最佳 EMI 滤波器 PCB 布局指南

2021-06-23

最佳 EMI 滤波器 PCB 布局指南

电磁兼容性对 EMI 滤波器设计的重要性。

用于优化 EMI 滤波器设计和布局的设计工具。 

如何为您的 EMI 滤波器板设计优化 EMC 和可制造性。

测试 PCBA 的电磁性能

在开发电路板时，尤其是在初始设计阶段，也需要正确的视角。为了使设计成功，必须在理解创建符合其性能标准的精心制作和组装的电路板的总体目标的情况下进行设计。对于当今制造的几乎所有 PCBA，这意味着最大限度地提高信号完整性和设计电磁兼容性。从实现最佳电磁平衡的角度来看，我们可以制定一套 EMI 滤波器PCB 布局指南，以优化电路板开发过程并最大限度地减少 PCBA 性能的祸根——干扰或噪声。

电磁兼容

人们通常认为电磁辐射只是 PCBA 的问题，这些 PCBA 包含旨在产生和传输 RF 的组件，这些组件被 FCC 归类为故意辐射器。虽然这些设备确实需要特殊考虑，但这种假设是不完整的。

FCC 散热器等级

附带散热器 

不是设计用于使用或产生 9kHz 以上电能的组件或设备被归类为附带辐射器。尽管这些设备不需要设备授权，但它们仍然可能是有害和破坏性干扰的来源。常见产品包括电机（交流和直流）、电动工具和电灯开关。

无意的散热器

无意辐射器包括有意通过有线连接传输电能的设备。任何无线辐射都被视为无意辐射。大多数电子产品都属于这一类，通常包括数字逻辑电路。例如计算机、打印机、电话、遥控器和手表。

故意辐射器

发射射频的射频设计或指定设备被称为故意辐射器。此类包括所有包含 Wi-Fi 和蓝牙设备的无线设备和电路板。

工业、科学和医疗设备

为电信目的以外的任何目的产生和/或发射辐射的其他设备归入这一组。微波炉、弧焊机和荧光灯属于这一类别。

除了上述分类之外，需要在固定许可频谱中运行的产品（例如电视发射机、航海和航空无线电、手机和基站）也被视为射频设备，并且必须经过认证。

正如上面的清单所示，今天几乎所有的电路板都可能有一个或多个辐射源，这些辐射源可能会干扰附近电子系统和电路板本身的运行。设计您的 PCBA 以最好地减少这些干扰机会是电磁兼容性 (EMC) 的目标。获得良好的 EMC 需要在开发的所有阶段（设计、制造和测试）之间进行协调。然而，成功之路显然始于 EMI 滤波器设计，并需要结合最佳 EMI 滤波器 PCB 布局指南。   

优化您的 EMI 滤波器设计

如上一节所述，您的电路板或其运行的系统包含可归类为散热器的组件或设备的可能性非常高。此外，除非您的电路板是独立设备，否则其电源会直接或间接连接到电源线，这也是 EMI 的常见来源。EMI 滤波器的目的是减轻来自该源的干扰引入您的电路板。

基本的 EMI 滤波器设计

EMI 滤波器设计的范围可以从单个组件到具有用于减轻共模和差模噪声的专用电路的复杂网络。下面列出了一些基本类型的 EMI 滤波器设计及其使用方法。

EMI 滤波器设计的类型
元件或电路	过滤器类型	放置	应用
C	一阶低通	与源分流	旁路
升	一阶低通	有源系列	高频衰减
液晶显示器	二阶低通	电感串联，电容并联	源 Z < 负载 Z
CL	二阶高通	电容串联，电感并联	源 Z > 加载 Z
𝚷	三阶低通	分流/串联/分流配置	低源和负载 Z
吨	三阶低通	串联/并联/串联配置	高源和负载 Z

