汽车电子硬件设计时钟信号EMI降低方法

电磁干扰 (EMI) 是外部源对电路造成的不利干扰。EMI可以分为传导或辐射。传导EMI 是由寄生阻抗、电源和接地连接引起的一种传导耦合。辐射 EMI 是来自无线电传输的无用信号的耦合。本文主要讨论了如何通过频率规划和印刷电路板 (PCB) 设计尽量减少时钟器件产生的辐射 EMI。  

在为 EMI 敏感应用设计PCB 布局时，最好实施一种经过优化的初步设计，以实现最佳 EMI 性能。本文讨论了这些布局策略以及如何充分利用时钟信号特性来实现最佳 EMI 性能。  

输出建议  

1. 差分与单端  

时钟波形往往具有非常高的转换率。无论是在输出频率还是在后续谐波中，这种剧烈的电压变化都容易导致较大的 EMI 尖峰。例如，25MHz 可能在 25MHz、50MHz（第 2 个谐波）、75MHz（第 3 个谐波）处产生EMI 杂散，以此类推。在生成这些输出的同时谐波是无法避免的，因此，选择正确的输出类型有助于降低杂散的功耗。  

使用差分输出类型（例如 LVDS 或 HCSL）就是最佳状况。差分信号同时使用 P 布线和 N 布线，每条布线的相位差为 180 度。当P 为高电平时，N 为低电平，反之亦然 (图1)。此外，从时钟发生器到终端器件之间，差分信号在整个 PCB 上的布线非常靠近。这种模式和较短的距离能有效地将单条布线的 EMI 影响降至最低。  

图1. P 和N 布线  

我们可以将相同的方法用于单端输出类型，例如 CMOS。与差分信号不同，单端输出类型没有相同的 P 和 N 关系；通常仅使用P 布线或 N 布线。但是许多时钟器件可以通过单个输出通道块产生两个彼此相位差为 180 度的单端信号。我们可以通过尽可能接近的模拟差分信号，让这一点给我们带来益处。按照差分对布线可实现出色的 EMI 性能。如果仅使用 LVCMOS 对的其中一条，则进行两条布线，尽可能靠近接收器终止不使用的一条布线。如果 LVCMOS 对用于两个不同的接收器，请制定频率计划和 PCB 布局，以便尽可能按照差分方式对时钟对进行布线。  

图2. 差分对对称  

使用 CMOS 时，考虑布线长度也很重要。这种输出类型的布线越长，需要的功率就越大，继而产生更大的 EMI输出杂散。无论是差分输出还是单端输出，最好尽可能使用低功耗输出类型，例如，使用 LVCMOS 而不是CMOS，或使用LP-HCSL 而不是 HCSL。  

2. 压摆率  

转换率是指电压电平的变化率。时钟信号通常是方波，与其他类型的信号相比，转换率通常更快。电压电平快速变化，导致电路中出现电流浪涌，从而产生 EMI 尖峰。为了减轻这种影响，CDC6C 之类器件采用了转换率控制（也称为可调节上升或下降时间）。降低转换率可减少电流浪涌，从而降低功耗 EMI 尖峰。  

3. 扩频时钟  

展频时钟 (SSC) 是缓解这种 EMI 来源的最常用策略。SSC能够通过以受控方式改变频率来降低数字时钟信号的峰值振幅，从而将能量分散在频域中。然而，这不会影响时域中的时钟振幅。中心展频 SSC 将能量均匀分散在目标频率的任一侧。向下展频 SSC 仅将能量分散到目标频率以下的频率。两种 SSC 强度可能会有所不同。图3显示了0 %（蓝色）、±0.5%（绿色）、±1%（青色）和±2%（红色）中心展 SSC 的结果。  

3. 100MHz 输出，具有 0%、 ±0.5%、 ±1% 和±2 % SSC  

展频通过将窄带信号转换为宽带信号，以将能量分散在多个频率上，从而降低 EMI 的影响。在开关稳压器中，振荡器设置的开关频率在操作下可降低峰值能量，并分布到其他频率及其谐波。图4说明了随时间操作时钟频率如何分散开关电源生成的能量。  

图4. 展频频率调制降低EMI  

有多种方法可实现展频；也可通过不同的技术来实现，例如三角模拟抖动、假随机、自适应随机展频 (ARSS)、双随机展频 (DRSS) 及许多其他技术。其中每种技术通常在低频率或高频率下更有效。请注意，EMI 总能量没有变化，因为没有衰减。而展频技术会改变传导和辐射干扰功率谱的形状，从而降低峰值发射水平。  

PCB 设计  

1. 堆叠  

为了最大限度降低 EMI，请规划PCB 堆叠，使时钟信号和电源布线采用带状线 (图5)。使用接地环绕这些高能源有助于进行现场抑制。图5 显示了一个 8 层堆叠的示例。该示例使用第 1 层、第3 层和第 6 层进行电源和信号布线，并用接地平面环绕其中每一层。虽然仅使用这种堆叠并不能完全包覆住布线，但的确可以覆盖大部分表面区域，有助于限制辐射EMI。  

图5. 展频频率调制降低EMI  

图6. 8 层PCB 堆叠示例  

除了层顺序外，还必须考虑材料特性对布线阻抗的影响。布线宽度和堆层叠必须确保和所用输出类型的布线进行正确的阻抗匹配。例如，LVCMOS 通常需要 50Ω 布线阻抗，而 LP-HCSL 通常使用 85Ω 或100Ω。当器件和信号层未实现阻抗匹配时，其过渡可能会导致较大的 EMI 杂散。大多数 PCB 软件和制造商都提供工具，可以协助完成此过程。如果使用过孔将时钟布线走线到不同的层，还必须要考虑过孔阻抗。  

