汽车电子系统和工业系统中该如何降低电磁干扰的影响

用时钟展频技术降低EMI技术探索用时钟展频技术降低EMI技术探索

汽车电子系统和工业系统变复杂且密集，因此如何降低电磁干扰（EMI）的影响成为了工程师在设计之初，就必须要考虑的因素。干扰源通过一定的传导途径影响了敏感设备，就是电磁干扰。

随着技术的发展，数字信号的时钟频率越来越高，电路系统对于信号的建立、保持时间、时钟抖动等要素提出越来越高的要求。EMI，即电磁干扰，是指电路系统通过传导或者辐射的方式，对于周边电路系统产生的影响。EMI会引起电路性能的降低，严重的话，可能导致整个系统失效。在实际操作中，相关机构颁布电磁兼容的规范，确保上市的电子产品满足规范要求。EMI过不了，掉发秃头抓狂三步走！如何解决EMI问题，要从源头来看。

从EMI的传递路径来看，如图2 所示，总结起来有四种：感性耦合、容性耦合、辐射耦合，以及明晃晃的传导耦合。感性耦合涉及电路中的感性元件包括电感和变压器器件；容性耦合则非常常见，电路中任意相近的两根电流导线都会存在分布电容耦合；传导和辐射耦合就更直观了，包括空间耦合、多余的形成等效天线模型的电路走线。只要辐射源不流过等效天线模型，则不产生辐射，所以归根结底也许可以说——电流导致了辐射。

这四种耦合方式在电子系统中至少有一样，所以，辐射超标问题在大部分电子产品中都是亟需解决的问题。而且，随着电子系统设计的逐渐精密和紧密，在EMI方面就更需要谨慎。

如今的EV、HEV、及燃油车，车身娱乐系统和电子辅助系统的功能越来越多且已经在成为主流和标配的路上，这意味着它包含了更多的电子元器件或电路在里面，需要工程师去设计更为紧凑的方案以得到多样化的功能，同时高灵敏度决定了高速信号的应用之广。因此需要在设计时减少相关电路尺寸和大小，其中包括电源，而符合产品要求的电源可能拥有更高的开关频率，因此带来了更多EMI问题。

除了电源，与EMI电磁干扰密切相关的几点就是时钟，布线，屏 蔽，这些都可能导致EMI指标的超标，在实际操作中，相关机构颁布电磁兼容性EMC的规范，EMC包括两个方面的要求：一方面是指设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值；另一方面是指器具对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度，即电磁敏感性。EMI整个规格是非常宽的频率范围，通常是150KHz，到工业应用上是到30MHz，汽车应用上会到108MHz。

降低EMI的方法有许多种，包括屏蔽、滤波、隔离、铁氧体磁环、信号边沿控制以及在PCB中增加电源和GND层等等。在应用中可以灵活使用以上方法，其中屏蔽是相对简单的机械学方法，成本较高，不适用于手持和便携式设备；滤波和信号边沿控制对于低频信号有效，不适合当前广泛应用的高速信号。另外，使用EMI/RFI滤波器这些被动元器件，会增加成本；通过LAYOUT技巧降低EMI显然比较费时且改善有限。

因为时钟信号常常是电路系统中频率最高和边沿最陡的信号，多数EMI问题的产生和时钟信号有关。所以很多时候在板子已经成型的情况下，展频时钟（Spread Spectrum Clocking）SSC是有效降低EMI的方法。

一般数字时钟有很高的Q值，即所有能量都集中在很窄的频率范围内，表现为相对较高的能量峰值。在频谱图上容易看到在中间频率上有很高的峰值，在奇次谐波位置有较低的峰值。而时钟展频通过频率调制的手段将集中在窄频带范围内的能量分散到设定的宽频带范围，通过降低时钟在基频和奇次谐波频率的幅度（能量），达到降低系统电磁辐射峰值的目的。如图3-a的能力分布，展频整改后就变成了图3-b所示，就像调节花洒旋钮，使水压分散开来以达到较好的使用感。

