电源EMI滤波器的PCB设计
开关电源EMI滤波器原理与设计
提高设备性能
EMI滤波器可以减少电磁干扰对周围 设备的影响，提高整个系统的性能和 稳定性。
EMI滤波器的分类与特点
分类
EMI滤波器根据不同的应用场景 和需求，可分为有源滤波器和无
源滤波器。
有源滤波器特点
有源滤波器通过放大电路和比较电 路实时检测干扰信号并消除，具有 较高的滤波效果，但成本较高。
无源滤波器特点
评估
通过对EMI滤波器性能的测试数据进行统计和分析，可以评 估其性能是否满足设计要求和标准。
优化建议
根据评估结果，可以提出针对性的优化建议，如改进滤波器 电路设计、选用更高性能的器件等。同时，也可以根据实际 应用场景和需求，对EMI滤波器进行定制化设计和生产。
05
EMI滤波器在开关电源中的应 用案例
01
02
03
插入损耗
滤波器对信号的衰减程度 ，通常用分贝（dB）表示 。
阻抗
滤波器对不同频率信号的 阻抗，通常用欧姆（Ω） 表示。
带宽
滤波器对信号的频率范围 ，通常用赫兹（Hz）表示 。
EMI滤波器的工作原理及作用机理
工作原理
EMI滤波器通过在电路中引入阻抗和感抗，对高频干扰信号进行抑制，从而减 小电磁干扰对电源的影响。
电设备的安全和稳定。
以上案例表明，EMI滤波器在开 关电源中具有广泛的应用，对于 提高电源性能、确保设备安全稳
定运行具有重要作用。
06
未来发展趋势与挑战
新型EMI滤波器技术的研究与发展
新型EMI滤波器技术
随着电子设备对性能和效率的要求不断提高，新型EMI滤波器技术的研究与发展成为重要趋势。这包 括研究新的滤波器结构、材料和设计方法，以提高EMI滤波器的性能和效率。
EMI PCB设计
第二篇抗干扰3（部分）3 提高敏感器件的抗干扰性能提高敏感器件的抗干扰性能是指从敏感器件这边考虑尽量减少对干扰噪声的拾取，以及从不正常状态尽快恢复的方法。
提高敏感器件抗干扰性能的常用措施如下：（1）布线时尽量减少回路环的面积，以降低感应噪声。
（2）布线时，电源线和地线要尽量粗。
除减小压降外，更重要的是降低耦合噪声。
（3）对于单片机闲置的I/O口，不要悬空，要接地或接电源。
其它IC的闲置端在不改变系统逻辑的情况下接地或接电源。
（4）对单片机使用电源监控及看门狗电路，如：IMP809，IMP706，IMP813，X25043，X25045等，可大幅度提高整个电路的抗干扰性能。
（5）在速度能满足要求的前提下，尽量降低单片机的晶振和选用低速数字电路。
（6）IC器件尽量直接焊在电路板上，少用IC座。
第三篇印制电路板的可靠性设计-去耦电容配置在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。
例如在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。
配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制电路板的可靠性设计的一种常规做法，配置原则如下：●电源输入端跨接一个10～100uF的电解电容器，如果印制电路板的位置允许，采用100uF以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。
●为每个集成电路芯片配置一个0.01uF的陶瓷电容器。
如遇到印制电路板空间小而装不下时，可每4～10个芯片配置一个1～10uF钽电解电容器，这种器件的高频阻抗特别小，在500kHz～20MHz范围内阻抗小于1Ω，而且漏电流很小（0.5uA以下）。
●对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储型器件，应在芯片的电源线（Vcc）和地线（GND）间直接接入去耦电容。
●去耦电容的引线不能过长，特别是高频旁路电容不能带引线。
