通过展频降低系统EMI（转载）

水手

通过展频降低系统EMI（转载）
原文链接：https://blog.csdn.net/luohuatingyusheng/article/details/88812806

概述：本文翻译自赛普拉斯以及安森美相关技术文档，只为大家更加了解展频相关的基本原理。    文章后面有参考链接，谢谢。

在过去的几十年里, 越来越多的应用正在数字化。数字系统的实现非常简单, 因为它完全是关于逻辑的；但是, 随着信号速度的增加,复杂性呈指数级增长, 特别是时钟同步、建立和保持时间、抖动等。这些问题不仅影响单个子系统的功能，而且在高频设备接近时会导致电磁干扰 (EMI)。

图1显示了电视接收上的DVD播放机引起的 EMI 的典型示例。

EMI 是一种不受欢迎的系统响应, 因为它要么是本身电磁辐射, 也可以是外部源发出的辐射。这种不良的响应或干扰可能会中断和降低任何电子系统的有效性能, 并可能导致整个系统故障。因此, 控制任何电子系统中的电磁干扰 (EMI) 已成为电子系统设计人员的一个重要设计问题。

设计数字系统时遇到的大多数问题都与系统的时钟直接或间接相关。时钟信号是最高频率信号、高摆率（上升速率很快）和周期性信号 (通常为50% 占空比), 因此成为 EMI 的最大贡献者和主要来源。此外速度要求的提高会产生更高的电磁能量辐射。为了保持对这种辐射的控制, 全球有几个监管机构管理各种 EMI 标准, 以确保任何电子设备不会对其他设备的运行造成问题。这些机构对允许的最大辐射发射规定了限制, 各国的辐射排放可能不同。请注意, 允许的最大辐射不是指平均发射, 而是指峰值发射，QP准峰值。任何违反此限制的单频都将导致设备无法通过合规性测试。

目前，已经推出了多种方法来解决 EMI 和减少辐射排放。其中包括屏蔽、滤波、隔离、铁氧体磁珠、速率控制以及使用附加电源层和地面在较好的良好PCB布局中。这些方法可以单独使用, 也可以与其他方法一起使用。虽然屏蔽似乎是减少 EMI 的一个相对简单的方法, 但它是一种机械实现, 成本很高, 根本不适合便携式（Portable）和手持（Handheld）设备。

在低频下, 滤波和降低速率可能是一种有效的方法, 但在今天采用的信号转换/传输速率下, 这可能不是一种有效的方法。精确的 pcb 布局技术, 就其本身而言, 往往是耗时和针对特殊系统, 这意味着一种布局技术在一个系统中使用，且可能不会完全转移/移植到另一个系统。

展频是另一种方法, 可以有效地用于降低 EMI 辐射。

SPREAD SPECTRUM CLOCK GENERATORS

利用展频技术, 窄带时钟信号的集中能量分布在更宽的带宽上, 减少了辐射峰值发射。展频理解为为输入参考时钟的频率调制, 具有可控频率偏差 (△f) 和调制速率,其中输出调制时钟在两个固定频率点之间反复地重复其频率, 如图2所示。

由于信号中包含的总能量保持不变, 并分布在一个频率范围内, 因此任何特定频率的峰值发射都会减少。

随着频带的变宽, 峰值能量也随之减少。使用这种技术可以实现约2db 至18db 的峰值 EMI 减少。这种展频（ Spread Spectrum）时钟的时钟发生器称为展频时钟发生器 (SSCG)（Spread Spectrum Clock Generators）。

Spread Spectrum，有些称为扩频，有些称为展频。

使用展频技术的最大优点是, 通常与源时钟同步并从源时钟派生的其他计时、数据、地址和控制信号也会进行调制, 从而在整个过程中显著减少系统EMI。低成本和不同类型的系统之间的可移植性是扩频时钟的一些主要优点。

传统的数字时钟有一个非常高的Q因子, 这意味着所有的能量集中在一个非常狭窄的频率带宽, 导致更高的能量峰值。当在频谱密度的频域中观察时, 可以清楚地观察到中心频率处的一个较高的窄峰, 以及位于谐波频率两侧的其他相对较小但又相对较窄的峰值。

