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时钟电路的电磁波干扰

2010-05-315540


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。这种方法在过去经常用来对抗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,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方法,则是试图找出发射电磁波的源头,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,即可判别出是哪一条时钟电路造成的电磁波辐射。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,尽量选用转换速度较低的组件。许多时钟缓冲器同时具备高、低两种转换速度以供选择,这两种形式缓冲器的脚位大多相同,可以互换;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减少电磁波的辐射,并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设计中,靠近信号源头的位置,预留这些电容器的安装位置,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,滤波电容建议装在终端电阻之后靠信号来源的这一侧,如图3所示。

图3 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,也有其缺点存在: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,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,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,以免超过法规的标准。而且以原始时钟频率0.5%到5%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,系统平均的运行效率完全不会受到展频的影响。

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