第四篇电磁兼容性和PCB设计约束（缺具体数据）PCB布线对PCB的电磁兼容性影响很大，为了使PCB上的电路正常工作，应根据本文所述的约束条件来优化布线以及元器件/接头和某些IC所用去耦电路的布局（一）、PCB材料的选择通过合理选择PCB的材料和印刷线路的布线路径，可以做出对其它线路耦合低的传输线。
开关电源EMI滤波器的设计
一、 动态对等的原则 商标是商品的包装和形象， 它必须具有高度的注 意价值和长久的记忆价值， 此外还必须具有鲜明的文 化价值。 从语言上看， 商标的构成极为简单， 同其他语 际间的转化形式相比， 其翻译过程显然不受句子、 段 落、 篇章等较深语言层次的影响。 然而， 由于其功能上 的特殊要求， 在许多翻译理论中， 动态对等是非常适用 “ 于商标翻译的。 奈达明确指出， 在动态对等翻译中， 译 者所关注的并不是源语信息和译语信息的一一对应关
开关电源的突出缺点是产生较强的电磁干扰 #$% 0 #3456789:;<46=5 %<647>474<54 2 。 #$% 信号既具有很宽的 频率范围， 又有一定的幅度， 经传导和辐射会污染电磁 环境， 对通信设备和电子产品造成干扰。 如果处理不 当， 开关电源本身就会变成一个干扰源。 电磁干扰滤波 器 （#$% ?=3647 ） 是近年来被推广应用的一种新型组合 器件。 它能有效地抑制电网噪声， 提高电子设备的抗干 扰能力及系统的可靠性， 可广泛用于电子测量仪器、 通 信设备以及家用电器中。 本文从开关电源产生 #$% 的原理出发， 介绍 #$% 的抑制措施， 重点分析 #$% 滤波器的结构和工作原理， 设计 #$% 滤波器的实际电路。 一、 开关电源产生 #$% 的原理 开关电源产生 #$% 的原因较多， 其中由基本整流 器产生的电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路 产生的尖峰电压干扰是主要原因。 基本整流器的整流 过程是产生 #$% 最常见的原因。 这是因为正弦波电源 通过整流器后变成的单向脉动电源已不再是单一频率 的电流， 此电流波可分解为一直流分量和一系列频率 不同的交流分量之和。 谐波特别是高次谐波会沿着输 电线路产生传导干扰和辐射干扰， 一方面使接在其前 端电源线上的电流波形发生畸变， 另一方面通过电源 线产生射频干扰。 就抑制传导干扰而言， 最有效的方法就是在开关 电源输入和输出电路中加装 #$% 滤波器。 开关电源的 工作频率约为 !’@AB — !’’@AB。 在电源输入端接上滤 波器， 可以抑制来自电网的噪声对电源的侵害， 也可以 抑制由开关电源产生并向电网反馈的干扰， 同时对传 输线上的辐射发射也具有显著的抑制效果。 在滤波电 路中， 选用穿心电容、 三端电容、 铁氧体磁环， 能够改善 电路的滤波特性。 二、#$% 滤波器的结构及工作原理
开关电源EMI滤波器原理与设计
EMI滤波器的分类
按安装位置分类
可以分为输入EMI滤波器和输出EMI滤波器。输入EMI滤波器安装在电源输入 端，用于抑制电网中的电磁干扰；输出EMI滤波器安装在电源输出端，用于抑 制电源对负载的电磁干扰。
按元件分类
可以分为无源EMI滤波器和有源EMI滤波器。无源EMI滤波器主要由电感和电容 组成，有源EMI滤波器则增加了运算放大器等电子元件。
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工业控制
如PLC、伺服驱动、传感器等。
汽车电子
如发动机控制、刹车控制等。
案例一：某型号电源的EMI滤波器设计
背景介绍
某型号电源在运行过程中出现了严重 的EMI干扰问题。
设计方案
采用EMI滤波器对电源输出端的干扰 进行抑制。
设计细节
根据电源的输出阻抗特性和干扰频率 ，选择合适的滤波器元件和结构。
实验验证
提高效率
优化电路拓扑结构，以提高电源的效率。例如， 采用同步整流、软开关等技术。
降低电磁干扰
合理设计电路拓扑结构，降低开关电源本身产生 的电磁干扰。
改进元件布局和布线
