硅扩频振荡器在汽车电子产品中的应用

liyf

摘要：数字电子系统使我们的生活丰富多彩，但数字时钟信号也扮演着“反面角色”，即传导噪声源(通过电缆)或电磁辐射干扰(EMI)。由于潜在的噪声问题，电子产品需要经过相关标准的测试，以确保符合EMI标准。汽车电子产品除了存在EMI兼容性外，还要考虑其他诸多问题，为了简化设计，扩频(SS)振荡器逐渐成为汽车电子仪表、驾驶员与乘客辅助电子产品开发的关注焦点。


扩频振荡器在汽车电子设计中的优势扩频技术能够很好地满足FCC规范和EMI兼容性的要求，EMI兼容性的好坏在很大程度上依赖于测量技术的通带指标。扩频振荡器从根本上解决了峰值能量高度集中的问题，这些能量被分布在噪声基底内，降低了系统对滤波和屏蔽的需求，同时也带来了其他一些好处。

高品质的多媒体、音频、视频及无线系统在当今的汽车电子产品中所占的份额越来越大，设计人员不得不考虑分布在这些子系统敏感频段的射频(RF)能量。对于高品质的无线装置，是否能够消除RF峰值能量直接决定了方案的有效性。

多年以来，无线通信产品利用“频率调节”技术避免电源开关噪声的影响，这种无线装置能够与供电电源进行通信，使电源按照指令改变其开关频率，将能量峰值搬移到调谐器输入频段以外。在现代汽车电子产品中，随着干扰源数量的增多，很难保证系统之间的协同工作，这种情况由于设备天线的多样化以及对新添子系统放置位置的限制变得更为复杂。

扩频振荡器在数字音频、工厂装配、免提装置等系统中具有独特的优势，这些系统一般采用编解码器改善音频质量，编解码器与蜂窝电话或其它信息处理终端之间通过数字接口连接，如果利用“抖动”(扩频)振荡器作为编解码器的时钟源，能够在非静音情况下消除谐波噪声。这种技术在采用了开关电容编解码器的多媒体系统中很常见。除了抑制谐波噪声外，SS振荡器能够将能量峰值降至噪声基底以内，在无线跳频网络中可减小落入信道内的干扰。

下一代汽车电子产品中，几乎所有的子系统都倾向于利用SS时钟技术改善系统性能，降低EMI。针对这种应用，Maxim/Dallas推出了全硅振荡器，这种振荡器能够可靠启振，而且具有抗震性。其成本与陶瓷谐振器相比极具竞争力，振荡频率从几千赫兹到几十兆赫兹。
汽车电子产品的设计考虑有效控制EMI是电子工程师在产品设计中所面临的关键问题，数字系统时钟是产生EMI的重要“源泉”，主要原因是：时钟一般在系统中具有最高频率，而且常常是周期性方波，时钟引线长度通常也是系统布线中最长的。时钟信号的频谱包括基波和谐波，谐波成份的幅度随着频率的升高而降低。

系统中的其它信号(位于数据或地址总线上的信号)按照与时钟同步的频率刷新，但数据刷新动作发生在不确定的时间间隔，彼此之间不相关。由此产生的噪声频谱占有较宽的频带，噪声幅度也远远低于时钟产生的噪声幅度。虽然这些信号产生的总噪声能量远远高于时钟噪声能量，但它对EMI测试的影响非常小。EMI测试关注的是最高频谱功率密度的幅度，而不是总辐射能量。

实际应用中可以通过滤波、屏蔽以及良好的PC板布局改善EMI指标。但是，增加滤波器和屏蔽会提高系统的成本，精确的线路板布局需要花费很长时间。解决EMI问题的另一途径是直接从噪声源(通常是时钟振荡器)入手，产生随时间改变的时钟频率可以很容易地降低基波和谐波幅度。

时钟信号的能量是一定的，频率变化的时钟展宽了频谱，因而也降低了各谐波分量的能量。产生这种时钟的简单方法是用三角波调制一个压控振荡器(VCO)，所得到的时钟频谱范围随着三角波幅度的增大而增大。实际应用中需合理选择三角波的重复周期，三角波频率较低时会通过电源向模拟子系统产生耦合噪声；如果选择频率过高三角波，则会干扰数字电路。

