数字IC电源、时钟、接口相关的滤波设计

0 前言

本文为EMC小知识学习简笔系列的第三篇，前文EMC小知识学习简笔（二）介绍了EMC三要素、插入损耗及电源滤波相关案例，本文主要介绍数字IC电源、时钟、接口相关的滤波设计。

1 数字电源滤波

本文的数字电源特指给数字芯⽚供电的电源，通常把较高的电压降低到1.8V/3.3V等电压。数字电源往往电压⽐较低，并且电源引脚较多，因此⼀般使⽤电容滤波。电容滤波⼤/⼩容值配合使⽤，⼤电容储电（uF级别），⼩电容⾼频滤波，每个电源管脚⼀个，容值由滤波频率决定（⼀般⾼频取1nF、100pF，低频0.1uF）。     储能电容与高频电容配合使用，下图中间波⾕是反谐振点，由电路寄生电容&电感谐振导致，此频率附近的滤波效果最差，如果造成了影响，就需要考虑增加该频率附近的电容。

    在数字系统中，电源分配系统(PDS，Power Distribution System)的质量直接影响着信号的质量。电源噪声表现为同步开关噪声(SSN)、地电弹噪声(GroundBounce)和回流噪声等，它直接影响着系统的噪声容限和信号的时序。      电源分配系统设计的关键是控制电源的目标阻抗。设计主要考虑的问题有：PCB 叠层方案、滤波电容的选择和放置、电源分割、连接器的选择等等。 PCB 板上的电源分配系统由电源模块、电源地平面、各种电容组成。它们分别在不同的频率范围内作出响应： 

电源模块响应的频率范围大约是从直流到kHz； 

大的电解电容提供电流并在kHz 到 MHz的范围内保持较低阻抗； 

高频陶瓷电容在MHz 到百 MHz的频率范围内保持较低阻抗； 

PCB 板上的电源地平面对则在100MHz 以上发挥重要作用； 

    尺寸小的电容 (如 0603 封装)寄生电感较小，容值也小，因而其谐振频率较高，在高频情况下阻抗较低，常被用来减小 EMI 和回流噪声。尺寸较大的电容（如电解电容），可以提供比较大的电流，然而其谐振频率不高，这使得它的应用受到很多限制。      为了得到比较大的电容和较高的谐振频率，可以把几个小电容并联在一起 (N 个电容并联后，其容值为 NxC，电感为 L/N，谐振频率不变，ESR 减小为 R/N)。 案例：SDRAM电源滤波不⾜，EMI测试不通过。     某产品进行欧洲 CE 认证，EN55022 空间辐射项目测试超标，导致产品不能认证上市。分析频谱发现主要是240、360、480、600、720MHz超标，超标频率是120M的倍频。

⼲扰源：数字电路时钟（SDRAM 120MHz）。

耦合路径：外接线缆（主要通过电源或地耦合）、PCB⾛线环路。

    解决问题的主要思路是降低干扰源影响，同时在接口增加滤波电路，减弱耦合途径的效率。 

接口处理：接口是主要耦合路径，因此信号端口需要进行滤波，主要是磁珠 +电容方式，磁珠选取 600R/100M，电容选择了 200PF。

原理图改进：SDRAM 时钟是干扰源，在匹配电阻后增加了对地滤波电容，取 10PF 左右（根据干扰频率决定）。同时增加电源管脚电容，容值取220pF。

PCB 改进：SDRAM 与 CPU 接口连接走线跨分割，地环路面积大，改进后的电容靠近电源引脚放置，IC下方地平面完整。

2 时钟滤波设计

时钟信号也是干扰常见的源头之一，下图分别是时钟信号对时域和频域产⽣的影响：

 

 

周期信号的傅里叶级数展开式为：

    从公式中可以看到周期信号会有基频的奇次谐波分量（如1 3 5 ...），这是因为偶次谐波刚好被0相乘了。     但我们有时候也会看到偶次谐波，这往往是因为信号的上升/下降时间不一致，导致在频谱中看到偶次谐波，下图是利用LTspice完成的仿真对比，有兴趣的读者可以点开”电路原理图仿真工具2-LTspice仿真介绍“了解。

 

 

下图是有源晶振滤波电路的一个简单例子：

    晶振的供电使用了磁珠+电容的组合，输出时钟增加了RC滤波。电阻通常采取 22R/33R/47R，有些低频时钟可以用磁珠替代。电容根据时钟频率选取，频率越高，电容值越小，一般100M 时钟选取 5pf 电容滤波，50M 时钟可以选取 22pf 电容滤波。      另外，建议设计时单板上 CLK 信号预留阻容滤波设计，最差情况是电容不焊接，电阻采取 0 欧姆替代。 

3 接口滤波设计

电子产品经常通过电缆对外通信，但电缆往往带来电磁兼容问题，主要原因是电缆可以传导电磁干扰，同时可以作为天线，接收和发射电磁干扰。      电子产品的电缆长度从几十厘米到几公里不等，可以在特定的频率进行发射与接收电磁干扰信号。 当天线的长度接近无线电信号波长的 1/4 时，天线的发射和接收转换效率较高，受到的干扰也较大。 频率和波长的关系（λ=c/f）如下：

 

 

电缆干扰定位：      当遇到产品 RE 测试超标问题时，直接拔掉电缆的方式是最方便快捷的。如果发现确实是电缆导致超标，可以尝试在电缆上施加屏蔽接地等措施以外，另外在接口处采取滤波措施也是重要的手段。  1）针对内部干扰，通过电容等方式形成干扰信号的低阻抗通路，阻止其跑到外部。

2）针对外部干扰，一边是使用磁珠形成高阻抗通路，一边是将外部干扰通过机壳泄放到地，阻止其进入内部，右图是最完整的方案。

 

 

通信接口一般分为非差分接口和差分接口：

非差分接口通过公共地回流，比如232、PS2、VGA信号，通常使用电容+磁珠+电容的方式进行滤波（高速时使用串阻代替磁珠），通常不使用共模电感。

差分传输的特征是两根线束传输信号，两个信号振幅相同，相位相反，电流⽅向相反。典型的差分接⼝：485、CAN、HDMI、USB、LVDS、以太⽹等。通常采用共模电感滤波（例如USB、HDMI等都有专用的共模电感），中低速可以使用电容。

备注：

磁珠：确保对正常信号⼯作频率的阻抗<50R，滤波频率⼏⼗MHz〜1GHz，更⾼的频率就只能⽤电阻了，有些磁珠可以过⼤电流。

电感：滤波频率KHz〜100MHz，电感的额定电流通常会较⼤。

        审核编辑：彭菁