控制板級時鐘分配期間出現的 EMI

今天，我們來談談所有電子系統都存在的一種常見問題——電磁干擾也即 EMI，并側重討論時鐘的影響。

從廣義來講，EMI? 是中斷、阻礙或者降低電子器件有效性能的所有電磁干擾。其產生的方式有兩種：1）通過存在于信號之間的寄生電感/電容，或者通過電源或接地連接的無用耦合，從而產生 EMI；或者2）直接通過電子/磁輻射，即輻射性 EMI。

由于兩個原因，時鐘信號常歸咎于 EMI。即使時鐘低頻率運行，較好的時鐘上升/下降沿也包含大量的奇次諧波，其在更高頻率時會引起 EMI。另外，時鐘通常會在板上傳播一段較長的距離，從而更可能給其他組件帶來干擾。通常，EMI 可通過頻譜分析儀測量，如圖 1 所示。圖中，綠色信號存在一些超出紅色 FCC 屏蔽的頻率分量（300MHz、400MHz 和 500MHz 等）。

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圖 1 板級 EMI 測量實例

控制時鐘引起 EMI 的一些方法都基于上述兩種方式：屏蔽、去耦、精心布局，以及改變時鐘源特性。

屏蔽方法使用導體將 EMI 徹底包起來接地。利用這種方法，電磁能量被控制在系統內部。另外，它還使外部信號更難以將 EMI 帶入系統。這種方法對傳導性 EMI 和輻射性 EMI 都有效。一般而言，這種方法在保護系統的敏感部件時成本較高，并且占用空間。高頻時效果較好。在 100MHz 以下時鐘頻率或邊緣速率情況下，EMI 自屏蔽層以上時鐘信號耦合，而屏蔽層本身也產生輻射。這種情況下，屏蔽的效果極其有限。一種解決方法是使用 RF 線圈。

大多數情況下，較好的去耦和精心的布局比屏蔽方法更能減少傳導性 EMI。

在每個有源器件（盡可能靠近器件連接電源或接地）上安裝旁路或者“去耦”電容有助于引導時鐘或任何其他高頻信號組件直接接地，而非干擾其他信號。至少用兩個數量級，交替這些旁路電容器的值。如果可能，選擇表面貼裝類型。在板上給去耦組件一個占位器 (position holder) 一直都是一個不錯的辦法。

就您的布局而言，基本原則是讓接地返回路徑短一些，并最小化信號環路。使用較短的過孔組件線。盡可能地靠近 PCB 貼裝組件，并將與時鐘線跡相關的所有組件都靠近放置在一起。如果可以的話，請使用差分信號。實事證明，使用一個專用接地層和多層布局較為高效。但是，這會增加電路板成本。對于一些如便攜式系統等成本敏感型設計而言，這樣做并不可取。這些情況下，改變時鐘信號本身可有效地減少 EMI 源，同時更便宜，也更靈活。

一種方法是減少信號擺動來降低峰值能量。增加串聯電阻減慢時鐘上升/下降沿，從而減少諧波。另一種普遍使用的方法是使用擴頻時鐘 (SSC)，有意將時鐘能量傳播至更寬的頻帶，這樣便使峰值能量降低。這種 SSC 功能被集成到大多數我們的時鐘器件中。下次，我們將對其做更詳細的討論。

降低擺動或使用邊緣控制的缺點是使時鐘的抗噪性變差。使用 SSC 增加了時鐘的抖動。就消費類電子產品而言，通常較少關注這些。但是，對于一些高精度應用而言，這些方法通常不是首選的方法。

結論
總之，降低 EMI 方法的選擇涉及您的應用、時鐘頻率和成本/性能考慮等諸多方面。一般而言，它是所有上述方法的綜合。