优化元件布局
合理安排各个元件的位置，以减小它们之间的相互干扰。
合理布线
优化线路布局，减小电流回路的大小和复杂度，以降低线路的电 感和电阻。
样品制作阶段
制作滤波器样品，并进行初步 的测试和验证。
批量生产阶段
在生产线上进行批量生产，并 进行持续的测试和验证。
应用现场阶段
在实际使用现场进行应用和验 证，确保滤波器的性能和效果
符合设计要求。
06
开关电源EMI滤波器应用 与案例分析
应用领域
电力电子设备
如电源、逆变器、变频器等。
直流电源EMI滤波器的设计
直流电源EMI滤波器的设计直流电源EMI滤波器的设计原则、网络结构、参数选择1 设计原则-满足最大阻抗失配插入损耗要尽可能增大，即尽可能增大信号的反射。
设电源的输出阻抗和与之端接的滤波器的输人阻抗分别为ZO和ZI，根据信号传输理论，当ZO≠ZI时，在滤波器的输入端口会发生反射，反射系数p＝(ZO－ZI)/(ZO＋ZI)显然，ZO与ZI相差越大，p便越大，端口产生的反射越大，EMI信号就越难通过。
所以，滤波器输入端口应与电源的输出端口处于失配状态，使EMI信号产生反射。
同理，滤波器输出端口应与负载处于失配状态，使EMI信号产生反射。
即滤波器的设什应遵循下列原则：源内阻是高阻的，则滤波器输人阻抗就应该是低阻的，反之亦然。
负载是高阻的，则滤波器输出阻抗就应该是低阻的，反之亦然。
对于EMI信号，电感是高阻的，电容是低阻的，所以，电源EMI滤波器与源或负载的端接应遵循下列原则：如果源内阻或负载是阻性或感性的，与之端接的滤波器接口就应该是容性的。
如果源内阻或负载是容性的，与之端接的滤波器接口就应该是感性的。
2 EMI滤波器的网络结构EMI信号包括共模干扰信号CM 和差模干扰信号DM，CM 和DM 的分布如图1所示。
它可用来指导如何确定EMI滤波器的网络结构和参数。
EMI滤波器的基本网络结构如图2 所示。
上述4种网络结构是电源EMI滤波器的基本结构，但是在选用时，要注意以下的间题：双向滤波功能——电网对电源、电源对电网都应该有滤波功能。
能有效地抑制差模干扰和共模干扰——工程设计中重点考虑共模干扰的抑制。
最大程度地满足阻抗失配原则。
几种实际使用的电源EMI滤波器的网络结构如图3 所示。
3 电源EMI滤波器的参数确定方法a）放电电阻的取值在允许的情况下，电阻取值要求越小越好，需要考虑以下情况：第一，电阻要求采用二级降额使用，保证可靠性。
降额系数为0.75 V，0. 6 W。
根据欧姆定律可求出n＞（0.75Ve）2/（0.6 Pe）。
开关电源EMI滤波器的设计
开关电源EMI滤波器的设计要使EMI滤波器对EMI信号有最佳的衰减特性，设计与开关电源共模、差模噪声等效电路端接的EMI滤波器时，就要分别设计抗共模干扰滤波器和抗差模干扰滤波器才能收到满意的效果。
1．抗共模干扰的电感器的设计电感器是在同一磁环上由两个绕向与匝数都相同的绕组构成。
当信号电流在两个绕组流过对，产生的磁场恰好抵消，它可几乎无损耗地传输信号。
因此，共模电流可以认为是地线的等效干扰电压Ug所引起的干扰电流。
当它流经两个绕组时，产生的磁场同相叠加，电感器对干扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了抑制地线干扰的作用。
电路如图1所示。
信号源至负载RL连接线的电阻为Rcl、Rc2，电感器自感为L1、L2，互感为M，设两绕组为紧耦合，则得到L1＝L2＝M。
由于Rc1和RL串联且Rc1＜＜RL，则可以不考虑Vg， Vg 被短路可以不考虑Vg的影响。
其中（Is是信号电流，Ig是经地线流回信号源的电流。
由基尔霍夫定律可写出：式（2）表明负载上的信号电压近似等于信号源电压，即共模电感传输有用信号时几乎不引入衰减。
由（1）式得知，共模千扰电流Ig随f：fc的比值增大而减小。
当f：fc的比值趋于无穷时，Ig=0，即干扰信号电流只在电感器的两个绕组中流过而不经过地线，这样就达到了抑制共模干扰的作用。
