基于时钟扩频技术的行车记录仪EMI抑制的设计与应用

本文介绍了时钟扩频技术的原理、分类,结合它在摄像头的具体应用案例,与传统emi抑制手段的实际效果进行对比,突显时钟扩频技术在抑制时钟emi上的优势。目前，时钟扩展频谱技术被广泛使用在图像采集、图像显示及汽车电子等行业。
一、引言
时钟是电磁干扰能量的主要来源之一，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；以前传统的诸如屏蔽，滤波等emi改善措施的应用已变得越来越困难，这促使设计工程师去探索更可行有效的方法来减少时钟能量发射，而扩频时钟的适时出现则恰如其分的解决了这个问题，并从源头上——系统时钟处控制和减少了emi发射强度。目前，时钟扩展频谱技术被广泛使用在图像采集、图像显示及汽车电子等行业。
二、原理
扩展频谱技术通过对尖峰时钟进行调制处理，使其从一个窄带时钟变为一个具有边带谐波的频谱，将尖峰能量分散到展频区域的多个频率段，从而达到降低尖峰能量，抑制emi的效果。
根据调变讯号的频率范围，扩展频谱技术主要有向下展频、中心展频、向上展频三种模式，目前在抑制emi上都是采用中心展频，中心展频保证了更准确的平均频率。
1、未调制周期正弦信号的时域和频域图如下：
图1 未调制正弦信号的时域图
图2 未调制正弦信号的频域图
2、采用扩展频谱技术对正弦信号进行调制，将信号能量扩展到一个比较宽的频
率范围上，经过扩展后正弦信号在时域与频域图如下：
图3 经过扩频技术对正弦信号调制后时域图
图4 经过扩频技术对正弦信号调制后频域图
3、使用扩展频谱技术后实际效果图
图5 使用扩频技术前后实际效果图对比
（1）扩展率用d表示，用来衡量时钟扩展的深度，是频域的扩展，频率扩展范围用δf表示，扩展前时钟频率用 fc表示，δf计算方式为
δf= fc·d·100%
假设经过扩频时钟调制后，谐波频谱的的百分比相当平坦，峰值能量抑制近似如下
式中assc(i)—经过扩展时钟调制后的时钟i-th谐振幅；
aclk(i)—经过扩频时钟调制前的时钟i-th谐振幅；
rbw—测量电磁干扰能量的频宽。
因此，抑制i-th谐波的电磁干扰的计算如下
assc(i)·（db）=aclk(i)·（db）-10㏒10(fc·d·100%/rbw)
上述公式表明，时钟频率越高，展频降幅效果越好；相比于低次谐波，时钟的高次谐波展频的降幅效果更好。
三、扩展频谱技术产品的优点和应用
1、优点
（1）降低成本
①减少屏蔽材料的使用，简化工艺，节省人工成本；
②减少对地线要求。确保所有数据和时钟信号返回的地线产生电磁干扰发射满足测量要求很难。一种解决方案是增加接地层，但是这样便增加了电路板的成本。然而，扩频时钟技术既可以抑制电磁干扰，又可以降低对地线的要求。
（2）灵活性。系统可以设计成非扩频时钟与不同比例的扩频时钟，可以通过外围参数自由切换。
（3）全系统电磁干扰抑制。其他电磁干扰方法，如滤波、接地、屏蔽方法，可以在特定位置使用，从而减少特定位置的电磁干扰。与此相反，增加扩频时钟，可以减少所有与时钟同步的信号的电磁干扰。
2、应用
a类：时钟源头晶振上的应用
图6 扩频ic使用在主时钟上示意图
图7 扩频ic使用在主时钟电路图
说明：以联咏nt96650bg方案的行车记录仪为例，在主时钟24mhz上增加扩频ic后，对于从主时钟分频或倍频出来的ddr时钟、sd-card时钟、摄像头时钟、屏时钟等都能得到相应扩频，让emi得到抑制。
b类：clk单线上的应用（以sensor的mclk为例）
图8 扩频ic使用在单线时钟上示意图
图9 扩频ic使用在单线时钟电路图
说明：以安霸a7的ip camera为例，因结构所限，摄像头与dsp一般处于不同的两块pcb，中间用电缆连接，因此摄像头的emi问题一般是ipc辐射发射处理的难点。在mclk增加扩频ic，既可以抑制mclk的谐波，同时pclk也是基于mclk时钟产生，因此pclk的谐波也能得到相应的抑制。
四、案例
某行车记录仪采用安霸a7的方案，同时配置镁光ar0331的感光芯片；要求通过en55022 class b辐射发射测试标准，测试时用12v电池给其供电，没有外接其他配件，测试数据超标严重，具体测试数据如下：
图10 行车记录仪为做处理测试数据图
数据分析（只列举了比较差的水平方向）：该产品在30-1000mhz之间超标频点很多，其中168mhz超标达13.46db。
辐射源头分析：
该产品有两块pcb，包括主板和摄像头小板，两板之间用fpc排线连接。排线上有sensor的clk时钟信号，mclk时钟频率为24mhz，pclk时钟频率为48mhz，如果关闭摄像头测试，机器可以通过测试标准；而且超标频点通过测试数据分析，其中大部分都是24mhz的倍频，因此判定摄像头的mclk和pclk为主要辐射源头，整机结构如下：
图11 产品pcb连接示意图
四、整改方案
1、采用常规措施，在mclk和pclk分别靠近辐射源头串联220r的平滑曲线磁珠，对地增加22pf电容，具体如下：
图12 在clk时钟线上具体处理示意图
处理后测试数据：
数据分析：整体有一定下降，但是超标频点还是很多，尤其是168mhz还超标9.91db，效果不理想。
2、在mclk上靠近cpu增加扩频ic，pclk上不做改动，具体操作如下：
图14 在mclk上增加扩频ic实物图
处理后测试数据：
图15 在mclk上使用扩频ic后测试数据图
数据分析：效果明显，整体下降10-15db，并且频率越高效果越好，整改后可以通过en55022 class b测试标准，pk值余量超过1.6db。
六、结语
时钟扩展频谱技术在抑制时钟emi上的应用，可以在一定程度上简化emc对策，降低昂贵的屏蔽材料成本，增强产品大批量生产的一致性，因此在产品的设计初期做emc设计规划时，应考虑做好展频电路的兼容设计，以防产品在上市前因emi整改困难而焦头烂额，错失最好的市场机会！