Clock Spread Spectrum

L’elettronica attuale è caratterizzata da un aumento costante della velocità e della complessità dei prodotti. Inevitabilmente questo determina anche un incremento delle emissioni elettromagnetiche irradiate. Con il recente proliferare di dispositivi portatili e wireless la possibilità di interferenze tra sistemi diventa un problema da considerare, mai come ora problematiche di EMI sono da studiare e valutare.

Durante lo sviluppo di un sistema è difficile effettuare simulazioni relative all’integrità di segnale e a problematiche di EMI (ElectroMagnetic-Interference). Questo perché richiedono tempo, sono soggette a errori dovuti alla difficile predizione dei modelli e al non facile calcolo dei parametri coinvolti. La situazione non può che peggiorare se si considera quelli che sono i trend dell’attuale elettronica, ossia il costante aumento delle velocità di clock e la diminuzione delle tensioni di alimentazione, fattori che influiscono sul margine di rumore del sistema. Il  mercato richiede un tempo di sviluppo ridotto per i prodotti perché il loro ciclo di vita e la permanenza in commercio tendono sempre di più ad abbreviarsi. I  consumatori richiedono costantemente nuove tecnologie e il progettista si trova a non rispettare i tempi previsti per la commercializzazione dei prodotti proprio a causa di problematiche di EMI.

Le principali cause  di EMI

Se la simulazione dal punto di vista elettromagnetico dei sistemi richiede molto tempo, è però facile capire quali sono le maggiori cause di problemi. Da un punto di vista puramente teorico, ogni carica che si muove all’interno di un campo magnetico o ogni variazione di questo, producono un’emissione elettromagnetica la cui intensità è direttamente proporzionale al cambiamento. Le fonti di EMI possono essere intenzionali, come per esempio i telefoni  cellulari, oppure involontarie, causate da computer, stampanti, scanner, ecc… In un sistema digitale i segnali di clock sono la fonte principale di emissione elettromagnetica, a questi vanno aggiunti  i segnali di controllo e di timing, i bus dati e indirizzi,  i cavi di collegamento e i connettori. I  due principali modi di emissione elettromagnetica sono il modo differenziale e il modo comune. Le emissioni di modo differenziale sono il risultato delle correnti che scorrono tra le tracce di segnale sul PCB e i  piani di massa, mentre le emissioni di modo comune sono originate dall’accoppiamento del rumore dei piani di massa o di potenza con le tracce, con i bus di IO e con i cavi. Da un punto di vista dello spettro di fre quenze, un segnale rettangolare, tipico dei segnali di clock, è composto dal segnale sinusoidale a frequenza fondamentale e dalle armoniche dispari anch’esse sinusoidali. Quanto più i fronti di tale segnale rettangolare sono ripidi, tanto più le emissioni elettromagnetiche si sviluppano. Le frequenze delle armoniche di questo segnale definiscono la posizione nello spettro di radiazione del segnale, la ripidità dei fronti e i livelli del segnale determinano la grandezza di banda o l’intensità di radiazione di ciascuna armonica.

Come ridurre le emissioni elettromagnetiche

Un modo abbastanza semplice per risolvere il problema delle emissioni elettromagnetiche è quello di realizzare una schermatura della sorgente di emissione con materiale metallico o ferromagnetico collegato direttamente a massa. Ovviamente una soluzione di schermatura è adatta per applicazioni dove ingombri, peso e costo non sono fattori determinanti di progetto, nel caso di dispositivi portatili o hand-held non è sicuramente una strada praticabile. Lo strumento più utilizzato dai progettisti per ridurre le emissioni è la realizzazione di filtri passa basso sui segnali potenzialmente ritenuti dannosi dal punto di vista delle interferenze elettromagnetiche. Questi filtri eliminano le componenti armoniche del segnale a più alta frequenza, riducendo i tempi di salita e discesa in corrispondenza dei fronti del segnale. L’inserimento di un filtro passa basso è una strada percorribile solo nel caso in cui il sistema non necessiti di lavorare ad alta velocità, infatti un filtraggio di questo tipo aumenterebbe i tempi di setup e di hold sul segnale, provocando fenomeni di overshoot, undershoot e oscillazioni. Una soluzione di filtraggio sul segnale è comunque un intervento puntuale che non aiuta a ridurre le emissioni generate da altri segnali. Un progettista, non sapendo a priori quali possono essere le maggiori sorgenti emissive, è costretto a prevedere un elevato numero di predisposizioni sprecando tempo e spazio sul PCB.

Clock Spread-Spectrum

Un soluzione efficace per il problema delle emissioni elettromagnetiche consiste nell’utilizzo dei generatori di clock spread-spectrum, sinteticamente chiamati SSCG (spread-spectrum-clock generation).  I generatori  di clock spread-spectrum anziché mantenere una frequenza del segnale di clock costante, lo modulano all’interno di un piccolo intervallo di frequenze, ampio dai 30 ai 90KHz, in modo da ridurre il problema delle EMI direttamente alla fonte. Tutti i clock e i segnali di sistema che sono generati partendo dal clock fondamentale modulato risentiranno anch’essi di questa modulazione e contribuiranno alla riduzione complessiva delle emissioni dell’intera scheda. Un approccio al problema delle emissioni di questo tipo si traduce in uno spettro di frequenza dove la frequenza principale del segnale è arricchita di armoniche laterali, quindi lo spettro di frequenza, originariamente stretto e caratterizzato da picchi in corrispondenza dell’armonica principale e delle armoniche multiple dispari, si trasforma in uno spettro più diffuso, sempre concentrato intorno alle frequenze originarie, ma con uno spettro di energia inevitabilmente ridotto. La frequenza di modulazione utilizzata per un clock spread-spectrum è solitamente maggiore di 30KHz in maniera da essere sufficientemente grande da non influenzare la banda audio. Nello stesso tempo però non può essere troppo elevata per non generare problemi di sincronizzazione nel sistema, per questo spesso si rimane al di sotto dei 90KHz. Uno dei principali produttori di SSCG è Lexmark, da un suo brevetto (vedi riferimenti)  è estratta l’immagine di figura 1.

