如何通過一個電容解決時鐘輻射超標問題？

一引言

在電磁兼容的輻射發射測試中，最常見的就是時鐘輻射超標，隨著系統設計復雜性和集成度的大規模提高，電子系統的時鐘頻率越來越高，處理的難度也越來越大。時鐘輻射的癥結在于，時鐘信號對應的頻域為窄帶頻譜，能量比較集中，在數據上體現為離散的有倍頻特性的頻點，而高頻信號本身就很容易通過各種方式對外輻射。本文將結合具體案例分享如何通過一個電容解決時鐘輻射超標問題，并提出面對時鐘超標問題時可行的措施。

二案例背景

客戶的一款掃地機器人在做輻射測試時，出現750MHz頻點數據余量不足的情況，希望針對這個頻點進行優化。簡要的電路架構如下：

以下是通過韜略實驗室復測后的其中一個實驗數據：

從數據可以看出，750MHz這個頻點確實比較高，前后離散分布的其他頻點的頻率差為50MHz，說明產品上存在以50MHz為基頻工作的電路模塊。

三整改過程與對策

1.查找源頭 利用頻譜儀進行排查，通過近場探頭掃描發現定位到模塊R16到WIFI芯片的時鐘信號WL-SDIO-CLK的時鐘頻率剛好就是50MHz，其他模塊沒有這個頻點。

2.輻射路徑判斷

除了時鐘信號線WL-SDIO-CLK測得到50MHz的時鐘倍頻，通過探針探測，發現R16到WIFI芯片的數據信號線也能測到這些時鐘頻點，初步判斷噪聲源頭為R16到WIFI的時鐘信號，并耦合到數據通信信號。

3.整改過程

通過RC對時鐘線和信號線進行濾波處理，越靠近R16芯片端越好，實際由于PCB布板空間問題，所以一開始只對時鐘線做濾波處理，電容用100pF，主要考慮該電容的諧振頻率點在1GHz左右，對750MHz頻段可以起到較好的效果。

效果如下：

頻率向更高的800MHz移動，考慮到拆裝機的影響，說明只對時鐘信號處理并沒有起到很好的效果。后嘗試對信號線加56pF電容濾波，數據如下：

可以看到，對800MHz及之前的頻點有效果，但對850MHz這個頻點并沒有很好的改善效果。受空間限值，如果要針對時鐘信號和數據信號走線做優化走線和濾波處理，需要配合改板，將濾波電容位置靠近R16芯片端，預留位置做RC濾波。

4.嘗試查找是否存在其他輻射路徑

利用近場探頭再仔細探查，主要針對排線和PCB板之間的信號連線，因為這些都是比較常見的輻射路徑。通過排查，發現如圖所示信號線有50MHz的倍頻點：

通過頻譜探針進一步確定，信號引腳UART2_RX作為R16芯片與雷達模塊的信號通信接口，耦合到了高頻時鐘噪聲，成為了輻射天線之一，通過將該引腳對地加100pF電容濾波，結果如下：

從數據可以看出，高頻段的噪聲頻點都沒有了。

最終的整改措施只在UART_RX引腳處對地加100pF電容，整改用到的設備和器件有：頻譜儀，近場探頭，探針，電容。

四總結

本次整改只用一個電容便解決了高頻時鐘輻射問題，但整改過程卻有很多值得反思總結的點，通過反思本次整改過程，針對時鐘問題可供參考的經驗總結如下： 1.時鐘問題根源思考 高頻時鐘及其倍頻容易出現以下幾個問題： （1）通過信號本身PCB走線或信號環路形成對外輻射的天線； （2）串擾到靠近時鐘線的走線； （3）耦合到排線，排線又是時鐘輻射的良好天線； （4）最不好處理的，是在芯片內部串擾可能就已經發生，導致芯片IO口都帶有高頻信號噪聲。 2.輻射路徑排查思路 （1）通過測試數據，可以大致判斷超標頻率的基頻； （2）如果基頻跟電路已知工作頻率一致，可以快速對該電路進行驗證； （3）可以通過頻譜儀，結合近場探環和探針，鎖定時鐘源頭。 3.處理與驗證 通常越靠近源頭處理效果越明顯，措施也會相對較少。 （1）直接對時鐘進行展頻處理，目前常見的展頻手段有軟件展頻和通過硬件電路展頻，硬件電路展頻可以了解韜略科技的產品：展頻IC和展頻晶振； （2）在設計階段，對時鐘走線做包地處理，通過走線屏蔽減少其對外輻射和串擾的能力； （3）整改階段，需要先排查噪聲源頭，同時也要盡量評估所有可能成為輻射天線的走線和排線，避免陷入對某個問題點反復驗證，卻不盡人意的死循環之中。

審核編輯：劉清