一个电容搞定高频时钟辐射超标问题

一引言

在电磁兼容的辐射发射测试中，最常见的就是时钟辐射超标，随着系统设计复杂性和集成度的大规模提高，电子系统的时钟频率越来越高，处理的难度也越来越大。时钟辐射的症结在于，时钟信号对应的频域为窄带频谱，能量比较集中，在数据上体现为离散的有倍频特性的频点，而高频信号本身就很容易通过各种方式对外辐射。本文将结合具体案例分享如何通过一个电容解决时钟辐射超标问题，并提出面对时钟超标问题时可行的措施。

二案例背景

客户的一款扫地机器人在做辐射测试时，出现750MHz频点数据余量不足的情况，希望针对这个频点进行优化。简要的电路架构如下：

以下是通过韬略实验室复测后的其中一个实验数据：

从数据可以看出，750MHz这个频点确实比较高，前后离散分布的其他频点的频率差为50MHz，说明产品上存在以50MHz为基频工作的电路模块。

三整改过程与对策

1.查找源头

利用频谱仪进行排查，通过近场探头扫描发现定位到模块R16到WIFI芯片的时钟信号WL-SDIO-CLK的时钟频率刚好就是50MHz，其他模块没有这个频点。

2.辐射路径判断

除了时钟信号线WL-SDIO-CLK测得到50MHz的时钟倍频，通过探针探测，发现R16到WIFI芯片的数据信号线也能测到这些时钟频点，初步判断噪声源头为R16到WIFI的时钟信号，并耦合到数据通信信号。

3.整改过程

通过RC对时钟线和信号线进行滤波处理，越靠近R16芯片端越好，实际由于PCB布板空间问题，所以一开始只对时钟线做滤波处理，电容用100pF，主要考虑该电容的谐振频率点在1GHz左右，对750MHz频段可以起到较好的效果。

效果如下：

频率向更高的800MHz移动，考虑到拆装机的影响，说明只对时钟信号处理并没有起到很好的效果。后尝试对信号线加56pF电容滤波，数据如下：

可以看到，对800MHz及之前的频点有效果，但对850MHz这个频点并没有很好的改善效果。受空间限值，如果要针对时钟信号和数据信号走线做优化走线和滤波处理，需要配合改板，将滤波电容位置靠近R16芯片端，预留位置做RC滤波。

4.尝试查找是否存在其他辐射路径

利用近场探头再仔细探查，主要针对排线和PCB板之间的信号连线，因为这些都是比较常见的辐射路径。通过排查，发现如图所示信号线有50MHz的倍频点：

通过频谱探针进一步确定，信号引脚UART2_RX作为R16芯片与雷达模块的信号通信接口，耦合到了高频时钟噪声，成为了辐射天线之一，通过将该引脚对地加100pF电容滤波，结果如下：

从数据可以看出，高频段的噪声频点都没有了。

最终的整改措施只在UART_RX引脚处对地加100pF电容，整改用到的设备和器件有：频谱仪，近场探头，探针，电容。

四总结

本次整改只用一个电容便解决了高频时钟辐射问题，但整改过程却有很多值得反思总结的点，通过反思本次整改过程，针对时钟问题可供参考的经验总结如下：

1.时钟问题根源思考

高频时钟及其倍频容易出现以下几个问题：

（1）通过信号本身PCB走线或信号环路形成对外辐射的天线；

（2）串扰到靠近时钟线的走线；

（3）耦合到排线，排线又是时钟辐射的良好天线；

（4）最不好处理的，是在芯片内部串扰可能就已经发生，导致芯片IO口都带有高频信号噪声。

2.辐射路径排查思路

（1）通过测试数据，可以大致判断超标频率的基频；

（2）如果基频跟电路已知工作频率一致，可以快速对该电路进行验证；

（3）可以通过频谱仪，结合近场探环和探针，锁定时钟源头。

3.处理与验证

通常越靠近源头处理效果越明显，措施也会相对较少。

（1）直接对时钟进行展频处理，目前常见的展频手段有软件展频和通过硬件电路展频，硬件电路展频可以了解韬略科技的产品：展频IC和展频晶振；

（2）在设计阶段，对时钟走线做包地处理，通过走线屏蔽减少其对外辐射和串扰的能力；

（3）整改阶段，需要先排查噪声源头，同时也要尽量评估所有可能成为辐射天线的走线和排线，避免陷入对某个问题点反复验证，却不尽人意的死循环之中。

审核编辑：汤梓红