SSCG采用通过增加时钟带宽和降低Q因子来降低时钟峰值能量的方法。SSCG将窄带数字时钟信号带到输入端, 并生成一个输出时钟, 以精确的调制速率在可控启动频率和终止频率之间进行扫描。在实际应用中, 时钟频率的调制速率为 30 khz 至 120 khz。选择此调制速率时, 它将保持在音频频段的上方, 以避免对音频频率的任何干扰, 并且不会导致系统出现任何类型的跟踪 (例如建立、保持时间) 问题。

EMI 的减少与时钟的展频量成正比。展频量通常以百分比来量化, 并定义为两个边界频率 (△f) 与时钟目标频率 (fo) 之间的比率。

图3显示了不同展频量的 EMI 辐射。

在大多数系统中, 造成问题的是基频的谐波。幸运的是, SSCG 不仅降低了基本时钟频率的 EMI, 而且还降低了谐波频率的辐射。事实上, 与基频时的衰减相比, 高阶谐波的峰值能量衰减更为突出。

出现这种情况的原因是, 对于固定的展频宽度, 在较高的频率值 (即只是中心频率的整数乘法) 时, 频带会变得更宽, 从而导致辐射能量的更多减少, 如图所示4.

展开剖面的选择对用展频技术确定峰值能量含量的减少也至关重要。展频轮廓只不过是调制信号 (传播时钟) 的频率变化相对于时间的包络。

从设计的角度来看, 三角形轮廓很容易实现, 但使用该轮廓产生的频谱的侧瓣比中心部分高出约 1-2db, 如图5a 所示。

如前所述, 即使一个频率分量超出了允许的最大辐射限制, 设备也会无法达到 EMI 标准。因此, 在某些工作条件下, 包含频谱侧叶峰值发射的三角形扩散轮廓可能违反规范。

使用Hershey kiss ( Lexmark ) 扩展轮廓 (见图 5b)，有更多的 EMI 减少, 可以获得几乎平坦的频谱。

Hershey kiss频谱传播轮廓有一个独特的形状, 时钟频率扫描在一个较高的速度附近的开始和结束频率点, 并在中心减速。

由于两个边界点附近的频率变化率较高, 两个侧瓣衰减, 减少的能量分布在频谱的中心平面部分。这导致了一个巨大的变化, 通过近似扁平的整个能量谱。

如图所示, Hershey kiss频谱传播轮廓提供了进一步的 1.13 db 减少。根据实际频率值, 这种减少幅度会更高。

TYPES OF SPREAD

根据起始频率和停止频率相对的位置, SSCG可分为以下三类:

1）Down Spread：

向下调节参考时钟, 并将调制信号的最大频率限制为参考时钟的频率。适用于频率敏感且已以其最大速度运行的应用。

Down spread (%) = (Δf / fo) * 100,   where Δf = fref- fmin

For example, a 100 MHz clock with a −1% modulation depth indicates that the modulated clock is varying over a band of 99 MHz to 100 MHz.

向下展频提供了展频时钟, 同时保持了系统中允许的最大频率。

2）Center Spread

围绕参考频率对称地调节输出时钟 (即输出频率将在中心频率之上和下方增加或减少相同的量)。

1% 的中心点差将提供2% 的总变化, 高于1% 的变化, 并在参考频率以下提供1% 的变化。

Center spread (%) = ½ (Δf / fo) * 100,  where Δf = fmax- fmin

FOR Example：a 100 MHz clock with a ±1% modulation depth indicates that the modulated clock is varying over a band of 99 MHz to 101 MHz.

在频率限制不适用的系统中, 中心传播非常有用。

3）UP Spread

向上展频正好相反。通过将下限限制为参考时钟, 对参考时钟进行向上调制。

Up spread (%) = (Δf / fo) * 100,   where Δf = fmax- fref

For example, a 100 MHz clock with a +1% modulation depth indicates that the modulated clock is varying over a band of 100 MHz to 101 MHz

PRECAUTIONS WHILE USING SPREAD SPECTRUM CLOCK:

1、Jitter：

使用扩频时钟的一个重要缺点是, 它不能用于时钟精度是主要关注的系统;例如:

用于以太网或 CAN总线应用。工程师在选择展频时钟和展频量时必须特别小心, 因为这可能会给时钟信号带来大量的抖动。此抖动可能会对系统性能产生负面影响, 从而导致严重的建立和保持时间冲突、较高的位错误率和 PLL解锁问题。