2. 电源滤波  

频率在电源平面上耦合和辐射，是一种常见 EMI 来源。如果需要 CISPR-25 认证，这一点尤为重要，因为天线测量是通过器件的电源线进行的 (图7)。  

图7. CISPR-25 设置  

使用去耦电容器是在电路中产生纯净电源的主要方法。电容器在连接到直流电源后存储能量，因此如果电压从标称值波动，电容器内存储的能量会释放并输送到负载。这会拉平总电压，保持电源稳定并减少 EMI 杂散。  

去耦电容器的常见值为 0.1uF 和 1uF；但是，这些值无法滤除每个频率。电容器的内部电阻有限，且具有电阻和电感特性。发生谐振以及容抗和感抗相等的频率称为自谐振频率 (SRF)。在该频率处，电容器阻抗变为零。在我们希望对电源进行滤波的频率处，我们需要去耦电容器的阻抗尽可能低。  

3. 避免产生瓶颈  

如上一节所述，电源平面和接地平面可以作为强大的 EMI 辐射源。PCB 设计中的一个常见错误是在电源和接地布线中造成瓶颈。当功耗大量强制集中在一个较小的区域时，就会出现瓶颈。  

在以下各图中，红色箭头表示较大的功耗集中，绿色箭头表示较小的功耗集中。  

在图8 中，VDD 布线变为较窄的布线。其中，两处连接是瓶颈。该区域大量集中了电流，可充当 EMI 天线，如红色箭头所示  

图8. 窄电源布线  

在新布局中(图9)，利用的是整个平面而不是单条布线，这降低了任何给定点的功率集中，如绿色箭头所示。  

图9. 更宽的电源布线  

4. 战略性过孔布置  

4.1 分散功耗集中  

任何大量功耗集中都可能导致 EMI 杂散。虽然节 3 中讨论了功耗集中和布线宽度，但 PCB 的其他区域也会出现大量功耗集中的情况。过孔和无源器件在连接点往往具有这类更高程度的功耗集中。例如，如果过孔明显小于布线宽度，这种过渡可以充当 EMI 天线。同样，较大的无源元件焊盘连接到宽度较小的布线或两个平面之间的过渡，可能具有相同的效果。  

穿过过孔布线会造成电流干扰，可能导致 EMI 尖峰。然而，如果过孔明显大于布线宽度，则会产生更突兀的过渡（图10）。这种更突兀的过渡可以充当天线，产生更大的 EMI 杂散。穿过过孔布线时，布线宽度应略大于过孔（图11）。  

图10. 采用窄布线穿过接地过孔的无源器件  

图11. 采用较宽布线穿过接地过孔的无源器件  

较大的无源元件焊盘连接到宽度较小的布线，也可以是 EMI 尖峰的来源 (图12)。连接无源器件时，布线宽度要与焊盘尺寸相匹配。同样，在两个平面之间连接网时，使用几个过孔更均匀地分散能量 (图13)。这对于电源网和接地网尤其重要。  

图13. 大型无源器件和较少的过孔  

图14.大型无源器件和很多过孔  

4.2 屏蔽和拼接过孔  

在 PCB 设计中，降低 EMI 的常用方法是使用穿孔拼接和屏蔽过孔。拼接是指使用散布在整个电路板上的通用接地过孔模式。根据设计需求，每个过孔之间的间距可以变化。这些过孔将 PCB 的接地平面连接在一起，为电路形成一个稳固的整体接地。额外的接地还用于进一步环绕电源平面或布线，有助于现场抑制 (图15)。在电路中提供稳固的接地是降低 EMI 的最有效方法之一。  

图15. 利用过孔实现带状线堆叠  

妥善做法是在连接点布置一个额外的接地过孔 (图16)。连接点可以是布线连接到另一元件的任何位置，例如过孔或无源器件。额外的过孔可实现更短的接地路径，减少电感和 EMI。  

图16. 带有接地过孔的电阻器（靠近布线连接点）  

屏蔽也利用接地过孔。但是，屏蔽过孔不会散布在整个电路板上，而是沿信号布线布置 (图17)。这些过孔可以帮助滤除某些频率。对于较低的时钟频率，以波长的 1/20 将一组过孔隔开；对于较高频率，以波长的1/10 将其隔开。虽然这种方法优先处理带状线相关的布线，但使用通孔过孔可能和使用拼接过孔有着类似的效果，可以加强电源平面的整体接地和带状线部分。  

图17. 带有屏蔽过孔的时钟布线  

尽量减少可能使用的天线数量  

1. 残桩  

电路中的任何残桩都可能成为天线，而 PCB 表面的残桩在顶部没有额外接地层来实现场抑制。元件焊盘（尤其是DNP 焊盘）是常见的残桩示例。最好在顶层实施接地覆铜以环绕元件周围并将接地平面作为第二层来减少影响。  

2. 网络覆铜  

在PCB 顶层形成接地覆铜时，自动化软件有时可以在元件之间形成接地手指(图18)。这些手指可以通过切断接地覆铜清除 (图19)。  

图18. 接地手指  

图19. 接地手指已清除  

同样，检查网络覆铜的边界是否平滑。覆铜中存在的任何毛刺都会导致电流阻滞和辐射。  

图20. 带有毛刺的电源覆铜  

总结  

PCB布局是影响系统 EMI 性能的主要因素之一。在设计电路板时，它是（通过电容器和铁氧体磁珠）保持纯净电源并（通过额外的接地过孔）维持稳固接地的关键。PCB 层堆叠和布线布局也可以进行优化，以提供额外的接地屏蔽和平滑的功率流。可以使用不同的设置（如 SSC）进一步降低 EMI 发射。