【经验】MicroClock时钟发生器低功耗设计及减少EMI的方法

MicroClock时钟发生器是非常小的器件，消耗很少的功率，适合家用便携式和可穿戴应用。功耗仅由MicroClock器件内部的电路决定，器件外部的电路也对功耗有影响。本文介绍如何配置MicroClock器件和应用电路，以优化电源和其他重要参数。IDT（RENESAS收购）的Timing Commander软件可以帮助配置编程参数，在优化功耗时非常有用。

表1  MicroClock 5X1503/5L1503系列产品

MicroClock器件都是2 x 2 mm 10-DFN的小封装。“5X”器件集成了晶体，更节省空间，更适合可穿戴的应用。

当输出仅为32.768k Hz时，5L1503L和5X1503L通过控制OUT1=32.768kHz的输出幅度来实现超低功耗。所有MicroClock器件都可以控制OUT2和OUT3的振幅。

超低功耗操作

只有32.768kHz的输出时MicroClock器件可以在超低功耗的情况下工作。因为有超低功耗DCO，所以能实现超低功耗。该DCO是一个专用的32.768kHz振荡器。 该DCO本身缺乏32.768kHz时钟所需的精度，但它是半锁定的内部或外部晶体。 超低功耗是通过晶体只工作几毫秒以对准DCO来实现，然后关闭几秒钟，直到下一次调整。 如果DCO在第一次调整时太慢，DCO将在下一次调整周期中被设置得稍微快一些，以达到时钟脉冲的总数。这样，平均32.768kHz时钟精度与内部或外部晶体相同，32.768kHz时钟可用于实时时钟应用。见图1 MicroClock器件框图。 与32.768kHz时钟有关的块以红色框出。

图1 MicroClock器件框图

低功耗设计和配置

MicroClock器件具有低功率的特点，但优化微时钟装置周围低功耗的电路设计也是非常重要的。 例如，时钟输出负载会影响输出驱动的功率。

- 时钟走线长度：时钟输出负载的一个重要部分是时钟走线。 时钟走线越长，来自时钟走线的负载越大，时钟输出驱动中的电源电流也越大。 时钟走线可以看作是传输线（50Ω）或接地电容。 MicroClock系列的时钟发生器是为可穿戴应用而设计的，其时钟走线相对较短。功耗在可穿戴应用中非常重要，而小尺寸有助于最小化电源电流。

- 时钟幅度: MicroClock器件的可编程特性之一是优化功率，即可编程时钟幅度。 时钟幅值越大，时钟驱动器的电流消耗越大，一个标准的LVCMOS驱动器摆幅是轨到轨。 使用VDD=1.8V，就意味着1.8Vpp时钟振幅。 设备上的OUT2和OUT3可以降低到1.2V、1.1V或1.0V。 当然，目标时钟输入要能够处理较小的幅度。

● 晶体振荡器引脚过驱动:大多数晶体振荡器引脚用较小幅度信号过驱动时工作最好。所以这是一个双赢的情况，其中较低的振幅降低了器件的功耗，同时它也能更好地为晶体振荡器输入工作。 建议设置为1.0V振幅，再通过交流耦合输出到振荡器输入引脚。

图2 驱动晶体振荡器的输入引脚

保持从器件输出到晶振输入引脚的走线尽可能短，以尽量减少走线寄生电容。 当走线短于约1英寸或2.5厘米时，不需要将走线设计为传输线，也不需要RS。 当将时钟走线设计为50Ω传输线时，用22Ω RS来匹配器件输出到走线的阻抗。大多数晶体振荡器集成有电阻RF，如果没有集成RF，则需要在XIN和XOUT引脚之间添加RF=100kΩ。 在选择CS值时，需要同时考虑直流偏置建立时间。 当CS=10nF和RF=1MΩ时，直流偏置建立时间约为1nF×1MΩ=10ms。 如果晶体振荡器是32.768k Hz，并且用MicroClock器件的32.768k Hz时钟进行过驱动，则RF可以很大，可能>10MΩ。 对于32.768kHz的时钟，建议使用CS=100pF。

● 驱动低电压的时钟输入逻辑: 这也是双赢的。选择最接近时钟输入逻辑所需的振幅。 这对于高频和低频都是有效的，如32.768kHz。

图3 用较低的VDD驱动CMOS输入引脚

同样的建议也适用于走线长度和RS值。

● 用较低的幅度驱动1.8V的时钟输入: 当采用AC耦合并且重新偏置时钟输入到0.9V时，可以用1.2V的幅度驱动1.8V的输入。时钟输入的摆幅变为17%到83%。大多数CMOS输入可以处理30%到70%的信号摆幅，因此仍然有足够的余量。

图4 同样的VDD但是用较低的幅度驱动CMOS输入

使用R1 = R2将时钟波形重新设置到VDD = 1.8V时的50%。对于1MHz和更高的时钟频率，R1=R2的适合值是100kΩ。不建议32.768kHz频率使用此方法。R1和R2中额外的直流偏置将超过设备输出驱动上节省的电源电流。对于32.768kHz，建议使用图3中的电路，将振幅设置为时钟输入所需的大小。