抖动可以是不同的类型, 并且可以对系统的性能产生不同的影响。

1）Period Jitter

Pj 指的是时钟输出从其理想位置转换的最大变化。

Pj 通常被测量为峰值至高峰期的变化随着时间的推移进行评估, 通常是一万个周期, 这只是最早和最新边缘之间的差异。

周期抖动会降低计时预算, 从而影响同步系统的性能。

时钟周期与其理想位置的变化也可能导致数据设置和保持时间冲突。

调制为1% 上角的 100 MHz 时钟信号的总频率变化 (f) 为 1MHz, 启动频率为 100MHz, 停止频率为101MHz。

这对应于从 9.9 ns 到10ns 的时期的变化。

因此, 理想的传播时钟将有 0.1ns (100ps) 的峰值至高峰时段抖动。

随着点差量的增加或时钟频率增量保持不变, 总频率变化按比例增加, 因此 Pj 可能违反某些计时参数。

这里必须注意的是, 这里提到的 Pj 只是由于传播时钟而引入的 Pj。

设备本身可以添加自己的固有抖动, 使总抖动高于上述估计。

2）Long Term Jitter

LTJ 类似于周期抖动, 但表示时钟输出转换在多个周期内从其理想位置的最大变化。

虽然它适用于一些特定的应用, 但对于扩频信号来说, 它变得至关重要, 因为在这些信号中, 定时边缘可能会在时间上与理想位置显著偏移。

在驱动显示的图形卡上可以看到 LTJ问题的最佳示例: 过多的 LTJ可能会导致像素数据在一段时间内从其所需位置移动。

3）Cycle to Cycle Jitter

CTCJ是另一种抖动类型，定义为时钟输出从前一周期中相应位置的转换。CTCJ在通信系统或ADC电路中是最不希望的，其中输入信号在特定情况下被采样并且根据采样值被数字化。采样时钟中的CTCJ可能导致输入从期望的实例中被采样，导致输出数据流中的位错误。

展频时钟实际上向时钟引入了微不足道的CTCJ。

调制速率非常慢，在30khz至120khz之间，与参考时钟频率相比至少慢一千倍，完成一个调制周期需要超过一千个时钟周期，

相邻周期之间可忽略不计的周期差异。

但是，器件本身可能会将自己的固有CTCJ添加到输出时钟。展频技术对系统的贡献小于CTCJ的0.05％。因此，SSCG可能非常适合需要低CTCJ，低误码率和低EMI的系统。

2、SPREAD SPECTRUM WITH PLL:

必须采取额外预防措施的另一个领域是那些PLL器件。PLL具有低通滤波器的特性，允许输入频率的低速变化通过，同时衰减高于其带宽的高频变化。

由于展频有目的地调制时钟，因此PLL可能难以保持对输入展频时钟的锁定。下游PLL必须能够跟踪频率变化以通过调制时钟。这取决于PLL的带宽。如果PLL的带宽太低，PLL将无法可靠地跟踪输入信号，从而导致跟踪偏斜，从而为系统增加更多的抖动。

PROGRAMMABLE SSCGs:

可编程性提供了灵活性和简单的库存管理。 通过时钟发生器芯片上的编程选项（例如可配置的驱动强度），系统设计人员可以根据应用要求轻松更改时钟边沿的驱动强度（上升/下降时间）。

这可能有助于进一步降低EMI。市场上有SSCG具有更多的和解编程选项，系统设计人员可以在这些选项中更改扩展量，扩展配置文件类型，扩展开/关，扩展类型和输出时钟频率等参数。

可编程SSCG的另一个主要优点是可以将多个独特的可编程频率输出集成到单个芯片中，从而消除了大量晶体并降低了总体成本。根据应用，设计人员可以使用单个SSCG为每个子系统提供具有不同属性的时钟，从而缩短产品上市时间并降低成本。

综述

SSCG----Spread Spectrum Clock Generation

1.扩频时钟生成是一种方法，通过该方法，时钟源窄带中包含的能量以受控方式扩展到更宽的频带，从而降低基波和谐波的峰值频谱幅度，从而降低时钟的辐射发射。

2.这是通过使用独特波形对时钟进行频率调制来实现的。

3.Linear和Hershey Kiss配置文件通常用于实现峰值EMI降低。

4.通过以受控方式改变频带上的时钟频率，降低了信号在给定频率下所花费的时间，从而降低了任何频率下的能量集中。

5.因此，能量在频带上扩展，降低了峰值幅度。

6.常见的，DDR、eMMC、HDMI这些都会使用到展频来降低EMI，使得有更高的EMI裕量。

Reference：

1、https://www.cypress.com/file/106246/download