时钟高次谐波超标的原因及解决办法

一、引言

时钟是电磁干扰能量的主要来源之一，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，下图是常见的时钟超标测试示意图。

二、案例分析

为什么有些时钟的高次谐波会很容易超标？

分析：

周期信号由于每个取样段的频谱都是一样的，所以他的频谱呈离散形，但在各个频点上呈强大的特点，通常成为窄带噪声。而非周期信号，由于其每个取样段的频谱不一样，所以其频谱很宽，而且强度较弱，通常被称为宽带噪声。然而在一般系统中，时钟信号为周期信号，而数据和地址线通常为非周期信号，因此造成系统辐射超标的通常为时钟信号。

如何解决时钟及其谐波超标问题呢？

（一）抑制措施1—使用滤波电路

在时钟信号线靠近辐射源头增加滤波电路，通过RC时间常数减缓信号的边沿转换率；通常采用RC滤波电路，为了得到最理想的端接和防止反射，电阻应该尽量的靠近源端，电容最好放置电阻右边，如下图所示：

存在问题：

（1）电感和电容存在寄生参数，高频效果不理想；

（2）时钟频率越来越高，RC滤波效果非常有限；

（二）抑制措施2—屏蔽线缆

分析：

屏蔽线缆是非常有效的措施之一，屏蔽层既能直接遮挡了电缆中差模信号回路的差模辐射，也能为共模电流提供一个返回共模噪声源的路径，减小共模电流的回路面积，但是屏蔽线缆也存在以下问题，

（1）采用导电布屏蔽工艺复杂，人工成本高，效果不够理想；

（2）采用多层屏蔽FPC排线，成本高，柔韧性不好；

（3）采用微同轴屏蔽效果很好，但是成本很高；

以前传统的诸如屏蔽，滤波等EMI改善措施的应用已变得越来越困难，这促使设计工程师去探索更可行有效的方法来减少时钟能量发射，而扩频时钟的适时出现则恰如其分的解决了这个问题，并从源头上——系统时钟处控制和减少了EMI发射强度。目前，时钟扩展频谱技术被广泛使用在图像采集、图像显示及汽车电子等行业。

（二）抑制措施3—展频

1、在屏时钟或摄像头时钟增加展频IC

2、应用效果对比测试图

3、展频技术原理

通过对尖峰时钟进行调制处理，使其从一个窄带时钟变为一个具有边带的频谱，将尖峰能量分散到展频区域的多个频率段，从而达到降低尖峰能量，抑制EMI的效果。

4、展频的形态——展频IC和展频晶振两种形态

5、展频技术的优势

（1）在EMI源处抑制EMI，抑制效果好；

（2）PCB板级方案，便于批量生产和电路标准化；

（3）缩短研发周期，减少屏蔽，过滤，简化工艺，减少人工成本；

（4）展频晶振体积小，在车载摄像头、内窥镜等体积有要求产品实用度高。

6、实际成功应用案例

（1）图像采集类时钟信号，如摄像头时钟，指纹头等；

（2）图像显示类时钟信号，如屏时钟；

（3）晶振、DDR、SD等PCB内部时钟

三、总结

时钟扩展频谱技术在抑制时钟EMI上的应用，可以在一定程度上简化EMC对策，降低昂贵的屏蔽材料成本，增强产品大批量生产的一致性，因此在产品的设计初期做EMC设计规划时，应考虑做好展频电路的兼容设计，以防产品在上市前因EMI整改困难而焦头烂额，错失最好的市场机会！
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