同样的建议也适用于走线长度和RS值，如上文所述。设置较低的振幅和添加器件来重新偏置时钟输入的做法只有在相对较长走线的情况下才值得，功耗的节省很明显。

- VCO频率: 锁相环中VCO的功耗取决于VCO的频率。 Timing Commander软件可以估计某种配置的功耗，并有助于优化MicroClock器件的配置，以节省功耗。 一般规律是，VCO频率越低，功耗越低。 但另一个规律是，VCO频率越高，抖动性能越好。 如果存在抖动要求，则需要在抖动性能和功耗之间找到折衷方案。

- 输出负载:

▪  容性负载: 输出时钟走线具有寄生电容，目标时钟输入也具有输入电容。 最小化最低功率的输出时钟走线长度。 用于驱动输出电容的电源电流为ID RIVER= C×F×V。“C”是时钟输出驱动的总电容，“F”是时钟频率，“V”是时钟信号的峰峰值。

•   示例1: 具有2pF寄生电容和3pF时钟输入电容的20mm时钟走线。时钟频率为10MHz，时钟幅度为1.2V。ID RIVER=5E-12×10E+6×1.2=0.06mA。

•   示例2: 具有10pF寄生电容和3pF时钟输入电容的100mm时钟走线。 时钟频率为50MHz，时钟幅度为1.8V。ID RIVER=13E-12×50E+6×1.8=1.2mA。

示例1使用短时走线，低时钟频率和降低输出幅度的设置，以最小化输出驱动器的电源电流消耗。示例2，这三个参数都变了很多，结果输出驱动器中的电源电流要高得多。

注意，当驱动晶体振荡器输入引脚，并且晶体负载电容在芯片上时(例如 10pF-20pF)，引脚电容可能很大。 当外部电容器从晶体引脚接到地，并且MicroClock器件输出过驱动晶体振荡器的输入引脚时，不要焊接这些电容器。

▪  驱动50Ω时钟走线: 方法不一样，但结果与使用走线电容没有太大的不同。 理论上说，每次时钟从低到高的切换，输出驱动器都要从1.8V驱动100Ω，即18MA。100Ω来自驱动器输出阻抗与时钟走线阻抗的串联，两者都是50Ω。 18mA需要驱动的时间要与脉冲到达时钟走线的末端和反射回驱动器所需的时间一样长。一旦反射回到驱动器，驱动电流就回落到零。

•  示例: 100mm长的时钟走线，具有 50Ω阻抗和 50MHz 时钟频率。脉冲沿该走线移动大概需要1.14ns。50MHz 的周期长度为20ns，因此时钟驱动器中的平均电流为 18mA x 1.14 / 20 = 1.03mA。

平均时钟驱动器电源电流的公式如下：IDRIVER = 2t x F x VDD / （2Z）。

"Z"是时钟走线阻抗，"F"是时钟频率，"t"是脉冲从驱动器到时钟走线末端所需的时间。FR4上微带走线的时钟脉冲速度约为1.75E+8米/秒。该值用于上述示例。

此示例的时钟驱动电源电流略低于电容负载时的示例 2。原因是目标输入缺少 3pF 输入电容。当添加其 C x F x V = 0.27mA 时，结果非常接近示例 2。

使用5L1503S 或5X1503S的展频功能

展频调制可用于减少电磁干扰 （EMI）。当对系统时钟应用展频调制时，不仅时钟本身的 EMI 减少，而且从该时钟派生的所有信号的 EMI 也会减少。这使得展频频谱成为减少系统 EMI 的非常有用的工具。展频可用于降低系统成本，用展频时钟取代昂贵的屏蔽罩。

时钟信号本质上是一个方波。方波由频谱中的多个谐波组成。从理论上讲，完美的方波只有奇数谐波（第3、5、7等），但当占空比不是完美的50%时，偶次谐波也会存在（第2、4、6等）。时钟信号中的功率集中在达到特定电平的窄谐波中。展频调制会分散谐波中功率，使其不会达到很高的峰值。

图5 展频调制波形

展频调制是频率调制。时钟的频率随三角形调制波向上和向下移动。时钟频率移动量称为幅度或展频百分比。三角调制波的频率称为调制率。常用的调制率在 30kHz 和 33kHz 之间。MicroClock芯片使用下展频，频率低于载波频率。这是为了避免在应用调制时超过系统最大时钟。

图6 时钟波形的频谱

当时钟未被调制时，频谱由窄的谐波组成，如图6中的红色曲线所示。加入展频调制，使每个谐波的峰值变宽，如图6中的蓝色曲线所示。因为每个峰值都有一个特定的功率水平，使峰值变宽也会使它变低。在时钟中加入展频会降低时钟产生电磁干扰的能力。

电磁干扰衰减与频率有关，时钟的高次谐波的电磁干扰衰减更大。

电磁干扰降低量的快速公式如下: R(dB) = 10 × LOG(SS × FH/100kHz)。

“R(dB)” 是EMI减少量, “SS” 是展频后的峰峰值， “FH”是时钟谐波频率。EMI测试设备使用100kHz带宽。

示例: 100MHz时钟采用-0.5%的展频

•  5阶谐波EMI减少量 (500MHz): R(dB) = 10 LOG(0.005 × 500/0.1) = 14dB。

•  10阶谐波EMI减少量 (1GHz): R(dB) = 10 LOG(0.005 × 1000/0.1) = 17dB。