數字IC電源、時鐘、接口相關的濾波設計

0前言

本文為EMC小知識學習簡筆系列的第三篇，前文EMC小知識學習簡筆（二）介紹了EMC三要素、插入損耗及電源濾波相關案例，本文主要介紹數字IC電源、時鐘、接口相關的濾波設計。

1數字電源濾波

本文的數字電源特指給數字芯?供電的電源，通常把較高的電壓降低到1.8V/3.3V等電壓。數字電源往往電壓?較低，并且電源引腳較多，因此?般使?電容濾波。電容濾波?/?容值配合使?，?電容儲電（uF級別），?電容?頻濾波，每個電源管腳?個，容值由濾波頻率決定（?般?頻取1nF、100pF，低頻0.1uF）。 儲能電容與高頻電容配合使用，下圖中間波?是反諧振點，由電路寄生電容&電感諧振導致，此頻率附近的濾波效果最差，如果造成了影響，就需要考慮增加該頻率附近的電容。

在數字系統中，電源分配系統(PDS，Power Distribution System)的質量直接影響著信號的質量。電源噪聲表現為同步開關噪聲(SSN)、地電彈噪聲(GroundBounce)和回流噪聲等，它直接影響著系統的噪聲容限和信號的時序。 電源分配系統設計的關鍵是控制電源的目標阻抗。設計主要考慮的問題有：PCB 疊層方案、濾波電容的選擇和放置、電源分割、連接器的選擇等等。PCB 板上的電源分配系統由電源模塊、電源地平面、各種電容組成。它們分別在不同的頻率范圍內作出響應：

電源模塊響應的頻率范圍大約是從直流到kHz；

大的電解電容提供電流并在kHz 到 MHz的范圍內保持較低阻抗；

高頻陶瓷電容在MHz 到百 MHz的頻率范圍內保持較低阻抗；

PCB 板上的電源地平面對則在100MHz 以上發揮重要作用；

尺寸小的電容 (如 0603 封裝)寄生電感較小，容值也小，因而其諧振頻率較高，在高頻情況下阻抗較低，常被用來減小 EMI 和回流噪聲。尺寸較大的電容（如電解電容），可以提供比較大的電流，然而其諧振頻率不高，這使得它的應用受到很多限制。 為了得到比較大的電容和較高的諧振頻率，可以把幾個小電容并聯在一起 (N 個電容并聯后，其容值為 NxC，電感為 L/N，諧振頻率不變，ESR 減小為 R/N)。案例：SDRAM電源濾波不?，EMI測試不通過。 某產品進行歐洲 CE 認證，EN55022 空間輻射項目測試超標，導致產品不能認證上市。分析頻譜發現主要是240、360、480、600、720MHz超標，超標頻率是120M的倍頻。

?擾源：數字電路時鐘（SDRAM 120MHz）。

耦合路徑：外接線纜（主要通過電源或地耦合）、PCB?線環路。

解決問題的主要思路是降低干擾源影響，同時在接口增加濾波電路，減弱耦合途徑的效率。

接口處理：接口是主要耦合路徑，因此信號端口需要進行濾波，主要是磁珠 +電容方式，磁珠選取 600R/100M，電容選擇了 200PF。

原理圖改進：SDRAM 時鐘是干擾源，在匹配電阻后增加了對地濾波電容，取 10PF 左右（根據干擾頻率決定）。同時增加電源管腳電容，容值取220pF。

PCB 改進：SDRAM 與 CPU 接口連接走線跨分割，地環路面積大，改進后的電容靠近電源引腳放置，IC下方地平面完整。

2 時鐘濾波設計

時鐘信號也是干擾常見的源頭之一，下圖分別是時鐘信號對時域和頻域產?的影響：

周期信號的傅里葉級數展開式為：

從公式中可以看到周期信號會有基頻的奇次諧波分量（如1 3 5 ...），這是因為偶次諧波剛好被0相乘了。 但我們有時候也會看到偶次諧波，這往往是因為信號的上升/下降時間不一致，導致在頻譜中看到偶次諧波，下圖是利用LTspice完成的仿真對比，有興趣的讀者可以點開”電路原理圖仿真工具2-LTspice仿真介紹“了解。

下圖是有源晶振濾波電路的一個簡單例子：

晶振的供電使用了磁珠+電容的組合，輸出時鐘增加了RC濾波。電阻通常采取 22R/33R/47R，有些低頻時鐘可以用磁珠替代。電容根據時鐘頻率選取，頻率越高，電容值越小，一般100M 時鐘選取 5pf 電容濾波，50M 時鐘可以選取 22pf 電容濾波。 另外，建議設計時單板上 CLK 信號預留阻容濾波設計，最差情況是電容不焊接，電阻采取 0 歐姆替代。

3接口濾波設計

電子產品經常通過電纜對外通信，但電纜往往帶來電磁兼容問題，主要原因是電纜可以傳導電磁干擾，同時可以作為天線，接收和發射電磁干擾。 電子產品的電纜長度從幾十厘米到幾公里不等，可以在特定的頻率進行發射與接收電磁干擾信號。當天線的長度接近無線電信號波長的 1/4 時，天線的發射和接收轉換效率較高，受到的干擾也較大。頻率和波長的關系（λ=c/f）如下：

電纜干擾定位： 當遇到產品 RE 測試超標問題時，直接拔掉電纜的方式是最方便快捷的。如果發現確實是電纜導致超標，可以嘗試在電纜上施加屏蔽接地等措施以外，另外在接口處采取濾波措施也是重要的手段。 1）針對內部干擾，通過電容等方式形成干擾信號的低阻抗通路，阻止其跑到外部。

2）針對外部干擾，一邊是使用磁珠形成高阻抗通路，一邊是將外部干擾通過機殼泄放到地，阻止其進入內部，右圖是最完整的方案。

通信接口一般分為非差分接口和差分接口：

非差分接口通過公共地回流，比如232、PS2、VGA信號，通常使用電容+磁珠+電容的方式進行濾波（高速時使用串阻代替磁珠），通常不使用共模電感。

差分傳輸的特征是兩根線束傳輸信號，兩個信號振幅相同，相位相反，電流?向相反。典型的差分接?：485、CAN、HDMI、USB、LVDS、以太?等。通常采用共模電感濾波（例如USB、HDMI等都有專用的共模電感），中低速可以使用電容。

備注：

磁珠：確保對正常信號?作頻率的阻抗<50R，濾波頻率??MHz?1GHz，更?的頻率就只能?電阻了，有些磁珠可以過?電流。

電感：濾波頻率KHz?100MHz，電感的額定電流通常會較?。

審核編輯：彭菁