Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Суббота, 21 сентября
 
 


Это интересно!

Ранее

Проблемы явных и скрытых энергетических потерь в светодиодных осветительных приборах

Технология лазерной маркировки материалов

Современный подход к организации контроля полупроводниковых устройств

Изделия микроэлектроники все глубже проникают в нашу жизнь, предоставляя новые возможности в различных областях: телекоммуникациях, компьютерах, системах управления и обеспечивая более комфортные условия жизни. Микроэлектронные изделия, применяемые в системах управления, сопряженных с источниками повышенной опасности (транспорт, экология, энергетика), а также в системах оборонного назначения, должны удовлетворять повышенным требованиям к качеству и надёжности. Ведь проблемы с копеечным чипом могут обернуться многомиллионными убытками или поставить под угрозу человеческую жизнь. К сожалению, за примерами далеко ходить не надо… Вопросам организации эффективного электрического контроля изделий микроэлектроники у их изготовителей и на этапе входного контроля у потребителей посвящена данная статья.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

15 июня

Снижение электромагнитных помех в системе с помощью тактовых генераторов с распределенным спектром

С увеличением быстродействия и сложности электронных устройств уровень помех, генерируемых системой, существенно возрастает, что приводит к проблеме электромагнитной совместимости приборов. В статье описаны преимущества технологии распределенного спектра тактового сигнала по сравнению с такими традиционными методами снижения электромагнитных помех как фильтрация и экранирование. Рассмотрены требования международных стандартов, регламентирующих допустимые уровни электромагнитных помех. Показано, что тактовые генераторы с распределенным спектром позволяют существенно снизить уровень электромагнитных помех и, в то же время, стоимость системы, а также сократить время выхода продукта на рынок.



Контроль электромагнитной эмиссии имеет ключевое значение при разработке системы. В современных электронных устройствах основным источником электромагнитных помех является высокочастотный тактовый сигнал.

Электромагнитные помехи и разработка системы

Для того чтобы понять, почему электромагнитные помехи так важны для FCC, выявим причины электромагнитного излучения. При протекании тока в схеме создается электромагнитное поле, величина которого зависит от частоты и амплитуды тока. Это поле излучается за пределы электронного оборудования. Любое излучение или нежелательный побочный продукт работы электрической схемы называется электромагнитными помехами.

Хорошо известно, что в процессе разработки системы анализ целостности сигнала и моделирование электромагнитных помех является сложным, требующим больших временных затрат процессом, который может быть ненадежным из-за сложности прогнозирования поведения модели. Эта ситуация ухудшается в еще большей мере с появлением каждого нового поколения устройств из-за постоянного роста частоты тактового сигнала и уменьшения питающего напряжения, что вызывает снижение допустимого уровня помех.

Источниками электромагнитного излучения могут быть различные передатчики, например, в сотовых телефонах. Однако такие цифровые системы как персональные компьютеры, КПК, принтеры и сканеры также излучают электромагнитные волны. В цифровых системах тактовые сигналы являются основным источником электромагнитных помех. Кроме того, управляющие и синхронизирующие сигналы, адресные шины и шины данных, соединительные кабели и разъемы также вносят свой вклад в общий уровень электромагнитных помех.

Двумя основными режимами электромагнитного излучения являются дифференциальный режим — результат взаимодействия локальных токовых петель между проводниками печатной платы и слоем земли, и синфазный режим — результат наведения помех на проводники от шин земли и питания за счет емкостной связи. Электромагнитное излучение увеличивается при уменьшении длительности фронта сигнала и увеличении его уровня. Генерируемые помехи ухудшают характеристики оборудования либо влияют на параметры находящегося поблизости устройства.

Методы снижения электромагнитных помех

Наиболее распространенными методами снижения излучения электромагнитных помех являются экранирование и фильтрация. Экранирование — сравнительно простой способ уменьшения помех. Оно эффективно в системах с сильным электромагнитным излучением, в которых объем, вес и стоимость не очень важны. В большинстве систем, однако, особенно в портативных устройствах, экранирование становится наименее желательным методом борьбы с электромагнитными помехами.

