时钟设计中应对EMI的策略

时间： 2016-09-24 来源：世强

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有源晶体振荡器在电子电路中太过于常见了，常见的频率从几兆赫兹到几百兆赫兹不等。在工业类产品中，经常会出现时钟应用不当，或者芯片倍频后EMI很难通过的问题。通常说的EMI也就是传导发射限值检测和辐射发射限值检测。

EMI的产生原因是由于晶振输出波形中包含多次谐波，从而造成在频域中某点的值超标。晶振常见的输出波形有正弦波和方波两种。正弦波的对应频率相对简单，而方波相对于正弦波复杂多了，有多个奇次谐波组成，因此是造成EMI的主要因素。

正弦波的时域（左）和频域（右）如图1所示，正弦波的频域有一个最高点组成。

图1：正弦波的时域和频域

方波波的时域（红色部分）和频域（蓝色部分）如图2所示。由图可见方波有1次，3次，5次...等奇次谐波组成。

图2：方波波的时域和频域

在时钟设计中，应对EMI超标通常有两种策略：一类是加EMI滤波，另一类是加RC低通滤波。下面我们就这两种策略分别简单说明一下。

EMI滤波
EMI滤波的电路原理图如图3所示。需要注意的，EMI滤波与RC低通滤波前端电源供电都是一样。该电路采用PI型滤波，输出加10uF，0.1uF以及pF级电容，OSC输出端加类似磁珠的滤波器件，该处理的好处是可以滤波想要频段的杂波，但该滤波电路对于信号本身有一定影响，即对信号质量有一定影响。

图3：EMI滤波

RC低通滤波
RC低通滤波的电路原理图如图4所示。该电路同样采用PI型滤波，输出加10uF，0.1uF以及pF级电容，但OSC输出端则是加RC低通滤波器。该滤波电路可以有效的滤波高频信号，注意的是输出负载不能大于15pF，对于的ZL=1/(ωCL)=106Ω（最小值）。这种也是电子电路中常用的电路，Ro和Co的数值可根据电路的实际情况进行调整，输出负载可以根据电路实际情况调整只要不超过15pF即可。，其实EMI主要是将信号的上升沿调缓。

图4：RC低通滤波

RC滤波器的Ro值计算如下，如果Co=10pF，这样的Zo[=1/(ωCo)]=159Ω，满足大于106Ω，如果我们将低通滤波器的截止滤波频率设定为200MHZ，根据公式fc=1/(2πRoCo)可算出 Ro=82Ω。

在笔者一个大型的交换主板设备中，使用SILICON LABS的Si535高频时钟，在时钟中起先采用了国产的晶振，在辐射发射抗扰测试EMI的性能中，发现在750M点的位置出现了超标点。通过RC滤波，计算设计了一个截止频率为750MHZ的低通滤波器，再经过此频率计算出Ro和Co的值。改进后，辐射发射在该点的值降低了9dB，当时与class A标准对比余量很小。由于EMI测试是一个复杂且需要反复修改的测试，因此采用多个厂家的晶振，国内的几个知名厂家，国外的包括EPSON等，最后焊接在多块板子上，对多块板子进行辐射发射进行测试。从测试的结果看，EPSON的测试效果最好，能够有效的屏蔽EMI。这与EPSON晶振、内部锁相环结构，以及采用金属外壳有很大的关系。

值得注意的是，在实际的时钟电路设计中，除了有效的增加一些滤波器以外，PCB设计也特别的关键。在大于100MHZ的时钟上面，应该在设计的时候在晶振四周采用大地包裹一圈，走线下面有完整的参考地平面。有条件的情况下采用屏蔽罩设计，如像无线高频设计一样，此外从RO输出的信号线尽量要短，如果板子上没有条件，走线比较长的情况下，应该将此输出线换到内层，同样也可以有效的应对EMI的超标问题。

EMI设计是比较复杂和繁琐的工作，在时间测试下，可以采用EMI测试探头探测板子上EMI超标点的频率范围，然后根据这些参数由以上的方法进行计算。相信不断的调整，然后测试，EMI问题会迎刃而解。

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