展频技术如何降低EMI

先前我们说了说:为什么时钟信号比数据信号更容易引起辐射超标?

为什么时钟信号比数据信号更容易引起辐射超标?

并且做了试验,如果认真看过的话,就会明白,周期性的信号是窄带频谱,特定的频率的幅值会很高,这对认证测试来说非常的不利。而一般时钟信号都是周期信号,这在电路中是少不了的。有没有什么办法,改造下时钟的频谱,同时又不影响功能呢?

答案是有的,那就是展频技术。

展频技术的应用

展频技术经常用于解决辐射问题,比如我们前面说的音频功放,需要接LC滤波器。就有的厂家通过展频技术,推出不需要LC滤波器的IC,比如下面这个。

还有专门的展频时钟芯片,用于降低EMI。

那么问题来了,展频怎么就能解决辐射问题呢?

如何展频

展频,通常理解,就是将窄带频谱扩展为宽带频谱,让能量不集中到某一个频率点,将能量分散到多个频率点。

我们知道,时钟信号通常都是周期信号,它的频谱就是窄带的,能量集中。要想将它的频谱进行扩宽,那肯定要对时钟信号进行改造,如何改造呢?

原本的时钟信号每个周期都是一样的,周期时间长度也一样,为Tclk。我们可以对其进行微调,比如先将每个时钟周期比上一个时钟周期的时间加长一点点,累计n个周期之后,再将每个时钟周期比上一个时钟周期缩短一点点,再累计n个周期,如此循环。

这样时间一定的话,包含总的时钟周期的个数是不变的,但是里面的时钟信号的每个周期都是不一样的,如下图。

从上面的描述可以看到,会有几个参数。

一个是调制速度:就是完成一次循环的时间,也就是2n*Tclk,这个时间的倒数就是调制速度对应的调制频率。

一个是调制深度:调制后,会有最长的时钟周期,也有最短的时钟周期,它们相对原始周期长度有一个差值,这个差值除以原来的时钟周期,就是调制深度,是个百分数。

还有一个是调制方式:前说的是时钟周期长度线性增加或者减小,这种方式叫线性调制方式,线性调制方式如下所示:

在中间虚线位置时,时钟的周期不变,也就是频率不变。在三角波顶端时,时钟周期变到最小,也就是频率变到最大,为f+△f。

这个三角波的频率就是调制速度,它一般远小于时钟频率,在30Khz-60Khz左右。

调制深度就对应△f,一般实际变化量很小,小于3%。

现在我们知道了展频之后的信号是什么样的,那么它真的能将窄带频谱变为宽带频谱吗?我们下面画出它的频谱。

展频后的频谱

1、为了减小计算量(量大电脑内存不够用),我们让时钟的频率为1,调制速度为时钟的千分之一,即0．001Hz,调制深度为2%。

2、为了更为清楚的看到展频之后的频谱,我们对1Hz基频来个特写。

调制之前1Hz的幅度是0．63,调制之后最高幅度为0．15。如果db来表示,那么就是降低了20log(0．63/0．15)=12．7dB。

3、上图对应的是调制深度为2%,我们降低调制深度为1%,再来看看频谱。

调制深度为1%的频谱幅度最高为0．2,如果用db来表示,那么就是降低了20log(0．63/0．2)=9．96dB。

两者对比,可看到,调制深度越大,频谱越宽,幅度越小,对EMI的抑制作用也就越好。不过呢,调制深度大了,时钟频率变化越大,引起电路时序问题的可能性也就越大。

4、如果调制深度不变,改变调制速度会怎么样呢?

将调制速度从0．001改为0．0001,即降低10倍,调制深度为2%,频谱如下图。

频谱幅度最高为0．05,如果db来表示,那么就是降低了20log(0．63/0．05)=22dB。

可以看到,调制速度降低,对EMI的抑制作用越好。不过通常不会低于30Khz,因为20Khz就处于人耳可听到的范围,为了避免产生噪声,不会再低了。

小结

     1、 展频技术可以将窄带频谱变成宽带频谱,能够对辐射有抑制作用

     2、调制速度越慢,调制深度越大,抑制效果越好

    上图的中图片,都是使用Matalb画的,如果想自己试着运行一下源码。