所以，可以根据需要抑制的干扰电压频率来设置电感器截止频率。
一般来说，当干扰电压频率f≥5fc时，即Vn：Vg≤0.197，就可认为达到有效抑制地线中心干扰的目的。
2．抗差模干扰的滤波器设计差模干扰的滤波器可以设计成Π型低通滤波器，电路如图2所示。
这种低通滤波器主要是设置电路截止频率人的值达到有效地抑制差模传导干扰的目的。
电源地两级EMI电路图
电源的两级EMI电路
电源的两级EMI电路都设计在主PCB上，一级EMI设计在较靠近电源输入口的地方，电源输入端有电磁抑制磁环，可以有效减少电磁干扰。
一颗共模滤波电容与多颗差模滤波电容组成一级EMI电路，而二级EMI电路由两颗共模滤波电容与两颗共模滤波扼流电感，完整的EMI电路设计可以最大程度滤除电网的干扰信号
ＡＣ电网火线和零线之间是低阻抗，所以与之对应的滤波器输入端也应是高阻抗串联大电感ＬＤＭ。
如果想再进一步抑制差模噪声，可以在滤波器输入端并接线间电容ＣＸ１，条
件是它的阻抗要比ＡＣ电网火线、零线之间的阻抗还要低得多。
：Cx=0.1—2.0uF。
CY=2.0nF—33nF。
Lc=几—几十mH，随工作电流不同而取不同的参数值，如电流为25A时Lc=1.8mH。
电流为0.3A时，Lc=47mH。
另外在滤波元件选择中，一定要保证输入滤波器的谐振频率低于开1-8关电源的工作频率。
由于开关电源的开关频率谐波噪声源阻抗为低阻抗，所以与之相对应的滤波器输出端应是高阻抗串联大电感ＬＤＭ。
PCB EMI设计规范
PCB EMI设计规范IC的电源PIN都有一个0.1UF的去耦电容，对于BGA CHIP，要求在BGA的四角分别有0.1UF、0.01UF的电容共8个。
对PCB走线的电源尤其要注意加滤波电容，如VTT等。
这不仅对稳定性有影响，对EMI也有很大的影响。
1 、IC的电源处理1.1)保证每个IC的电源PIN都有一个0.1UF的去耦电容，对于BGA CHIP，要求在BGA的四角分别有0.1UF、0.01UF的电容共8个。
对PCB走线的电源尤其要注意加滤波电容，如VTT 等。
这不仅对稳定性有影响，对EMI也有很大的影响。
2、时钟线的处理2.1)建议先走时钟线。
2.2)频率大于等于66M的时钟线，每条过孔数不要超过2个，平均不得超过1.5个。
2.3)频率小于66M的时钟线，每条过孔数不要超过3个，平均不得超过2.5个2.4)长度超过12inch的时钟线，如果频率大于20M，过孔数不得超过2个。
2.5)如果时钟线有过孔，在过孔的相邻位置，在第二层(地层)和第三层(电源层)之间加一个旁路电容，以确保时钟线换层后，参考层(相邻层)的高频电流的回路连续。
旁路电容所在的电源层必须是过孔穿过的电源层，并尽可能地靠近过孔，旁路电容与过孔的间距最大不超过300MIL。
2.6)所有时钟线原则上不可以穿岛。
下面列举了穿岛的四种情形。
2.6.1) 跨岛出现在电源岛与电源岛之间。
此时时钟线在第四层的背面PCB走线，第三层(电源层)有两个电源岛，且第四层的PCB走线必须跨过这两个岛。
2.6.2) 跨岛出现在电源岛与地岛之间。
此时时钟线在第四层的背面PCB走线，第三层(电源层)的一个电源岛中间有一块地岛，且第四层的PCB走线必须跨过这两个岛。
如图2.6-2所示。
2.6.3) 跨岛出现在地岛与地层之间。
此时时钟线在第一层PCB走线，第二层(地层)的中间有一块地岛，且第一层的PCB走线必须跨过地岛，相当于地线被中断。
如图2.6-3所示。
2.6.4) 时钟线下面没有铺铜。
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5 电源EMI滤波器的PCB设计
5.1 概述
电源EMI滤波器的设计对于实现及改善电子设备和系统的电磁兼容性意义重大，它不但可降低设备产生的传导干扰，而且作为无源二端口网络具有互易性，可增强设备对电网侧的传导噪声，射频辐射干扰，高压噪声，快速瞬变电脉冲群等电磁干扰的抗扰度。