Разработчики широко используют фильтры низких частот (ФНЧ) для снижения электромагнитного излучения, которое генерирует тактовый сигнал. ФНЧ позволяют отфильтровать гармоники высокого порядка. Однако этот способ может быть неприменим для высокоскоростных систем, т.к. приводит к уменьшению критичных временных допусков сигналов и увеличивает вероятность появления «звона» сигнала. Основная проблема фильтрации состоит в том, что этот метод не является систематическим, т.е. снижение электромагнитного излучения в каком-либо узле системы не снижает помехи от других узлов. Из-за того, что разработчики на начальном этапе проектирования не обладают всей информацией о системе, они должны устанавливать фильтры во всех вызывающих подозрение точках, что требует затрат времени и использования дополнительной площади на плате.

С увеличением рабочей частоты эффект линий передачи и импеданса земли усиливает излучение и уменьшает длину волны, делая экранирование и фильтрацию менее эффективным.

Стандарты FCC

Федеральная комиссия по связи контролирует все коммерческие электронные устройства, продаваемые на рынке США, если они:

– используют тактовые генераторы;

– работают на частоте свыше 9 кГц;

– используют цифровую технологию обработки сигнала.

К этим устройствам относятся почти все изделия, которые содержат микропроцессор или микроконтроллер. Если источник электромагнитных помех не контролируется каким-либо путем (т.е. с использованием фильтров, экранов или модуляции распределенного спектра), то может излучаться энергия достаточно высокого уровня, вызывая нежелательные эффекты в других устройствах. Существуют стандарты, которые помогают оградить покупателей и заказчиков от проблем с их цифровыми устройствами. Эти стандарты оценивают уровень электромагнитного излучения, который в настоящее время увеличивается повсеместно. Международный специальный комитет по радиопомехам (International Special Committee for Radio Interference, CISPR) устанавливает стандарты по излучаемым и передаваемым электромагнитным помехам в каждой стране, как показано на рисунке 1. CISPR — специальный комитет Международной электротехнической Комиссии (International Electro-Technical Commission, IEC).

Рис. 1. Стандарты по электромагнитным помехам

Как указано в таблице 1, Европа, Япония, Азия и США имеют разные нормативы на уровни допустимых электромагнитных помех. Для того чтобы продавать электронное устройство по всему миру, оно должно удовлетворять нормативным требованиям каждой страны.

Таблица 1. Международные стандарты по электромагнитной совместимости

Приложения

Международные стандарты

Япония

США

Европа

Общие

CISPR61000-6-3 (для жилых и торговых зон и зон небольших производственных предприятий) IEC61000-6-4 (для производственных зон)

EN50081-1 (для жилых и торговых зон и зон небольших производственных предприятий) EN50081-2 (для производственных зон)

Компьютеры и периферия, принтеры, дисплеи и т.д.

CISPR22

Добровольный контрольный совет по помехам (VCCI), Закон по безопасности бытовых электроприборов и материалов (Electrical Appliances and Materials Safety Law)

FCC раздел 15
подраздел B

EN55022

Химическое, медицинское, радиочастотное оборудование

CISPR11

Закон по безопасности бытовых электроприборов и материалов (Electrical Appliances and Materials Safety Law)

FCC раздел 18

EN55011

Системы зажигания для автомобилей, мотолодок и т.д.

CISPR12

Японская организация автомобильных стандартов (Japanese Automotive Standards Organization — JASO)

FCC раздел 15
подраздел B

Директива о транспортных средствах с выработанным ресурсом (Directive of End of Life Vehicle, ELV)

Телевизоры, радио-/аудиотехника и т.д.

