聊聊EMC设计中的时钟设计

从1月份到现在，全球都被这个病毒闹的不安生，地球村背景下，能独善其身？都是环环相扣，一个一个的在封，然后一堆材料开始告急，特别是一个小国家，这一闹，怎么弄？天朝，产生链算完整的，但一些关键元器件国外在把持着，根本无货。

今天跟兄弟们聊聊时钟。

大部分的技术资料都会告诉你，EMC设计重要点关注时钟

为什么？因为是时钟是EMC三要素中重要的骚扰源，所以要重点对待。

图示是标准理论方波的时域和频域波形，我们根据波形的频谱来做具体的设计。大部分情况下，我们时钟都是奇次谐波能量高，理论上偶次谐波为0，但事实上做不到。所以就单端时钟而言，设计主要集中在奇次谐波上。

      (1)你可以在时域内衰减幅度A，从而降低各谐波的幅度，实现频域内的降低

       (2)你可以通过加旁路电容，减缓上升沿，吸收杂波。

这是骚扰源能量降低基本的手法，也是最省心的，所以许多兄弟看到时钟就一顿猛操作，远场一看有点效果，都非常的开心，有时候为了达到某个裕量，揍的有点狠，比如电容加个100PF,电阻串上100ohm，甚至更大。当速率比较低的时候，系统是勉为其难的在工作，时间长了，系统工作是非常不稳定的。

你修的图时域波形可能就像上图一样，已经快变形了，速率慢的时候负载端能正常识别，到了一定程度，基本就挂了，所以整改时悠着点。

图示是晶体的基本原理图，除了原理上需要的R3、C1和C2之外，R1、  R2和C3组成了基本的EMC电路，大部分情况下还会多一个C4给R1(没找到图,懒得重新画)。大部分兄弟都会盯着这四个器件一顿狂揍，某些时候效果很明显，你可能就差哪几个db，然后就没有然后了。

上图是晶振的基本原理图，电源VDD大部分情况下会做成图示的那样，LC滤波，但我们建议你最好做成PAI型滤波，去耦和旁路同时去做，电容从高到低都配上（高频、中频和低频都配上）。输出端的RC是标配，兄弟们都会根据自己的测试结果来调整。

上面的内容是不是都懂，都会，好像不用我太多说。

咳咳

以我个人多年的经验，这两个源做基本的衰减和滤波足矣，不必过头。

先回忆一下杨老师的经典公式

公式中差模辐射因其跟信号整个环路相关，如果你的电路都是短距离传输的，比如我们上面讨论的驱动时钟，都离IC很近，那么其差模分量还是很小的。尽管能量不高，但我们还是很注重在PCB设计时控制其环路面积，所以大部分的guideline都会要求你尽量靠近IC。共模辐射与天线长度成正比，大部分兄弟都会忽略这一点，因为在实际电路中并没有明显异常的天线在。

但是大部分的EMI问题都是因为多次串扰耦合的问题，这句话是不是耳熟，因为我讲课时常说，老工程师也这么说。其中重要的原理就是时钟电路周围存在许多未知的L,因为共地和共电源的问题，这些能量会多次串扰找到一个合适的L发射出去。

然后就出现了类似上图的现象，是不是常见，这种情况，你把时钟揍死了，看到的效果都一般般。然后有兄弟感慨，为啥我处理半天时钟咋没反应呢，我的时钟明明就对应着他呀。老工程师会心一笑，too  young。

为了减小后期一些莫名其妙的串扰，所以会对时钟电路周围做一些规则限制。上面是另一经典的图，许多老师都会引用，结合我们上面说的原理，这时候理解这个图是不是轻松多了。为了降低时钟电路能量可能的串扰，首先需要多层GND平面尽量多拾取时钟电路产生的能量（自行脑补这部分电路产生的电力线和磁力线分布图)，这部分能量尽量少往空中耦合，必要的时候可以采用局部屏蔽（示意图中有BUFFER)。其次尽量将时钟线走到内层（原理同样是控制电力线和磁力线在空中的分布）。

上述的要求，相对来说容易做到，基本没有歧义，但这还是属于骚扰源设计范畴。

当时钟电路有连接器时，就会出现主动拾取干扰会二次耦合发射的问题，这个相对容易发现，原理上做滤波，破坏天线效应即可，然后就能看到，连接器的pin上加了一堆的滤波电容。

时钟电路如果靠近IO,这个天线效应同样容易理解，但是因为线缆较长，会带来其他的问题。

这个大部分人很难处理，大部分的借口是板子密度太高，但是这是我们工程上见到的最多的隐藏天线，这时候你会发现我们时钟线走在内层是多么的明智。

这些杂线在PCB设计时就是重中之重了。

      (1)  内层走线，且与时钟不同层

      (2)  3W法则（10W或更高)。

难就难在很难全部做到，有时候这么做了，却是过设计，但你不这么做，可能是隐患。这种一次侧的耦合相对容易发现，现实中因为低层板设计，将EMI设计提高了好几个难度等级。越是这样，后期的对策越难做。

所以，在设计之初，尽量多做一些规则检查，即使做不全，后期排查时也会做到心中有数。

最后，我依然十分诚恳的建议兄弟们，把注意力多放在串扰耦合中，多年的高速设计（通信行业中25GHz这样的高速）经验会告诉我们，串扰是EMI设计第一杀手。

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