PCB设计中的滤波技术：信号处理与电源稳定的关键（下）

---/// 滤波电路的形式 ///---

滤波电路在EMC设计中主要用于衰减高频噪声，因此通常设计为低通滤波器。根据应用场景的不同，可以选择多种滤波器结构。

电感滤波器适合高频时源阻抗和负载阻抗较小的情况。

电感滤波器（为昕原理图工具 Jupiter 绘制）

电容滤波器则适用于高频时源阻抗和负载阻抗较大的场合。

电容滤波器（为昕原理图工具 Jupiter 绘制）

L形滤波器有两种变体，一种适合源阻抗小而负载阻抗大的场景，另一种则适用于源阻抗大而负载阻抗小的情况。

L形滤波器（为昕原理图工具 Jupiter 绘制）

Π型滤波器，当高频时源阻抗与负载阻抗均较大时，Π型滤波器是理想选择；

Π型滤波器（为昕原理图工具 Jupiter 绘制）

T型滤波器，而当源阻抗与负载阻抗都较小时，T型滤波器更为适合。

T型滤波器（为昕原理图工具 Jupiter 绘制）

此外，电源EMI滤波器也是一种常见应用，专门用于抑制电源系统中的电磁干扰。

电源EMI滤波器（为昕原理图工具 Jupiter 绘制）

滤波电路的布局与布线

在设计滤波电路的布局与布线时,需要严格遵循几项重要原则。

首先，滤波电路必须使用低阻抗地，并确保不同功能电路之间不存在共地阻抗，以避免干扰。

其次，滤波电路的输入和输出线路应保持分离,不能交叉走线。

应尽量缩短信号路径并保持简洁，同时尽可能减小滤波电容的等效串联电感(ESL)和等效串联电阻(ESR)。

最后，接口滤波电路应放置在尽可能靠近接插件的位置，以提高滤波效果。

---/// 电容在PCB的EMC设计中的应用 ///---

滤波电容的种类

电容是PCB的EMC设计中最广泛使用的元件之一，根据功能可分为三类：

1，去耦电容用于打破系统或电路端口间的耦合；

2，旁路电容为瞬态能量提供到地的低阻抗通路；

3，储能电容则确保负载快速变化时电压稳定。

实际使用的电容并非理想元件，而是具有等效串联电感和电阻的复合结构。这导致滤波电容不是理想的低通滤波器，而是表现为以自谐振点为中心的带通滤波特性。

电容自谐振问题

实际使用的电容并非理想元件，而是具有等效串联电感和电阻的复合结构。这导致滤波电容不是理想的低通滤波器，而是表现为以自谐振点为中心的带通滤波特性。

理想电容器与实际电容器的等效电路示意图（为昕原理图工具 Jupiter 绘制）

当多个电容并联使用时，由于ESL和ESR的存在，会产生反谐振问题，在某些频段可能导致阻抗增加而非减小。这一现象与电容的ESR值成反比，随着ESR减小，反谐振点的阻抗会增大。因此，在设计中应选择电容值在较大范围内均匀分布且ESR适中的电容组合，而非使用少量ESR极小的电容。此外，电容的封装和结构也会影响其ESL值，进而影响谐振特性，应尽量选择ESL较小的电容。

单个电容的实际幅频特性

图A给出了电容并联的等效原理图，图B给出了它们的真实的幅度-频率特性。

图A并联电容的等效原理图（为昕原理图工具 Jupiter 绘制）

图B并联电容的真实幅频特性

去耦电容与旁路电容的设计建议

对于去耦和旁路电容，建议根据产品资料中的自谐振特性选择适合设计需求的电容，并在需要的频率范围内添加足够多的电容。每个IC电源管脚附近至少应放置一个去耦电容，并尽可能将旁路电容与IC放在同一PCB平面上。对于多时钟系统，可考虑分割电源平面并为每部分使用合适容值的电容。当系统时钟频率变化范围较宽时，可并联容值比接近2:1的两个电容，以提供更宽的低阻抗区间。

布局举例

多始终系统的去耦电容的设计

储能电容的设计

储能电容则用于保证负载快速变化时供电电压的稳定性，可分为板极储能电容和器件级储能电容。板极储能电容在单板上均匀分布，确保整体供电稳定；器件级储能电容则放置在高频、高功耗器件周围，保证局部供电稳定。通常选用表贴封装的钽电容，根据需要选择不同容值，并在同一供电电压的芯片群落内均匀分布。

储能电容的分布