CISPR13

Закон по безопасности бытовых электроприборов и материалов (Electrical Appliances and Materials Safety Law)

FCC раздел 15
подраздел B

EN55013

Бытовая техника, портативные электроинструменты

CISPR14

EN55014

Люминесцентные лампы, системы управления освещением

CISPR15

FCC раздел 18

EN55015

FCC и другие регулирующие органы рассматривают пиковые (не средние) величины электромагнитного излучения. FCC нормирует количество излучаемой энергии по напряжению, расстоянию и частоте. Согласно требованиям FCC, излучение должно быть двух уровней: класса A и класса B (см. табл. 2). Устройства класса A — это цифровые приборы, предназначенные для использования в коммерческих, промышленных и офисных зонах, а не для широкого применения в домашних условиях. К устройствам класса B относятся цифровые приборы для дома, но, кроме того, их можно использовать везде. В общем случае, требования класса B более жесткие, чем требования класса A.

Таблица 2. Предельные значения электромагнитного излучения устройств класса A и класса B согласно требованиям FCC

Частота, МГц

Класс A (10 м)

Класс B (3 м)

мкВ/м

дБ
(мкВ/м)

мкВ/м

дБ (мкВ/м)

30…88

90

39

100

40,0

88…216

150

43,5

150

43,5

216…960

210

46,5

200

46,0

Свыше 960

300

49,5

500

54,0

В таблице 2 приведены уровни напряжения, допустимые правилами и нормами FCC (раздел 15) как для класса A (на расстоянии 10 м), так и для класса B (на расстоянии 3 м). Если излучение испытываемого оборудования достигает этих величин, избыточная энергия должна быть снижена в пределах значений, указанных в таблице 2. Снижение избыточной величины электромагнитных помех лишь до величин, указанных в этой таблице, опасно, т.к. отклонения условий эксплуатации и производственного процесса могут вызвать незначительное увеличение энергии излучения. Необходим достаточный запас предельных величин электромагнитного излучения, чтобы гарантировать их допустимые значения при любых условиях. (По этой причине многие компании задают допуски сверх установленных FCC значений).

Причины сбоя работы электронных устройств при тестировании на нормы FCC

Можно выделить 10 наиболее распространенных причин, по которым продукты не проходят испытания на требования FCC в первого раза.

1. Игнорирование или преуменьшение значения требований FCC в начальной стадии проектирования устройства.

2. Выбор слишком быстродействующих компонентов и максимальной рабочей частоты в схеме устройства.

3. Использование одно- или двухслойной печатной платы вместо многослойной платы.

4. Разводка тактового сигнала без учета электромагнитного излучения.

5. Отсутствие достаточного количества развязывающих конденсаторов.

6. Использование неэкранированных кабелей.

7. Использование разъемов с пластиковым корпусом.

8. Отсутствие ферритов в конструкции кабелей.

9. Отсутствие фильтров на шинах питания.

10. Недостаточно качественное экранирование шасси.

Если при тестировании электронный продукт не прошел требования FCC (методика тестирования описана в [1]), то инженеры должны предпринять шаги для устранения избыточных электромагнитных помех, создаваемых устройством. Эти шаги включают тщательное изучение созданной системы, внесение необходимых изменений и проведение повторного тестирования. На рисунке 2 показаны последовательные этапы проектирования устройства, включая испытания на электромагнитные помехи. Эти этапы включают изменение топологии печатной платы, реализацию необходимых фильтров и проведение повторных испытаний на соответствие требованиям FCC. Очевидно, все эти шаги требуют существенных дополнительных затрат времени и денежных средств.

Метод распределенного спектра для подавления электромагнитных помех

Еще одним методом уменьшения электромагнитного излучения сигналов является модуляция тактового сигнала, известная как распределенный спектр. Использование тактовых сигналов с распределенным спектром в настоящее время распространено в портативных устройствах (например, в навигационных приборах и игровых устройствах), т.к. в компактных устройствах частота тактовых сигналов постоянно растет и увеличивается степень интеграции ЖК-дисплеев высокого разрешения. Поскольку эти устройства должны быть легкими и недорогими, пассивные методы подавления электромагнитных помех, например, использование конденсаторов и экранирование, неприемлемы.

