個印刷電路板上。時鐘線上的存儲器和其它負載的增加都會導(dǎo)致電磁輻射急劇增強。EMI線性正比于電流、電流環(huán)路的面積以及頻率的平方，即EMI＝kIAf2，其中I是電流，A是環(huán)路面積，f是頻率，k是與電路板材料和其它因素有關(guān)的一個常數(shù)。
EMI輻射分兩種類型：差模輻射和共模輻射。差模輻射是由PC插卡和主板上信號線與地之間形成的電流環(huán)路而產(chǎn)生的，該環(huán)路實際上就是一個天線，對外可能產(chǎn)生超出FCC限制的EMI；共模輻射則是由局部地噪聲注入到PC的I/O線或者電纜上而產(chǎn)生的。這些電纜和PCB線通常都很長，因而也構(gòu)成了可以產(chǎn)生輻射的天線。
一直以來，電磁屏蔽是降低EMI最普遍的方法，但是在某些情況下該方案并不可行，這促使設(shè)計工程師去探索更可行也更有效的方法來減少輻射，擴展頻譜的方法就是其中一種很有效的方法。
擴展頻譜方法對信號進行調(diào)制，將信號能量擴展到一個比較寬的頻率范圍上。實際上，該方法是對信號的一種受控的調(diào)制，這種方法不會明顯增加時鐘信號的抖動。實際中的應(yīng)用證明擴展頻譜技術(shù)是有效的，不同的調(diào)制度可以將輻射降低7到20dB。
圖題：單周期、周期間、長時間抖動
擴展頻譜的方法主要用于方波信號。方波信號包含基頻分量和基頻信號的奇次諧波分量，能量也分布在基頻信號和諧波分量中。由于頻譜密度以同頻率成反比的方式滾降，因此諧波能量隨頻率的增加呈級數(shù)降低。
由于大多數(shù)時鐘信號的占空比不是50%，因此具有更大的諧波分量。另外，頻譜同信號的傅立葉變換有關(guān)，傅立葉變換顯示出信號在頻域的頻率成分。例如，單一頻率的正弦信號在頻域中表現(xiàn)為在該頻率上的一個垂直尖峰。
最嚴重的輻射通常包含在時鐘頻率基頻到三次或者五次諧波之中。將基頻能量分布在一個擴展的頻譜上，同樣也將諧波能量分布在一個更寬的頻率范圍上，這是由于n次諧波的帶寬是基頻帶寬的n倍。擴展頻譜方法必須受到控制，使之相對于時鐘頻率更慢，確保時鐘頻率的改變對系統(tǒng)來說是透明的。時鐘周期之間以及峰值之間的抖動都必須滿足系統(tǒng)規(guī)范要求。
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。例如，0.5%的調(diào)制就表示一個100MHz的時鐘信號在99.5MHz到100.5MHz之間進行調(diào)制。由于100MHz的基頻保持在中心頻率上，因此稱為中心0.5%(б)調(diào)制。
擴展頻譜方法還必須保證最小時鐘周期不會出現(xiàn)沖突。為避免超出系統(tǒng)的最高頻率，時鐘信號通常在99.5MHz和100MHz范圍之間掃描變化，該方法稱為向下擴展頻譜。在這種情況下，時鐘頻率的偏離用負的百分比來衡量，此處為－0.5%(б)擴展。
擴展頻譜主要用于系統(tǒng)時鐘。對于當(dāng)前400MHz的PC，由于高頻時鐘需要采用特定的電磁輻射消減措施。在Pericom公司的產(chǎn)品中，時鐘電路具有擴展頻譜的能力，例如臺式電腦應(yīng)用中的PI6C104，以及便攜式應(yīng)用中的PI6C103和102，可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)中EMI發(fā)射兼容的更高容限。所有Pericom臺式機和便攜式PC的時鐘都具有擴展頻譜降低EMI的性能。PI6C104的擴展頻譜能力僅提供CPU和PCI的時鐘調(diào)制，固定時鐘，如REF以及其它時鐘(24MHz和48MHz)都不進行調(diào)制。
由于使用了I2C的控制方式，Pericom的PC時鐘提供幾種類型的調(diào)制方式。例如PI6C104可以實現(xiàn)б值為0.5%、0.9%、1%、-1%、-0.5%和0.25%的調(diào)制，以及不采用調(diào)制(關(guān)閉擴展頻譜)，調(diào)制頻率設(shè)置為60 kHz。在調(diào)制頻率為30kHz和60kHz時，擴展頻譜調(diào)制引入的時鐘信號抖動很小。