Figura 1:(a) profilo di clock a frequenza 66.666Mhz modulato e riduzione delle EMI per l’armonica fondamentale (b) e per la terza armonica (c).

Figura 1:(a) profilo di clock a frequenza 66.666Mhz modulato e riduzione delle EMI per l’armonica fondamentale (b) e per la terza armonica (c).

Al punto a è possibile vedere il profilo di un clock a frequenza 66.666MHz modulato con un segnale non lineare a frequenza 32KHz con un errore di modulazione del ± 1,5%. Questo tipo di modulazione concentrata attorno alla frequenza originaria del segnale viene detta center-spread-frequency modulation. Ai punti b e c di figura 1 è possibile osservare la riduzione delle EMI per l’armonica fondamentale e per la terza armonica. In figura 2 invece, lo stesso segnale a frequenza 66.666Mhz viene modulato sempre con una center-spreadfrequency modulation con uno scarto del ± 1,5%, però con un profilo triangolare.

Figura 2:(a) profilo di clock a frequenza 66.666Mhz modulato con segnale a profilo triangolare. Riduzione delle EMI per l’armonica fondamentale (b) e per la terza armonica (c).

Figura 2:(a) profilo di clock a frequenza 66.666Mhz modulato con segnale a profilo triangolare. Riduzione delle EMI per l’armonica fondamentale (b) e per la terza armonica (c).

I clock spread-spectrum utilizzano la stessa tecnica utilizzata nel campo delle telecomunicazioni per le codifiche CDMA, con l’unica differenza che nel caso della codifica CDMA le informazioni sono spalmate su una banda di frequenze molto estesa.

Generatori di clock programmabili

Utilizzando un generatore di clock spreadspectrum come l’SL15100 (vedi figura 3) è possibile migliorare e ottimizzare le tempistiche di segnale.

Figura 3: struttura interna a blocchi dell’SSCG SL15100 della SpectraLinear

Figura 3: struttura interna a blocchi dell’SSCG SL15100 della SpectraLinear

Uno dei punti critici per garantire l’integrità del segnale di clock è quello di far combaciare l’impedenza della traccia sul circuito stampato con quella del driver di clock. Questo assicura che il segnale di clock non abbia fenomeni di overshooting, undershooting e oscillazioni.  I generatori  di clock programmabili sono in grado di arrivare a questo obiettivo, permettendo di programmare l’impedenza d’uscita di ciascun driver del segnale di clock, adattandolo all’impedenza del carico. La possibilità di decidere  il clock-drive strenght-level permette all’utente di effettuare l’esatto abbinamento con l’impedenza del carico per ciascun segnale di uscita. Attraverso una serie di prove sperimentali si arriva a migliorare l’integrità di segnale fino a raggiungere il risultato desiderato. In aggiunta a tutto ciò, la possibilità di programmare i livelli di uscita del driver di clock permette di controllare i tempi di salita e discesa del segnale, rendendoli  il meno ripidi possibile per ridurre le EMI, sempre all’interno dei limiti imposti dall’integrità di segnale. In tabella 1 sono riportati  i parametri di programmazione con i relativi range per l’SL15100.

Tabella 1: Parametri per il generatore di clock SL15100

Tabella 1: Parametri per il generatore di clock SL15100

La possibilità di variare la frequenza del clock d’uscita permette di poter verificare  il sistema contro eventuali debolezze o guasti, verificandone  il funzionamento all’interno di determinati range di frequenza e verificando il margine di sicurezza che si ha sulla frequenza operativa. Oltre al margine sulla frequenza è possibile testare il margine  che si ha su altre tempistiche, o il margine sull’ampiezza dello spread (in percentuale) e sulla frequenza di modulazione applicata, per verificare ad esempio che eventuali PLL a valle del segnale di clock, contenuti magari in una logica programmabile, abbiano sufficiente tolleranza e continuino a rimanere sincronizzati.  I generatori  SSCG danno un considerevole beneficio nelle prove EMC di compatibilità elettromagnetica, semplificando la fase di design e di test del prodotto, garantendo un tempo ridotto di arrivo sul mercato. Tutto questo senza degradare i segnali coinvolti, anzi in alcuni casi migliorandone la qualità. In più, in fase di progettazione non si è costretti a utilizzare più sorgenti di clock con armoniche che non si sovrappongano nello spettro di emissione, ma sarà sufficiente utilizzare una singola sorgente di clock con più uscite modulate spread-spectrum, risparmiando spazio sulla scheda e riducendo i costi. Anche per i sistemi che sono già in grado di superare le prove di compatibilità elettromagnetica, l’utilizzo di un generatore di clock spread-spectrum può permettere la riduzione dei layer della scheda, riuscendo così ad abbattere i costi, fattore importantissimo soprattutto per i prodotti consumer venduti in grandi volumi.

 

 

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