EMI/EMC 设计要点：从滤波器到屏蔽的完整解决方案
更新时间：2025-12-04 09:52:01
晨欣小编
1. 基本概念速览（必须理解）
干扰源（源端）：开关器件、数字切换、电流突变（di/dt）、不完全的开关波形。
耦合路径：传导（沿电源线、信号线）与辐射（电场/磁场）；近场耦合与远场耦合。
受害体：被干扰的电路（模拟、射频、敏感传感器、时钟等）。
关键目标：把干扰限制在可接受的频谱/幅度，或切断耦合路径（阻断/衰减/屏蔽/接地）。
2. 设计顺序与总体策略（先源后路后受）
降低源产生：适当斜率控制、软开关（或RC/RC+网络）、减小回路面积（开关回路、去耦点靠近器件）。
切断耦合路径：合理布线、差分信号、屏蔽、屏蔽电缆、使用适当滤波器。
局部抑制与系统级屏蔽：在接口、外壳、穿墙处加入滤波与屏蔽，保证设备外部辐射合规。
测试—修正—迭代（测量用 LISN、频谱仪、近场探针）。
3. PCB 与器件层面的“源头”控制
缩短开关回路：把功率器件、电感/电容放在一组，降低回路面积，减少共模辐射与瞬态尖峰。
去耦电容：多级（大电容 + 中频陶瓷 + 高频陶瓷），并且放置靠近 IC 电源引脚，地回流路径最短。
电源平面/地平面：优先使用连续的电源与地平面；信号穿越平面时避免长的分割缝，必要时做桥接。
差分信号走线：保持差分对间距和阻抗控制，避免不对称引起共模。
走线守则：信号回流路径优先，避免长平行走线（会造成耦合），敏感模拟走线和高速数字走线分区。
4. 常用滤波器类型与设计要点
说明：滤波目标分“传导干扰（电源线）”与“信号线干扰”。
4.1 电源滤波（传导干扰）
LC / π（Pi）滤波器：常见于开关电源输入/输出。
选择原则：低频先用电感过滤（大电流），高频靠电容旁路。
注意电感的 差模/共模 区别：差模电感用于差动（正负电流方向相反），共模电感用于抑制两线同时流向外部的共模噪声。
共模扼流圈（CM choke）：用于抑制共模传导噪声，常放在 AC-DC 输入或 USB/Gbit 接口处。
Y 电容 / X 电容：X 电容并接在两相之间抑制差模；Y 电容接地抑制共模（与安全规范相关——Y 电容会把噪声传到地，注意绝缘/漏电流限值与认证要求）。
输入滤波与安全：针对与市电连接的设备，滤波器必须符合安全规范（如 X/Y 电容的分类与泄漏电流限制）。
4.2 信号线滤波（接口）
共模滤波器（CMC）：用于 USB、Ethernet、HDMI 等接口，抑制共模噪声同时对差模信号影响小。
差分终端与串联电阻：系列小电阻（10–33Ω）用于阻尼减少反射与振铃，从而降低高频辐射。
EMI 滤波网络（LC/RC）：对于低速信号，RC 或小 LC 可抑制高频分量。
共模电感 + AC coupling / DC-blocking：常见于高速接口保护 EMI。
4.3 滤波设计的实用步骤（示例）
画出电路模型（源阻抗、寄生电感、电容）。
确定需要衰减的频段（测量或基于开关频率及其谐波）。
选型：计算目标截止频率 fc；LC 的 fc ≈ 1/(2π√(LC))。
仿真（SPICE）并留意器件寄生（电感的分布电容、陶瓷电容的自谐频率）。
布局验证：滤波器与地面靠近，短回流路径。
5. 接地与接地策略（最容易出错也是最关键）
单点接地 vs 多点接地：小系统/低频倾向单点接地；高频或大功率系统更倾向多点接地（局部短回路）。常用混合策略（模拟地与数字地在单点连接，电源地局部多点）。
机壳接地（Chassis EARTH）：将外壳接地作为屏蔽参考，保证在接口处有低阻抗到机壳的路径。
接地回流路径：任何信号产生的返回电流都应沿最短路径返回，避免通过地平面长距离环路。
地分割注意事项：不要随意在电源/地平面开大槽；若必须分割，应保证通过专用滤波或旁路进行跨接。
6. 屏蔽（Shielding）——做外壳也是做滤波
屏蔽类型：
全封闭金属外壳（最佳）；
金属涂层/导电喷涂（成本低）；
局部屏蔽罩（对单个噪声源，例如开关器件和电感）。
屏蔽要点：
屏蔽必须连到机壳接地（chassis），避免浮空。
屏蔽缝隙要最小化（长窄缝容易泄漏高频）。
开孔（散热孔）采用蜂窝/网格设计或在孔周围做滤波化设计。
屏蔽与 PCB 的接触使用导电垫圈/导电胶/弹性导电垫，保证低阻接触。
穿墙（feedthrough）过滤：信号/电源出入箱体处使用穿隔滤波器或滤波器插座，防止屏蔽被“绕过”。
7. 电缆与连接器的处理