為了解決EMI問題，設(shè)計工程師還必須遵循一系列的設(shè)計規(guī)則和方法：
1. 在實際設(shè)計中建議使用實體地和電源層，避免電源和地被分割，這種分割可能導(dǎo)致復(fù)雜的電流環(huán)路。電流環(huán)路越大輻射也越大，所以必須避免任何信號，尤其是時鐘信號在分割地上布線。
2. 將時鐘驅(qū)動器布局在電路板中心位置而不是電路板外圍。將時鐘驅(qū)動器放置在電路板外圍會增加磁偶極矩(magnetic dipole moment)。
3. 為了進一步降低頂層時鐘信號線的EMI，最好是在時鐘線兩側(cè)并行布上地線。當(dāng)然，最好將時鐘信號布在地層與電源層之間的內(nèi)部信號層上。
4. 時鐘信號使用4mil到8mil的布線寬度，由于窄的信號線更容易增加高頻信號衰減，并降低信號線之間的電容性耦合。
5. 由于直角布線會增加布線電容并增加阻抗的不連續(xù)性，從而導(dǎo)致信號劣化，所以應(yīng)該盡量避免直角布線和T型布線。
6. 盡量滿足阻抗匹配。絕大多數(shù)情況下，阻抗不匹配會引起反射，而且信號完整性也主要取決于阻抗匹配。
7. 時鐘信號布線不能并行走得太長，否則會產(chǎn)生串?dāng)_從而導(dǎo)致EMI增大。一個較好的辦法是確保這些線之間的間距不小于線寬。
8. 在設(shè)計圖形存儲器子系統(tǒng)時，必須確保時鐘線遠離任何PC的I/O連接器，距離保持在至少2.5英寸以上。這些連接器包括并行口、串行口、鍵盤連接器和監(jiān)視器連接器等。在I/O連接器周圍設(shè)置地隔離溝的方式可以將共模輻射限制到最小。對于高頻共模輻射的抑制，推薦使用具有合適阻抗特性的鐵氧體器件，由于鐵氧體的阻抗隨頻率而變化，在高頻區(qū)域鐵氧體的特征更接近一個電阻而不是電感，并且鐵氧體的電阻損耗可用于消除輻射。
9. 對外部或內(nèi)部時鐘源使用Vdd去耦電容可以降低EMI，去耦電容的布局對于降低時鐘源器件封裝的發(fā)射來說非常重要，所有電容都應(yīng)該布局在離Vdd管腳20mil的范圍以內(nèi)。去耦電容的值是根據(jù)電容的諧振頻率來定，對于時鐘發(fā)生器較高的頻率而言，100pF左右的電容比較合適。
10. 縮短高頻信號布線長度以及減小電流環(huán)路面積可有效抑制EMI。同時，在時鐘源上設(shè)置RC濾波器來控制上升和下降時間可降低EMI，因為較慢的上升和下降時間產(chǎn)生較低的發(fā)射頻率。
11. 確保時鐘芯片的電源管腳緊鄰地管腳可以使電源環(huán)路最小化。使電源和地管腳引線并行而且互相靠近，這樣可以有效地降低EMI。
12. 當(dāng)信號噪聲源不能消除時，采用濾波器可以有效地實現(xiàn)噪聲抑制。EMI濾波器以及鐵氧體磁珠是最常用的濾波器，鐵氧體磁珠通過增加電感來抑制高頻分量。
采用EMI濾波器消除高頻噪聲
EMI濾波器可以消除電源線上的高頻噪聲，這種濾波器可以在市場買到。EMI濾波器不僅阻止噪聲進入系統(tǒng)，而且也會阻止系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲影響系統(tǒng)中的其它部分，具有雙向效果。EMI濾波器的構(gòu)成可以根據(jù)節(jié)點電阻來確定：高阻抗節(jié)點要求使用電容，而低阻抗節(jié)點要求使用電感。
EMI濾波器的結(jié)構(gòu)還可以是旁路電容、L電路、π型電路和T型電路，采用旁路電容的唯一器件就是電容器，當(dāng)連接到濾波器的阻抗很高時采用旁路電容是一種很好的選擇。
除了時鐘電路以外，高速器件也會產(chǎn)生更多的高頻噪聲，這是因為較短的信號跳變時間會使信號在高頻范圍上有更多的能量。總之，擴展頻譜方法提高了系統(tǒng)EMI性能，可以加速產(chǎn)生信號干擾的產(chǎn)品上市，并且降低封裝和屏蔽方面的成本。與此同時，設(shè)計工程師應(yīng)該使用所有可能的方法和設(shè)計規(guī)則來降低EMI。