При использовании технологии распределенного спектра энергия сигнала распределяется с помощью модуляции в полосе частот, а не концентрируется в одной частоте. В отличие от фильтрации и экранирования, которые подавляют электромагнитные помехи, генераторы с распределенным спектром подавляют помехи в самом источнике тактового сигнала. Используя этот метод, системные электромагнитные помехи могут быть снижены вплоть до 20 дБ. Наибольшее снижение помех достигается на высших гармонических частотах. Тактовые генераторы с распределенным спектром особенно эффективны для подавления синфазных помех, контролировать которые труднее всего.

При использовании метода распределенного спектра частота системного тактового сигнала модулируется намного меньшей частотой, обычно лежащей в пределах 30…120 кГц. Систематическая природа тактовых генераторов с распределенным спектром имеет главное преимущество над другими методами подавления электромагнитных помех, т.к. все сигналы, генерируемые из тактового сигнала с распределенным спектром, модулируются в одинаковой пропорции, что приводит к значительному подавлению электромагнитных помех всей системы.

Такой подход создает частотный спектр с гармониками боковой полосы частот. Принудительное расширение узкополосного сигнала одновременно снижает пиковую спектральную энергию как основной, так и гармонической частоты. Частота модуляции выбирается достаточно большой, чтобы быть выше полосы звуковых частот, и достаточно малой, чтобы избежать осложнений с синхронизацией в системе.

Модуляция тактового сигнала с распределенным спектром распространяет электромагнитное излучение по более широкой полосе частот. Эту полосу можно расширить с последующим подавлением ненужных частот с помощью частотной модуляции тактового сигнала микроконтроллера или процессора. Важно определить оптимальный профиль распределения частоты для конкретной системы.

На рисунке 3 показано, что в оптимальном частотном профиле скорость изменения частоты выше на минимальной и максимальной пиковой частоте и ниже в центральной части частотного спектра.

Рис. 3. Скорость изменения частоты при распределении спектра

Как указано в таблице 2, требования FCC по классу B устанавливают, что электромагнитное излучение от тактового сигнала частотой 60 МГц должно быть в пределах 40 дБ (мкВ/м) (см. рис. 3). Частота модуляции тактового сигнала равна 120 кГц. Такая низкая частота модуляции важна по нескольким причинам. Если частота модуляции менее 120 кГц, в системе возможна генерация шума звуковой частоты. Если частота модуляции слишком высока, эффект модуляции может быть аннулирован полосой пропускания фильтров, используемых в ФАПЧ.

Кроме частоты модуляции, важно учитывать и другие факторы:

– требования по полосе пропускания;

– тип модуляции: модуляция с центральным распределением или модуляция со сдвигом несущей частоты вниз;

– степень подавления гармоник.

При проектировании системы необходимо решить, какой тип модуляции использовать. Как видно из рисунка 4, модуляция с центральным распределением сдвигает несущую частоту выше и ниже основной частоты. Модуляция с распределением вниз сдвигает несущую частоту вниз наполовину размаха модуляции, так что модулированный сигнал имеет другую несущую частоту.

Рис. 4. Модуляция с центральным распределением и модуляция со сдвигом несущей частоты вниз

В случае модуляции с центральным распределением средняя системная частота всегда одинакова, так что производительность системы не меняется от платы к плате. Основной недостаток этого метода в том, что могут нарушаться временные соотношения в сигналах в режиме малого потребления мощности. На практике модуляция с центральным распределением частоты не ухудшает характеристик системы при существенном подавлении электромагнитных помех. Преимуществом модуляции со сдвигом несущей частоты вниз является гарантия того, что система никогда не достигнет максимальной тактовой частоты процессора. Однако меньшая средняя тактовая частота слегка ухудшает производительность системы.