电缆是最容易泄漏 EMI 的“天线”：优先思考把敏感/高频信号限制在箱内，必要时使用屏蔽电缆并在两端正确接地（通常一端或两端根据标准/接地策略）。
使用滤波器/磁环（ferrite beads / clamp-on ferrite）在电缆近端：对共模噪声效果显著。
信号线屏蔽：屏蔽层应在一端或两端接地（注意环路电流问题，参照地策略）。
插头/连接器：选择带屏蔽壳和滤波功能的连接器，确保插合处的接地连续性。
8. 常见 EMI 问题与快速排查流程
发现问题：频谱仪/接收机测得超标频段（例如 30–230 MHz、above）。
近场探测：用近场探针（电/磁）定位高场点（PCB 上回路、电感、开关节点、电缆）。
临时抑制验证（快速试错）：
在疑点加一点串联电阻（10–51Ω）看辐射是否下降（用于信号振铃）。
在疑点加临时电容（陶瓷）到地或改变去耦位置。
把线束缠上铁氧体夹（ferrite clamp），看传导/辐射是否改善。
确认路径：用屏蔽盒/铝箔覆盖怀疑模块，看抑制是否来自该模块（如果是，考虑局部屏蔽或更好的滤波）。
系统化修复：按上面措施（滤波、屏蔽、缩回路）逐项优化，再测。
9. 常用元件与选型建议（快速参考）
陶瓷去耦电容：C0G/NP0 或 X7R，根据频率特性选择，多级并联。注意陶瓷电容随 DC 偏置容值下降（高压场景注意）。
铝电解 / 钽 用于低频能量缓冲：放在输入电源的大容量位置，但不要替代高频去耦。
共模电感：选择额定电流 >= 工作电流，低漏磁。
共模扼流 + 差模扼流：针对不同干扰选择合适类型。
铁氧体磁环 / 夹：作为快速排查或最终抑制，关注阻抗曲线（频率相关）。
穿隔滤波器（feedthrough capacitor）：在机壳穿墙处使用，提供很好的屏蔽穿透抑制。
10. 机箱与机械注意点（实际工程经常忽略）
机箱接缝/门缝/接口处的接地连续性：使用弹性导电垫圈、金属卡扣、导电胶带。缝隙越小越好。
天线效应：长金属导线或不良接地的机壳部位会变“天线”。把长线改短或加入阻尼/滤波。
通风孔设计：孔径和间距会决定泄漏频率范围，必要时加入金属网或在孔周围加滤波结构。
涂层：导电涂层可在塑料外壳上实现屏蔽效果，但需要考虑耐久性与接地连接。
11. EMC 测试与验证（常用方法）
传导发射：使用 LISN（Line Impedance Stabilization Network）测量电源线上的噪声（常测 150 kHz–30 MHz）。
辐射发射：在半消声室或全消声室使用天线 + 3m/10m 测试法测量（常测 30 MHz–1 GHz 或更高）。
近场扫描：频谱仪 + 近场探针定位热点。
传导抗扰度 / 辐射抗扰度：按照对应标准（IEC/CISPR/EN）施加扰动并测试设备功能（如 ESD、辐射抗扰度）。
记录：测试时记录频谱、设备工况（负载、外接线缆）、接地方式与修正措施，为后续整改留证据链。
12. 设计流程清单（Practical Checklist）
画功率回路与回流路径图；优化器件摆放。
去耦：每个 IC 电源引脚附近放 0.01–0.1μF（高速）以及 1–10μF（中低频）。
电源输入处：CM choke + X/Y 电容 + 滤波器（按认证需求）。
信号走线差分与阻抗控制；避免平行长线段。
对于高 di/dt 节点加局部屏蔽或屏蔽罩。
机壳、接口处加入穿墙滤波器或滤波连接器，电缆末端添加铁氧体。
把长度 > 1/10 波长的裸线进行处理（波长 f=300MHz 对应 λ≈1m，注意）——一般认为在高频时很短也可能当天线。
做近场测量（原型板），快速定位问题并用铁氧体/系列电阻做临时验证。
进行正式 EMC 测试，按标准记录失败频点并反向修复。
做抗扰度测试，验证设备在 EMI 环境下稳定工作。
13. 常见误区（避免踩坑）
把所有地都打在一起就万事大吉 —— 实际上会造成大型地环路；要设计合理回流路径。
只在最终做屏蔽 —— 屏蔽可以掩盖设计缺陷，但最好把问题在 PCB/电路层次解决。
盲目加大去耦电容而不看位置和回流路径 —— 可能把噪声“移动”到别处。
不重视接地的机械实现 —— 屏蔽接触不好，测试会非常糟糕。
14. 快速故障修复技巧（实战小妙招）
在怀疑的 IC 电源或开关节点放一个 1–10 nF 低电感陶瓷，观察谱线变化。
把疑点区域用铝箔临时包起来（接地），看辐射是否骤降（定位有效）。
将电缆绕在铁氧体上多圈或换成屏蔽线测试。
加串联小电阻（10–100Ω）观察高频谐波是否被衰减（调阻尼）。
售前客服