EMC共模滤波器Layout设计

 

一共模滤波器的等效电路与工作原理

共模滤波器是抑制电磁干扰（EMI）的核心器件，其性能高度依赖PCB布局设计。从等效电路模型（图1）可以看出，共模滤波器（L3）与寄生参数（C1/C2/L1/L2等）共同构成高频噪声路径。

图（1）

1.等效电路模型

【关键元件】：

共模电感（L3）与寄生电容（C1/C2）、寄生电感（L1/L2）。  

【噪声路径】：

当共模噪声从U1产生时，其传播路径由滤波器阻抗（ZL3）与寄生阻抗（ZC1C2L1L2）的相对大小决定。  

【公式推导】：

图（2）

其中，S 为耦合面积，d为间距，εr为介质常数。

2. 滤波器有效与失效条件

【有效条件】：

当寄生阻抗Z{寄生} > Z{滤波器}，噪声通过滤波器转化为热能（图3）。

图（3）

【失效条件】：

当Z{寄生} < Z{滤波器}，噪声绕过滤波器，通过寄生路径辐射（图4）。

图（4）

二共模滤波器失效的四大原因

1.地平面设计不当

当电源地线（如连接器的接地引脚）直接连接到大面积覆铜区域时，地平面与电源走线之间会形成高频低阻抗路径。共模噪声优先通过地平面传播，而非流经共模滤波器。此时，滤波器的阻抗远高于地平面路径，导致噪声“绕道而行”，无法被有效抑制。

2.滤波区覆铜过近

若共模滤波器前后走线与相邻地平面间距过小（如＜2mm），两者间会形成较大的分布电容。高频噪声（＞100MHz）通过该电容直接耦合至地平面，形成“旁路通道”，导致滤波器被短路。

3.分地策略错误

在分地设计中，“噪声地”（如开关电源区域）与“干净地”（如模拟信号区域）间距不足（＜2mm），两地平面间通过分布电容形成耦合路径。共模噪声通过“噪声地→分布电容→干净地→电源线”的环路逃逸，完全绕过滤波器。

4.走线平行/重叠

滤波器输入与输出走线平行或跨层重叠时，两者间产生互容（电容耦合）和互感（电感耦合）。高频噪声通过这两种耦合机制直接跨过滤波器，形成前馈路径。

三共模滤波器Layout优化案例

1. 错误示范与后果

【案例1】：

未隔离滤波区，地平面直接覆铜，导致30MHz辐射超标。

图（5）

【案例2】：

输出走线平行且间距1mm，100MHz噪声耦合增加。

图（6）

2. 推荐设计规则

【规则1】：

滤波器投影区向外扩展2mm禁铜，阻断寄生耦合。

图（7）

【规则2】：

跨层走线垂直交叉，减少3D寄生电容。

图（8）

四总结与设计准则

1.禁铜规则：滤波器投影区向外扩展2mm，禁止覆铜。  

2.走线隔离：滤波前后走线避免平行，推荐间距＞3倍线宽。  

3.分地策略：分地区域间距≥2mm，跨层走线垂直布局。 

4.验证工具：通过SI/PI仿真预判寄生参数，结合实测数据迭代优化。