Следует отметить, что в общем случае метод распределения спектра тактового сигнала имеет минимальное влияние на характеристики системы. Медленная и контролируемая модуляция не вносит существенного роста джиттера. Например, тактовый генератор с распределенным спектром компании Fujitsu [1] имеет джиттер, не превышающий 100 пс, что соответствует величине джиттера тактового сигнала без распределения спектра. Диапазон распределения частоты может быть выбран исходя из минимальной величины периода системного тактового сигнала.

Преимущества тактовых генераторов с распределенным спектром

Систематическая природа тактовых генераторов с распределенным спектром (Spread Spectrum Clock Generator, SSCG) является их основным преимуществом перед другими методами снижения электромагнитных помех. Тактовые генераторы с распределенным спектром позволяют:

– значительно снизить системные электромагнитные помехи;

– упростить сертификацию продуктов в соответствии с требованиями FCC, что ускоряет время выхода продукта на рынок;

– значительно упростить и снизить количество этапов разработки системы (см. рис. 5);

– обеспечить гибкость программирования оптимального профиля модуляции;

– снизить затраты на тестирование оборудования на электромагнитные помехи.

Рис. 5. Упрощенный цикл проектирования электронного продукта при использовании SSCG

Современные тактовые генераторы с распределением спектра позволяет сократить количество компонентов в системе и обеспечить сертификацию на требования FCC с первого предъявления без ущерба для характеристик системы. Используя технологию цифровой модуляции частоты, SSCG обеспечивают подавление электромагнитных помех как основной частоты, так и гармоник на уровне более 20 дБ.

Современные SSCG обеспечивают джиттер тактового сигнала на уровне не более 100 пс и возможность контроля скорости нарастания выходного сигнала. Эти устройства имеют возможность программирования частоты модуляции и профиля спектра для оптимизации подавления электромагнитных помех.

Генераторы компании Fujitsu содержат до 8 выходных тактовых сигналов и встроенную память FRAM для гибкого конфигурирования системы. В этих приборах предусмотрена возможность выбора частоты на одном и том же выходе. Возможна установка широкого диапазона выходных напряжений: 3,3; 3,0; 2,5 и 1,8 В. Приборы выпускаются в различных стандартных корпусах, в т.ч. в компактных.

Примером применения SSCG может служить использование этих устройств в мобильных телефонах. Как показано на рисунке 6, в данном приложении для синхронизации центрального процессора, GPS-модуля и радиочастотного блока используется несколько тактовых сигналов. Основным источником электромагнитных помех в сотовых телефонах являются линии связи между контроллером, DSP и памятью, а также гибкий кабель, соединяющий дисплей с контроллером.

Рис. 6. Пример использования тактового генератора с распределенным спектром в мобильном телефоне

Применение SSCG в мобильных системах радикально снижает электромагнитные помехи и позволяет обеспечить соответствие требованиям FCC.

Заключение

В целом, технология распределенного спектра тактового сигнала имеет огромные преимущества перед другими методами снижения электромагнитных помех. Этот метод радикально снижает помехи в системе без какого-либо ухудшения характеристик. Использование SSCG уменьшает затраты на корпус, фильтрацию и экранировку прибора, а также общую стоимость разработки. Наиболее важно то, что использование SSCG сокращает время выхода продукта на рынок, т.к. способствует прохождению сертификационных испытаний с первого раза. Современные SSCG имеют несколько выходов тактового сигнала, обеспечивают возможность программирования и низкий уровень джиттера, что позволяет использовать эти устройства как весьма экономичное решение задачи снижения электромагнитных помех в системе.

Литература

1. How Spread Spectrum Clock Generators Accelerate FCC Certification of System Designs//Fujitsu Microelectronics’ White Paper.

2. Cavit Ozdalga. Spread-spectrum-clock generators reduce EMI and signal-integrity problems//EDN, July 24, issue 15/2008.

3. Steve Bolger, Samer Omar Darwish. Use spread-spectrum techniques to reduce EMI//EDN Design Feature.



Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.
Оцените материал:

Автор: Александр Щеглов, техн. консультант, ИД «Электроника»



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2019 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты