擴展調(diào)制技術(shù)改善EMC性能的原理

 

擴頻調(diào)制技術(shù)能夠有效的降低EMI騷擾水平。下面用一個40MHz的時鐘信號舉例說明其原理。

 

該時鐘信號未經(jīng)調(diào)制時，在時域上的波形為圖1（a），在頻域上的波形表現(xiàn)為（基波加諧波）圖1（b）：

 

（a）40MHz時鐘信號的時域波形

 

（b）40MHz時鐘信號的頻域波形

圖1：40MHz時鐘信號的時域和頻域波形

 

該時鐘信號經(jīng)過擴頻調(diào)制后，時域上和頻域（基波加諧波）上的波形分別變?yōu)椋▓D2（a）和（b））：

 

（a）40MHz時鐘信號擴頻后的時域波形

 

（b）40MHz時鐘信號擴頻后的頻域波形

圖2：40MHz時鐘信號擴頻后的時域和頻域波形

 

從這幾張曲線來看，時鐘信號經(jīng)過擴頻之后，時域上的波形變?yōu)榱藢捳坏鹊姆讲ǎl率也不再是單一的數(shù)值，而是一個范圍（例中調(diào)制后的頻率范圍變?yōu)?9M~41MHz）；在頻域上，頻譜也不再是孤立的峰，而是變?yōu)榻咏菪蔚囊粋€形狀。

 

一個時鐘信號經(jīng)過擴頻調(diào)制后的波形通常如圖3所示。由于擴頻調(diào)制后的時鐘信號頻率變得不再唯一，上升和下降沿的產(chǎn)生時間也在一個短的時間范圍內(nèi)變得隨機。這個特定的時間范圍是可控的。擴頻調(diào)制技術(shù)就是通過將集中在同一頻率帶的頻譜分散到更多的頻帶，以降低原來固定頻率時的騷擾電平。

 

圖3 時鐘信號擴頻后的時域波形圖

 

擴頻調(diào)制的結(jié)果就是使得信號的頻譜帶寬變寬，使被測設(shè)備的騷擾在較寬的頻譜上均分，通過這種途徑來使其通過EMC測試。接收機的分辨率帶寬一般保持不變，當(dāng)騷擾的譜線變寬后，這時一部分能量就落在了分辨率帶寬以外，從而測量值也相應(yīng)變小。采用擴頻調(diào)制，通常可以使被測設(shè)備的騷擾水平顯著降低6~20dB之多。但是需要注意的是，它并不改變整個頻率范圍的騷擾能量。

 

采用擴頻調(diào)制技術(shù)解決EMC問題的整改案例

 

某企業(yè)生產(chǎn)的具有TV接收功能的便攜式DVD產(chǎn)品，需要通過CE認證，在進行輻射騷擾場強測試時騷擾超標(biāo)。測試曲線（水平極化）如圖4所示：

 

圖4 帶TV功能的便攜式DVD輻射測試初測曲線

 

從圖中可以看出，該產(chǎn)品超標(biāo)嚴重。由于被測樣機是便攜式產(chǎn)品，內(nèi)部空間極小，且樣機采用塑料外殼，換上噴涂了導(dǎo)電漆的外殼后，輻射測試仍然不合格。但是從輻射測試曲線上看，超標(biāo)頻點多為樣機內(nèi)部時鐘頻率的諧波，企業(yè)于是決定采用擴頻調(diào)制技術(shù)。

 

企業(yè)采用了某芯片廠家生產(chǎn)的型號為PCS3P7303AG的擴頻IC，其主要性能特點有：它是一款多功能的抑制EMI的IC，既可以輸入來源于晶振的時鐘信號，也可以輸入一個外部參考時鐘信號；頻率輸入和輸出范圍都是10MHz~80MHz；具有頻率選擇功能；提供可選的擴頻調(diào)制工作模式，由外接電阻進行控制。

 

由于PCS3P7303AG具有以上特點，它特別適用于對晶振時鐘的擴頻處理。PCS3P7303AG的引腳定義如下（表1）：

 

表1 PCS3P7303AG的引腳定義

 

企業(yè)采用了IC廠家推薦的典型的外接電路，該電路原理圖如圖5：

 

圖5 典型的外接電路

 

企業(yè)在該電路加了解碼板27MHz晶振的輸出端，以實現(xiàn)對晶振時鐘的擴頻調(diào)制。另外，由于企業(yè)用的是MTK公司的解碼方案，該方案本身帶有擴頻功能，可以對主芯片和SDRAM的通信時鐘121.5MHz進行擴頻調(diào)制，企業(yè)整改時也打開了這個功能。

 

改板后重測的輻射曲線為圖6（水平極化）：

 

圖6 采用擴頻調(diào)制技術(shù)后的輻射測試曲線

 

重測的結(jié)果雖然仍舊不合格，但是和之前的測試曲線相比，已經(jīng)發(fā)生了明顯的改善。在對例如162MHz等這些晶振的諧波頻率進行單點測量時，也可以明顯的看到擴頻后頻譜發(fā)生的變化。在這個測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，企業(yè)又加上了濾波技術(shù)，最終使樣機順利通過測試。濾波不是本文重點，相關(guān)的整改措施就不列出。

 

擴頻調(diào)制技術(shù)的特點

 

專用的具有擴頻調(diào)制功能的IC現(xiàn)在主要用來處理晶振這種時鐘源，而對于主芯片發(fā)出的時鐘，由于加入擴頻時會產(chǎn)生時序問題，目前還用的不多。本文中的PCS3P7303AG型擴頻IC，主要用在便攜式DVD、數(shù)碼相框、電子閱讀器和手機等數(shù)碼設(shè)備上。對于液晶電視機和液晶顯示器這一類產(chǎn)品，由于主要的方案商（M-STAR和MTK等）都在各自的芯片中加入了擴頻調(diào)制功能，如果實際測試中需要進行擴頻處理，只需在軟件中輸入口令打開這一功能即可。對時鐘進行擴頻調(diào)制后，有可能會影響到產(chǎn)品的一些性能指標(biāo)，但只要擴頻IC外圍電路的參數(shù)選擇合適，還是可以將其對產(chǎn)品的影響控制在最小范圍。

 

擴頻調(diào)制技術(shù)利用了測量接收機在工作方式上的“漏洞”，但是目前全球范圍內(nèi)都接受了這種方法。擴頻調(diào)制技術(shù)在對干擾的處理效果上與濾波技術(shù)有點類似，但是原理上與濾波技術(shù)又有很大的差別，兩者的對比如下：

 

擴頻調(diào)制技術(shù)的效果僅僅是使被測設(shè)備容易通過EMC測試，在整個頻率范圍內(nèi)，騷擾能量并沒有發(fā)生改變。濾波技術(shù)是將不需要的能量濾掉，以此來降低干擾的幅度。

 

擴頻調(diào)制技術(shù)未改變脈沖的上升/下降沿，而濾波技術(shù)通常是延緩了脈沖的上升沿，從而降低高次諧波分量。

 

濾波技術(shù)通常使用的是低通濾波，也就是僅濾掉較高次的諧波，而擴頻調(diào)制技術(shù)對低頻甚至對基波都有降低騷擾幅度的作用。

 

小結(jié)

 

本文討論了擴頻調(diào)制技術(shù)在EMC整改中的應(yīng)用。作為一個新的技術(shù)，擴頻調(diào)制目前已經(jīng)在EMC中有了很多的應(yīng)用場合，除了文中介紹的處理晶振時鐘的擴頻IC，現(xiàn)在已經(jīng)有針對開關(guān)電源開關(guān)頻率進行擴頻處理的擴頻IC，和針對某一具體產(chǎn)品而開發(fā)的擴頻調(diào)制模塊，例如針對D類功放內(nèi)部工作頻率的擴頻調(diào)制器等等。可以說，在時鐘頻率越來越高的今天，擴頻調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用，給解決EMC問題提供了一條嶄新的思路。

 

本文轉(zhuǎn)載自韜略科技EMC，作者：郭遠東

 

 

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