最佳 EMI 濾波器 PCB 布局指南

2021-06-23

最佳 EMI 濾波器 PCB 布局指南

電磁兼容性對 EMI 濾波器設計的重要性。

用于優(yōu)化 EMI 濾波器設計和布局的設計工具。 

如何為您的 EMI 濾波器板設計優(yōu)化 EMC 和可制造性。

測試 PCBA 的電磁性能

在開(kāi)發(fā)電路板時(shí)，尤其是在初始設計階段，也需要正確的視角。為了使設計成功，必須在理解創(chuàng )建符合其性能標準的精心制作和組裝的電路板的總體目標的情況下進(jìn)行設計。對于當今制造的幾乎所有 PCBA，這意味著(zhù)最大限度地提高信號完整性和設計電磁兼容性。從實(shí)現最佳電磁平衡的角度來(lái)看，我們可以制定一套 EMI 濾波器PCB 布局指南，以?xún)?yōu)化電路板開(kāi)發(fā)過(guò)程并最大限度地減少 PCBA 性能的禍根——干擾或噪聲。

電磁兼容

人們通常認為電磁輻射只是 PCBA 的問(wèn)題，這些 PCBA 包含旨在產(chǎn)生和傳輸 RF 的組件，這些組件被 FCC 歸類(lèi)為故意輻射器。雖然這些設備確實(shí)需要特殊考慮，但這種假設是不完整的。

FCC 散熱器等級

附帶散熱器 

不是設計用于使用或產(chǎn)生 9kHz 以上電能的組件或設備被歸類(lèi)為附帶輻射器。盡管這些設備不需要設備授權，但它們仍然可能是有害和破壞性干擾的來(lái)源。常見(jiàn)產(chǎn)品包括電機（交流和直流）、電動(dòng)工具和電燈開(kāi)關(guān)。

無(wú)意的散熱器

無(wú)意輻射器包括有意通過(guò)有線(xiàn)連接傳輸電能的設備。任何無(wú)線(xiàn)輻射都被視為無(wú)意輻射。大多數電子產(chǎn)品都屬于這一類(lèi)，通常包括數字邏輯電路。例如計算機、打印機、電話(huà)、遙控器和手表。

故意輻射器

發(fā)射射頻的射頻設計或指定設備被稱(chēng)為故意輻射器。此類(lèi)包括所有包含 Wi-Fi 和藍牙設備的無(wú)線(xiàn)設備和電路板。

工業(yè)、科學(xué)和醫療設備

為電信目的以外的任何目的產(chǎn)生和/或發(fā)射輻射的其他設備歸入這一組。微波爐、弧焊機和熒光燈屬于這一類(lèi)別。

除了上述分類(lèi)之外，需要在固定許可頻譜中運行的產(chǎn)品（例如電視發(fā)射機、航海和航空無(wú)線(xiàn)電、手機和基站）也被視為射頻設備，并且必須經(jīng)過(guò)認證。

正如上面的清單所示，今天幾乎所有的電路板都可能有一個(gè)或多個(gè)輻射源，這些輻射源可能會(huì )干擾附近電子系統和電路板本身的運行。設計您的 PCBA 以最好地減少這些干擾機會(huì )是電磁兼容性 (EMC) 的目標。獲得良好的 EMC 需要在開(kāi)發(fā)的所有階段（設計、制造和測試）之間進(jìn)行協(xié)調。然而，成功之路顯然始于 EMI 濾波器設計，并需要結合最佳 EMI 濾波器 PCB 布局指南。   

優(yōu)化您的 EMI 濾波器設計

如上一節所述，您的電路板或其運行的系統包含可歸類(lèi)為散熱器的組件或設備的可能性非常高。此外，除非您的電路板是獨立設備，否則其電源會(huì )直接或間接連接到電源線(xiàn)，這也是 EMI 的常見(jiàn)來(lái)源。EMI 濾波器的目的是減輕來(lái)自該源的干擾引入您的電路板。

基本的 EMI 濾波器設計

EMI 濾波器設計的范圍可以從單個(gè)組件到具有用于減輕共模和差模噪聲的專(zhuān)用電路的復雜網(wǎng)絡(luò )。下面列出了一些基本類(lèi)型的 EMI 濾波器設計及其使用方法。

EMI 濾波器設計的類(lèi)型
元件或電路	過(guò)濾器類(lèi)型	放置	應用
C	一階低通	與源分流	旁路
升	一階低通	有源系列	高頻衰減
液晶顯示器	二階低通	電感串聯(lián)，電容并聯(lián)	源 Z < 負載 Z
CL	二階高通	電容串聯(lián)，電感并聯(lián)	源 Z > 加載 Z
??	三階低通	分流/串聯(lián)/分流配置	低源和負載 Z
噸	三階低通	串聯(lián)/并聯(lián)/串聯(lián)配置	高源和負載 Z

如果選擇了正確的組件，上表中列出的 EMI 濾波器類(lèi)型是電路板上許多噪聲源的良好起點(diǎn)。 

電磁仿真技術(shù)