如果选择了正确的组件，上表中列出的 EMI 滤波器类型是电路板上许多噪声源的良好起点。 

电磁仿真技术

一旦您决定了基本设计，就需要根据您的电路和/或电路板性能规格对其进行优化。例如，如果您的 EMI 滤波器设计旨在驱动其他电路或电路板，则可能需要使用额外的滤波器元件来增强设计以实现隔离、平滑或电气参数约束（例如，固定电压或电流）。您能够满足这些电路需求的程度取决于可用的 PCB 设计和分析工具的功能和能力。 

为获得最佳结果，您的设计工具（必须包括 EM 仿真，如下图所示，使用 Cadence 的 Allegro 和 PSpice）应该集成在一起。

使用 PSpice 分析低通 EMI 滤波器响应

优化 EMI 滤波器设计通常需要评估一系列电气参数值和频率的性能。因此，在从原理图转换到布局之前，在分析您的设计以优化 EMI 缓解或抑制时，效率和精度是重要的设计过程属性。 

最佳 EMI 滤波器 PCB 布局指南

与所有电路板设计一样，遵循良好的 EMI 滤波器 PCB 布局指南对于可制造性至关重要。同样，最好的设计需要采用正确的视角。 

二维 PCB 布局设计视角

布局电路板时，首先要考虑的是组件封装的位置——无论是来自设计包的库还是从外部源上传——走线、间距或板边间隙。这是 2-D PCB 布局设计视角，重点关注电路板表面的布局。

二维 PCB 布局透视图

这些设计参数很重要，应根据指南进行选择，如下所列。

针对 EMC 和可制造性的表面 EMI 滤波器 PCB 布局指南

获取并遵循您的 CM 的 DFM 规则和指南。

确保焊盘和元件库匹配。

最大化相邻元件（焊盘、迹线和环形圈）之间的间距，以最大限度地减少干扰。

根据信号类型划分组件。

确保走线宽度和尺寸足以满足所需的电流容量。

确保在差分路由、最大功率传输等必要时建立阻抗匹配。

遵循董事会许可规则以促进分拆。 

对高辐射设备使用屏蔽。 

充分利用丝印元件极性和参考指示器来帮助组装。

遵循 PCB 布局指南（包括上述指南），其中降噪和高效的电路板构建是重点，将有助于确保您的电路板满足其 EMC 目标并且构造良好。然而，由于对小型电子产品不断增加的功能的需求，当今大多数电路板都需要叠层。 

3-D PCB 布局设计视角

多人 PCBA 设计不再像以前那样是偶尔发生的活动。相反，今天的大多数电路板设计都很小，人口密集，并且包括多层。因此，还必须采用电路板布局的 3D 透视图，如下图所示。

3D PCB 布局透视图

3-D 透视类似于 2-D 透视，因为布局、布线、间距和间隙仍然是主要考虑因素。但是，在这种情况下，布线包括通过通孔和层或平面之间的垂直组件，其中间距对于实现 EMC 和促进一次成功 (FTR) 制造很重要，如下面的指南中所述。 

用于 EMC 和可制造性的叠层 EMI 滤波器 PCB 布局指南

根据引脚密度、不同类型信号的数量确定层数，并在相同类型的层之间提供良好的间距。例如，如果可能，低频和高频信号平面应该分开。

不要将两个信号层彼此相邻放置。 

对于过孔，请使用正确的纵横比并使用满足您设计要求的最简单的制造方法。 

应用良好的接地技术——例如，为数字和模拟信号类型使用单独的平面，并为电路板接地使用一个中心点。  

确保信号平面和接地平面之间有足够的最小间距。

选择层材料厚度以满足阻抗要求。

辐射产生热量。因此，结合适当的散热技术。

除了上述指南（对于 PCB 布局设计并非详尽无遗，但对于实现最佳 EMC 至关重要）之外，将对称性应用于您的叠层是一个很好的经验法则。 

通过采用正确的观点，包括以实现最佳 EMC 为目标进行设计，并结合关注可制造性的 2-D 和 3-D 观点，以及遵循良好的 EMI 滤波器 PCB 布局指南，您可以实现最佳设计对船上和安装电路板的电子系统的干扰最小。