【经验】 如何使用一个电容搞定高频时钟辐射超标问题？
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。
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。
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。
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。
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时科（SHIKUES）分立元器件选型指南
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【应用】韬略科技BDL滤波器可替代多颗MLCC电容用于电源旁路，美国军工专利结构具有极低的寄生参数
韬略科技明星产品BDL滤波器，美国军工专利结构，具有极低的寄生参数，在频域上能降低高频噪声，在时域上能有效抑制电源纹波。在IC电源旁路上有极好的应用，一颗BDL能替代多颗MLCC电容。
应用方案 发布时间 : 2021-05-09
捷捷微电（JieJie Microelectronics）金属氧化场效应晶体管（MOSFET）选型指南
描述- ■江苏捷捷微电子股份有限公司创建于 1995 年，是集芯片研发、芯片制造、封测和销售为一体的江苏省高新技术企业。2017 年 3 月 14 日于深圳创业板上市，股票代码 300623 。捷捷微电是国内领先的高品质功率半导体器件 IDM ，自 2017 年起便一直位列在中国半导体行业协会年选的「中国半导体功率器件十强企业」。 ■主导产品为晶闸管(单、双向可控硅)、MOSFETs (SGT、沟槽、平面、超结等工艺)、低结电容放电管等各类保护器件、高压整流二极管、功率型开关晶体管。作为晶闸管龙头企业，捷捷微电 2020 年晶闸管营业收入为国内同行第一、全球第三，而且国产替代进口市占率约 50% 。
型号- 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
电容式管道液体检测模组WS003使用用在小家电产品水箱水位检测模块，可快速判断液位高度及有无液体状态信息
WS003是一种电容式管道液体检测模组，通过传感器不锈钢探针，探测模组管道腔体内的电容变化，判断液位高度及有无液体状态信息。产品体积小，成本低。液位检测精度高，有水即可检测，和水量无关，和水质无关，不容易误判，可靠性高。适合用于智能洗地机、扫地机器人、洗碗机、净水器、饮水机、咖啡机、管道液流检测设备等领域。
产品 发布时间 : 2024-03-02
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服务
提供辐射发射测试、传导发射预测试、EMI噪声频率扫描服务。消费电子辐射发射预测试频率范围30MHz-1GHz、 车载电子9KHz-3GHz，并针对问题给出EMC整改方案。支持到场/视频直播测试，资深专家全程指导。
实验室地址： 深圳 提交需求>
提供消费和车载电子静电摸底测试服务，测试接触放电和空气放电士20KV±20%，并将针对测试出的问题给出ESD整改方案。支持到场/视频直播测试，资深专家全程指导。
实验室地址： 深圳 提交需求>
授权代理品牌：集成电路
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