时钟展频有三个主要的控制参数：调制速度（Modulation Rate）、调制深度（Modulation Depth）和调制方式（Modulation Profile）。

1. 调制速度

调制速度（MR）是指输出时钟频率 fo 在设定的调制频率范围内的变化速度。调制速度应远小于源时钟的频率 fc 以免引起时序问题（建立/保持时间等），同时应当高于人耳可识别的声音的频率范围（20Hz~20KHz）以免产生噪音。在实际应用中，调制速度一般选择30KHz~120KHz。

2. 调制深度

调制深度是指展频后输出时钟频率 fo 以调制速度MR偏移源时钟频率 fc 的大小。调制深度以偏移（Δf）源时钟频率的百分比（%）来表示。调制深度决定降低EMI峰值的大小。通常调制深度越大，EMI峰值越低。在应用时，需要合理预计系统可接受的频率调制范围。在许多系统中，基频的奇次谐波才是产生EMI问题的根源，因此不仅需要衰减基频的EMI辐射，同时也抑制奇次谐波上的能量辐射。

3. 调制方式

调制方式（Modulation Profile）决定EMI峰值的表现形式。如图4和图5所示，Linear和Hershey Kiss是SSCG（展频时钟发生器）常用的两种调制方式。Linear线性调制相对简单，顾名思义，线性调制后输出的时钟频率是线性变化的。这种调制方法的缺点是输出频谱旁瓣比中间频率幅度高1-2dB，因为在任何频率EMI的失效也就意味着整个EMI测试的失败，因此这一点也需要重视。

而 Hershey Kiss调制可以得到接近平整的频谱图，如图5所示，Hershey Kiss调制的特点是在调制范围的两端，频率变化速度更快，在调制范围的中间值，频率变化较慢。频率在两端变化的速度快，这样信号在频率两端的能量得到更大的衰减，分散到中间位置。整体的表现就是整个频谱的能量近似平坦。除了看调制方式，还要根据源时钟频率和目标整改方向，适当地选择展频方式。

从本质上说，扩展频谱是一种以调制百分比来衡量的调制方法。展频晶振通过动态改变时钟频率，有效降低电磁辐射功率，减少EMI电磁干扰的影响。相对于其他的EMI抑制技术而言，展频晶振的系统化特点是其主要的优点，由展频晶振产生的所有时钟和定时信号也被以同样的比率加以调制。这给整个系统都带来显著的EMI改善效果。在EMC测试中，只改变一个电容或可编程的数字输入就能够调节频率调制度。展频晶振的这种可编程特性简化了该技术在产品设计和EMC测试中的使用，还可以减少用于EMI抑制的印刷电路板面积，节省产品成本和面市时间。使用展频晶振的另一个好处是可以在同一产品中进一步集成可编程的EMI抑制和定时功能，使产品的性能更高，成本更低。同时，在产品的受控整改中节约时间，牢牢抓住市场机会。

以上就是使用展频晶振进行部分电磁整改，使之的电磁干扰降低到既定值以下的一些基础性的介绍。

相对于普通晶振来说，展频晶振市场较少。而我们使用的电子产品，目之所及必定有晶振的影子。毕竟，最简单的单片机最小系统就包括单片机、晶振电路、复位电路。，更遑论如今愈加复杂和精密的电路系统了。

在不同的系统中，对于晶振的选型也有要求，对于车载娱乐系统而言，比较重视振荡器线路的负阻抗值、负载电容激励功率；对于UPS（不间断电源）而言，比较重视晶振的高温频率稳定性（频偏）、老化问题。就像生物钟对于人的重要性，选择好晶体是造就好系统的第一步。香港晶体（HKC）历经26年专注于石英晶振、晶体振荡器、陶瓷振荡器的生产、研发与服务，其产品被广泛应用于工业控制、汽车电子、通讯设备、电力仪表、医疗器械、安防监控、计算机、消费电子家用电器等领域，是各个领域工程师的优选。

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