Wie sich EMI in digitalen Systemen erfolgreich reduzieren lässt

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Verringerung der EMI im gesamten System

Der größte Vorteil bei der Anwendung von Spread-Spectrum-Techniken besteht darin, dass andere Timing-, Daten-, Adress- und Steuersignale, die gewöhnlich mit der Taktquelle synchronisiert und von ihr abgeleitet werden, ebenfalls moduliert werden, wodurch sie zu einer beträchtlichen Verringerung der elektromagnetischen Störung im gesamten System beitragen. Geringe Kosten und Übertragbarkeit zwischen verschiedenen Systemarten sind einige der Hauptvorteile der Spread-Spectrum-Taktgebung.

Herkömmliche Taktgeber liefern hohe Energiespitzen

Herkömmliche digitale Taktgeber haben einen sehr hohen Q-Faktor, was bedeutet, dass die gesamte Energie auf dieser Frequenz in einer sehr geringen Bandbreite konzentriert wird, was zu einer höheren Energiespitze führt. Wenn man sich im Frequenzbereich die Spektraldichte ansieht, kann man bei der mittleren Frequenz deutlich eine höhere schmale Spitze erkennen, und weitere relativ kleinere, aber wiederum schmale Spitzen, auf beiden Seiten bei harmonischen Frequenzen.

SSCGs verringern die Spitzenenergie im Takt

SSCGs verringern die Spitzenenergie im Takt, indem die Taktbandbreite erhöht wird und der Q-Faktor verringert wird. SSCGs bringen ein digitales Schmalband-Taktsignal zum Eingang und erzeugen einen Ausgangstakt, der mit einer genauen Modulationsfrequenz zwischen einer gesteuerten Start- und Stoppfrequenz wobbelt. In praktischen Anwendungen wird die Taktfrequenz mit einer Modulationsgeschwindigkeit von 30 … 120 kHz moduliert. Diese Modulationsgeschwindigkeit wird so ausgewählt, dass sie hoch über dem Audioband bleibt, damit jegliche Störungen der Audiofrequenzen vermieden werden und das System nicht an irgendeiner Art von Trackingproblemen (z.B. Einrichten, Halten) leidet.

EMI-Reduzierung und der Spread-Wert des Takts

Die Verringerung der elektromagnetischen Störung ist direkt proportional zum Spread-Wert des Takts. Der Spread-Wert wird gewöhnlich durch einen Prozentsatz angegeben und ist als das Verhältnis der Differenz zwischen zwei Grenzfrequenzen (?f) zur Taktzielfrequenz (f₀) definiert. Bild 3 zeigt die Ausstrahlung von elektromagnetischen Störungen bei unterschiedlichen Spread-Werten.

SSCGs vermindern auch die Harmonischen

In den meisten Systemen sind es die Harmonischen der Grundfrequenz, die Probleme bereiten. Zum Glück verringert SSCG die elektromagnetische Störung nicht nur in der Grundtaktfrequenz, sondern vermindert auch die Ausstrahlung von harmonischen Frequenzen. Tatsächlich ist die Verminderung der Spitzenenergie bei Harmonischen höherer Ordnung im Vergleich zur Verminderung bei der Grundfrequenz wesentlich besser. Der Grund liegt darin, dass das Frequenzband bei einem festen Spread-Wert mit höheren Frequenzwerten breiter wird (d.h. bei Harmonischen, die ein ganzes Vielfaches der mittleren Frequenz sind), und daher die ausgestrahlte Energie mehr verringert wird (Bild 4).

Das Spread-Profil spielt eine wichtige Rolle

Die Auswahl des Spread-Profils spielt auch eine wesentliche Rolle bei der Bestimmung der Verringerung der Spitzenenergie mit der SS-Technik. Das Spread-Profil ist nichts anderes als die Hüllkurve der Frequenzschwankung des modulierten Signals (Spread-Takt) in Abhängigkeit von der Zeit. Ein dreieckiges Profil ist aus einer Entwicklersicht leicht zu implementieren, aber das Spektrum, das unter Verwendung dieses Profils erzeugt wurde, zeigt seitliche Ausbuchtungen, die etwa 1 bis 2 dB höher sind als der mittlere Teil (Bild 5 links). Wie schon früher dargelegt, erfüllt ein Gerät den Standard für elektromagnetische Störung dann nicht, wenn nur eine Frequenzkomponente aus der maximal zulässigen Strahlungsgrenze herausfällt. Deshalb kann ein dreieckiges Spread-Profil, das die Spitzenemission in die seitlichen Ausbuchtungen des Spektrums verlegt, unter bestimmten Betriebsbedingungen die Spezifikation verletzen.

Ein fast flaches Spektrum dank Hershey-Kiss-Spread-Profil

Mit einem Hershey-Kiss-Spread-Profil (Bild 5 rechts) kann man ein fast flaches Spektrum mit mehr Verringerung der elektromagnetischen Störung erhalten. Das Hershey-Kiss-Spread-Profil hat eine völlig andere Gestalt, bei der die Taktfrequenz bei einem höheren Wert in der Nähe der Start- und Endfrequenzpunkte wobbelt und in der Mitte absinkt. Wegen der höheren Frequenzänderung in der Nähe der beiden Grenzpunkte werden die beiden seitlichen Ausbuchtungen verringert, und die verringerte Energie wird über den mittleren flachen Teil des Spektrums verteilt. Das führt zu einer deutlichen Veränderung, wodurch das vollständige Energiespektrum abgeflacht wird. Wie in Bild 5 gezeigt wird, hat das Hershey-Kiss-Spread-Profil eine weitere Verringerung um 1,13 dB geschaffen. Diese Verringerung kann auf Grundlage aktueller Frequenzwerte sogar höher sein.

Mit SSCGs lassen sich spätere Überraschungen vermeiden

Spread-Spectrum-Taktgeneratoren sollten heute Grundlage eines jeden performanten Mikroprozessor-Systemdesigns sein, um spätere Überraschungen bei der EMI-Messung und Gerätezulassung zu vermeiden. Durch geeignete Spread-Spectrum-Taktgeber lässt sich die Abstrahlung des Clocksystems in aller Regel um 10 dB reduzieren (= Halbierung), in vielen Fällen, je nach Design, sogar um bis zu 15 … 20 dB. Teure Abschirmmaßnahmen können dadurch zumeist entfallen.

* * Ashish Kumar und Pushek Madaan sind Mitarbeiter bei Cypress Semiconductor.