图1是基于上述考虑的时钟振荡器原理图，它用一个三角波控制VCO输出频谱的带宽，VCO的中心频率由DAC和可编程8位分频器控制，可以在260kHz至133MHz范围内设置频率。图1所示IC通过2线接口控制，控制字存储在芯片内部的EEPROM内，如果预先将频率设置在所希望的频点，该器件可以工作在单机模式，也可以在其空闲周期内更新频率，这也是它在低功耗应用中的一个优势。




图1 DS1086可编程时钟发生器的核心电路是受三角波控制的VCO，频率通过2线接口编程，存储在片内EEPROM内。

图2给出了普通晶振与扩频时钟振荡器的频谱对照图，通过设置三角波的幅度可以将频谱扩展4%，与晶体时钟振荡器相比峰值幅度降低近25dB。




图2. 晶体振荡器频谱与DS1086频谱对照，频谱扩展4%时相差25dB。

利用扩频振荡器作为微处理器的时钟源时，须确认微处理器能够接受时钟占控比、上升/下降时间以及其他由于时钟源频率变化所造成的参数容差。当振荡器作为系统的参考时钟使用时(实时时钟或实时监测等)，频率变化可能导致较大误差。

许多便携式消费类产品带有射频功能，如蜂窝电话，扩频技术对于这类产品中的开关电源非常有利。射频电路(特别是VCO)对于电源噪声非常敏感，但便携式产品为了延长电池的使用寿命必须使用开关电源，以提供高效的电压转换。开关电源具有与时钟振荡器相同的噪声频谱，而且，噪声可以直接耦合到射频电路，影响系统的性能指标。

带有外同步功能的升压转换器(如MAX1703)可以用一个扩频时钟控制它的振荡频率，该方案与自激振荡升压转换器的噪声频谱(图3)相比能够改善系统性能(图4)。自激振荡升压转换器谐波在整个10MHz范围内都具有较大的能量，而扩频方案则将谐波分量的幅度降低到噪声基底以内(图4)。值得注意的是，由于总噪声能量是固定的，扩频后使噪声基底有所上升。




图3. MAX1703升压转换器频谱显示：基波位于300kHz (自激振荡开关频率)，在高达10MHz的整个频段内有明显的谐波。




图4. 将MAX1703升压转换器同步到一个扩展频谱，可以消除尖峰频谱，是整体噪声基底升高。

为时钟源加入抖动之前，需要考虑以下几个问题：需要采用何种“加抖”波形？所允许的最大时钟偏移是多少？需要多大的抖动速率？限制抖动速率的因素是什么？以下就这些问题展开讨论。
“加抖”波形为确保时钟信号能够被系统所接受，时钟抖动范围一般比较小( 3 (三角形模板速率)
环路带宽 > 3 (伪随机模板速率)

环路带宽固定时，三角波模板能够支持较高的抖动频率。因为抖动速率必须比干扰(以频率抖动形式出现)的窄带检测快，对于相同的检测时间，三角波模板的抖动速率要比伪随机模板更高一些。

抖动检测时间直接影响了最低抖动速率，干扰信号的频带取决于具体应用，抖动频率没有一个确定的下限限制。对于抖动频率下限的另一考虑是抖动速率本身产生的带外噪声。对于线性系统，三角波抖动器不会在抖动速率处产生谐波。但是，如果非线性电路拾取了时钟信号，将会产生一些所不希望的频谱成分，低抖动频率被混频后产生位于有效工作频段的干扰信号。

扩频技术并不用于取代传统的EMI抑制技术，如：滤波、屏蔽和良好的线路板布局。该技术能够从根本上改善系统的性能，特别是对于子系统或外设易受峰值能量干扰的设备。在汽车产品或家庭娱乐设备中能够大大降低射频/TV干扰。良好的PCB布局是系统正常运行的基本保障，扩频时钟则有助于系统通过EMI认证，而且可以减少系统对滤波、屏蔽的需求，降低系统成本。