一旦您決定了基本設計，就需要根據您的電路和/或電路板性能規格對其進(jìn)行優(yōu)化。例如，如果您的 EMI 濾波器設計旨在驅動(dòng)其他電路或電路板，則可能需要使用額外的濾波器元件來(lái)增強設計以實(shí)現隔離、平滑或電氣參數約束（例如，固定電壓或電流）。您能夠滿(mǎn)足這些電路需求的程度取決于可用的 PCB 設計和分析工具的功能和能力。 

為獲得最佳結果，您的設計工具（必須包括 EM 仿真，如下圖所示，使用 Cadence 的 Allegro 和 PSpice）應該集成在一起。

使用 PSpice 分析低通 EMI 濾波器響應

優(yōu)化 EMI 濾波器設計通常需要評估一系列電氣參數值和頻率的性能。因此，在從原理圖轉換到布局之前，在分析您的設計以?xún)?yōu)化 EMI 緩解或抑制時(shí)，效率和精度是重要的設計過(guò)程屬性。 

最佳 EMI 濾波器 PCB 布局指南

與所有電路板設計一樣，遵循良好的 EMI 濾波器 PCB 布局指南對于可制造性至關(guān)重要。同樣，最好的設計需要采用正確的視角。 

二維 PCB 布局設計視角

布局電路板時(shí)，首先要考慮的是組件封裝的位置——無(wú)論是來(lái)自設計包的庫還是從外部源上傳——走線(xiàn)、間距或板邊間隙。這是 2-D PCB 布局設計視角，重點(diǎn)關(guān)注電路板表面的布局。

二維 PCB 布局透視圖

這些設計參數很重要，應根據指南進(jìn)行選擇，如下所列。

針對 EMC 和可制造性的表面 EMI 濾波器 PCB 布局指南

獲取并遵循您的 CM 的 DFM 規則和指南。

確保焊盤(pán)和元件庫匹配。

最大化相鄰元件（焊盤(pán)、跡線(xiàn)和環(huán)形圈）之間的間距，以最大限度地減少干擾。

根據信號類(lèi)型劃分組件。

確保走線(xiàn)寬度和尺寸足以滿(mǎn)足所需的電流容量。

確保在差分路由、最大功率傳輸等必要時(shí)建立阻抗匹配。

遵循董事會(huì )許可規則以促進(jìn)分拆。 

對高輻射設備使用屏蔽。 

充分利用絲印元件極性和參考指示器來(lái)幫助組裝。

遵循 PCB 布局指南（包括上述指南），其中降噪和高效的電路板構建是重點(diǎn)，將有助于確保您的電路板滿(mǎn)足其 EMC 目標并且構造良好。然而，由于對小型電子產(chǎn)品不斷增加的功能的需求，當今大多數電路板都需要疊層。 

3-D PCB 布局設計視角

多人 PCBA 設計不再像以前那樣是偶爾發(fā)生的活動(dòng)。相反，今天的大多數電路板設計都很小，人口密集，并且包括多層。因此，還必須采用電路板布局的 3D 透視圖，如下圖所示。

3D PCB 布局透視圖

3-D 透視類(lèi)似于 2-D 透視，因為布局、布線(xiàn)、間距和間隙仍然是主要考慮因素。但是，在這種情況下，布線(xiàn)包括通過(guò)通孔和層或平面之間的垂直組件，其中間距對于實(shí)現 EMC 和促進(jìn)一次成功 (FTR) 制造很重要，如下面的指南中所述。 

用于 EMC 和可制造性的疊層 EMI 濾波器 PCB 布局指南

根據引腳密度、不同類(lèi)型信號的數量確定層數，并在相同類(lèi)型的層之間提供良好的間距。例如，如果可能，低頻和高頻信號平面應該分開(kāi)。

不要將兩個(gè)信號層彼此相鄰放置。 

對于過(guò)孔，請使用正確的縱橫比并使用滿(mǎn)足您設計要求的最簡(jiǎn)單的制造方法。 

應用良好的接地技術(shù)——例如，為數字和模擬信號類(lèi)型使用單獨的平面，并為電路板接地使用一個(gè)中心點(diǎn)。  

確保信號平面和接地平面之間有足夠的最小間距。

選擇層材料厚度以滿(mǎn)足阻抗要求。

輻射產(chǎn)生熱量。因此，結合適當的散熱技術(shù)。

除了上述指南（對于 PCB 布局設計并非詳盡無(wú)遺，但對于實(shí)現最佳 EMC 至關(guān)重要）之外，將對稱(chēng)性應用于您的疊層是一個(gè)很好的經(jīng)驗法則。 

通過(guò)采用正確的觀(guān)點(diǎn)，包括以實(shí)現最佳 EMC 為目標進(jìn)行設計，并結合關(guān)注可制造性的 2-D 和 3-D 觀(guān)點(diǎn)，以及遵循良好的 EMI 濾波器 PCB 布局指南，您可以實(shí)現最佳設計對船上和安裝電路板的電子系統的干擾最小。