正确设计EMI 滤波器的PCB是充分发挥EMI滤波器性能的重要保证。
5.2 EMI滤波器的基本结构
下图为EMI滤波器的基本结构：
L N PE
L1
C Y1C Y2
L2
L
N
PE 图63 EMI滤波器的基本结构
L1 ，L2为绕制在同一铁芯上的共模电感，其匝数相等，C Y1,C Y2为共模电容，L1与Cy1 ，L2与Cy2构成共模低通滤波器。
5.3 布局考虑
5.3.1 输入线与输出线的布置
在开关电源中，EMI滤波器的输出接开关整流器，属污染源，输出线上的噪声通过电场藕合或磁场藕合到输入线，会使EMI滤波器的效果大大降低，为了减小影响，要求EMI 滤波器的输入线与输出线间尽量隔离，不能邻近平行走线，以避免上述影响。
见下图。
⌒⌒⌒⌒⌒
⌒●
●
●
●
●
●
●
input
output
○
○
←→
噪声耦合
C x Cy
C x
图64 EMI 滤波器的输入线与输出线布置
5.3.2 多级滤波器级联
多级滤波器级联时，级间距离尽量做到远些，避免级间电感互感藕合。
多级滤波器布局的布
局，根据这一原则，选择相应的排列方式，一般是按直线型排列，且相邻两个电感方向互相垂直较好。
5.3.3 EMI 滤波器的位置
图65 EMI 滤波器的位置
EMI 滤波器，一般布置在电源线入口处，远离开关管，输出整流管，变压器，输出电感等产生噪声的源头，使EMI 滤波器有一个比较干净的工作环境。
为此，在整体布局时，应将开关管，输出整流管，变压器等污染源布置在尽量远离输入输出端口处。
已标准的前面输入输出电源模块为例，比较好的布局如下图所示，A ，B ，C 三处距离尽量远一些。
如果因为结构或其它方面的原因使滤波器与噪声源之间的距离不能缩得很短，则建议在将滤波器用金属罩或其它结构屏蔽起来，并将屏蔽可靠接地。
5.3.4 共模/差模电感的布置
在EMI 滤波器中，共模电感会产生强烈的杂散磁场，这些杂散磁场容易干扰其它器件，因此滤波电容应尽量远离，尤其是电容引线较长时更是如此。
其它敏感信号线也要避免从该区域穿过。
共模（差模）电感是由线圈绕在磁芯上组成，电感上的线圈很容易拾取干扰，因此尤其要注意使电感远离开关管变压器等易于产生干扰的地方。
下图B 中输出滤波电感产生干扰输入共模电感,使EMI 测试超标,在图A 中,将共模电感移开,并转换摆放方向,EMI 下降明显.
输入共模电
感
输入Y 电容
输出滤波电感
输入共模电感
输入Y 电容
输出滤波电感
A 正确布局
B 错误布局
图66共模/差模电感的布置
5.3.5 三相EMI 滤波器的线圈布置
三相EMI 滤波器的线圈要靠近放置，会产生电流补偿效应。
磁场泄漏会减少，插入损耗提高。
5.3.6 电容的布置
1 Y 电容放置在靠近接地螺钉的位置，使Y 电容和接地螺钉的走线最短，一般走线超过3~4CM 则电容的效果将接近于零。
Y 电容因为与机壳相连，所以布板时需要注意安规问题，必须按照有关规范执行。
5.4 布线考虑
通过认真仔细的布线，才能使EMI 滤波器发挥出预期的功能，随意的走线将使滤波器的功能较少甚至消失，下面是布线时的一些需要注意的地方。
5.4.1 电容的引线最短
抑制差模噪声电容的印制导线较细时，应使电容的引线最短，见下图。
图67 电容的引线最短
5.4.2 电容的引线开槽
抑制差模噪声电容的印制导线较宽时，在保证过电流的基础上应在电容焊盘处的铜皮上开一个近1mm小长槽，见下图。
图68 电容引线的开槽
5.4.3 接地线设计
抑制共模噪声电容的印制导线的画法，应使电容的引线最短，地线应尽量短且应适当加粗，见下图
地线短且适当加粗
●
图69 接地线设计
推荐的办法是在满足安规的前提下，对EMI滤波器部分进行大面积的铺地处理，所有走线由地平面所包围，然后将大面积地和机壳可靠相连。
5.4.4接地螺钉孔设计
接地螺钉孔金属化,且焊盘尺寸要大于安装螺钉及垫片尺寸,保证PCB上接地的可靠性。