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常见的小型5mm×7mm 8引脚和14引脚DIP封装和表面贴装型封装中已经集成了用于减少EMI(电磁干扰)的扩频技术(Spread Spectrum Technology,SSC)。采用这类封装的时钟振荡器产品对于那些要求EMI抑制能力高达20dB的应用来说,是一种理想的直接替代品。
一般情况下,系统设计都是基于某个最基本的时钟源,如晶振、陶瓷或者以一定频率(如48MHz)振荡的振荡器,所得到的时钟信号用于驱动处理器、存储电路、串行/USB接口和某些前面板控制。48MHz时钟信号可以在其他的时钟控制部件中进行变换,如基于PLL的处理器、存储控制器和接口控制器中用到的时钟倍频器。初始的48MHz时钟信号可以很快变换为驱动串行接口的96MHz或24MHz时钟信号。系统所需的这些多路基频和谐波频率信号,有时会给兼容性认证工程师的工作带来很大麻烦。
在设计阶段,如果时钟源的封装和频率选择适当的话,以后的改进就可以更加灵活。即使设计完成后,也总是存在一些需要采取一定滤波或屏蔽措施的重要位置。如果需要采取的措施不过是放慢一两个特定网络的上升时间,这往往属于其他方面的问题,不属于我们此次的讨论范围。但是,如果EMC工程师发现在若干更高的谐波频率处分布的能量已经超过管理机构规定的限度10dB,那么就必须暂缓生产,直到满足电磁兼容性规定为止。如果发生了这种情况,有三种解决方法:重新设计以减少EMI;将每个影响兼容性的网络结构过滤和屏蔽掉;或者换用不同的电路元件,采用EMI很低的时钟振荡器。
SSC技术利用了如下的现象:频率调制载波的峰值功率要比非调制载波的低。对载波进行频率调制,就可以把能量分散到更宽的频率范围上,从而减少了任何一个频率上分布的能量峰值。如果在一台频谱分析仪上对一个经过调制的时钟信号和一个未经调制的时钟信号进行比较,就会发现前者及其谐波频率处的信号相对峰值强度较低。时钟信号能量的相对强度以dB为单位表示。让基本时钟信号以一定速度来回扫频的话,就可以降低峰值能量。扩展后的频谱越宽,峰值功率的降低幅度就越大。要确定某项应用需要扩频的幅度,可使用下述简单公式计算出所需的dB降幅。该公式假设用户采用了一路占空比为50%的理想时钟信号,只能预测出奇数次谐波上EMI减小的幅度。
dB降幅的计算:
公式中F为频率,单位是MHz,BW是总的频率扩展幅度百分比(2.5%=0.25)。
dB=6.5 + 9(Log10(F)) + 9(Log10(BW))
时钟频率分别是96和480MHz、扩展幅度为2.5%时,计算的dB理论降幅为:
dB @ 96 MHz (基频) = 6.5 + 17.84 - 14.4 = 9.92
dB @ 480 MHz (5次谐波) = 6.5 + 24.13 - 14.4 = 16.21
公共管理机构规定了射频能量辐射的上限,不为人们所需要的射频能量则被认为是能影响本地接收设备(如电视、收音机、手机和寻呼机)的电磁干扰。
美国的联邦通信委员会(FCC)等管理机构,一般要根据对应的电压、距离和频率等参量对辐射信号能量作出规定。FCC对两类辐射情况作出了规定:A类和B类。A类标准的规定是针对那些用于商业、工业或运营等方面、而并非用于普通公众或家庭的数字装置。B类标准的规定则是针对那些家庭、但也可能在其他场合使用的数字化装置。B类标准比A类标准更难以满足。
表1列出了FCC规章制度中第15节所允许的电压水平(对于A类距离规定为10m,对于B类距离规定为3m):
如果被测设备的辐射超出了这些极限值,那么必须将其减小到规定范围之内。把EMI降低到规定的极限值以下一点仍然不够保险,因为很难确保制造过程或环境的变化不会引起能量辐射的小幅增长。多数公司都要求留有一定的安全裕量,以确保器件性能即使在制造工艺或环境条件发生变化的情况下也始终能符合管理机构规定。举例来说,在特别重要的5倍谐波频率处,如果超标的幅度达10dB,则降低这一辐射能量将非常困难,而公司往往还要保证4dB的安全裕量,这加大了实现的难度。
用低EMI的时钟振荡器来替代初始时钟源,是从根本上大幅度降低EMI最有效的方法。仅是将初始时钟源改成低EMI时钟振荡器,96MHz时钟信号的5次谐波能量就降低了15.5dB以上,见图1。
ASSM、ACSH、ACSO和ASSL等类型的低EMI时钟振荡器,在3.3V和5.0V电源供电的情况下可以在4MHz~128MHz的频率范围内工作,而且工作温度范围符合商业或工业使用标准。产品的应用面很宽,包括汽车、医疗、工业控制、计算机外设(打印机、扫描仪、复印机)及其他一切要求低EMI时钟源的解决方案.
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