一共模濾波器的等效電路與工作原理

共模濾波器是抑制電磁干擾（EMI）的核心器件，其性能高度依賴PCB布局設(shè)計(jì)。從等效電路模型（圖1）可以看出，共模濾波器（L3）與寄生參數(shù)（C1/C2/L1/L2等）共同構(gòu)成高頻噪聲路徑。

圖（1）

1.等效電路模型

【關(guān)鍵元件】：

共模電感（L3）與寄生電容（C1/C2）、寄生電感（L1/L2）。

【噪聲路徑】：

當(dāng)共模噪聲從U1產(chǎn)生時(shí)，其傳播路徑由濾波器阻抗（ZL3）與寄生阻抗（ZC1C2L1L2）的相對(duì)大小決定。

【公式推導(dǎo)】：

圖（2）

其中，S為耦合面積，d為間距，εr為介質(zhì)常數(shù)。

2. 濾波器有效與失效條件

【有效條件】：

當(dāng)寄生阻抗Z{寄生} > Z{濾波器}，噪聲通過濾波器轉(zhuǎn)化為熱能（圖3）。

圖（3）

【失效條件】：

當(dāng)Z{寄生} < Z{濾波器}，噪聲繞過濾波器，通過寄生路徑輻射（圖4）。

圖（4）

二共模濾波器失效的四大原因

1.地平面設(shè)計(jì)不當(dāng)

當(dāng)電源地線（如連接器的接地引腳）直接連接到大面積覆銅區(qū)域時(shí)，地平面與電源走線之間會(huì)形成高頻低阻抗路徑。共模噪聲優(yōu)先通過地平面?zhèn)鞑ィ橇鹘?jīng)共模濾波器。此時(shí)，濾波器的阻抗遠(yuǎn)高于地平面路徑，導(dǎo)致噪聲“繞道而行”，無法被有效抑制。

2.濾波區(qū)覆銅過近

若共模濾波器前后走線與相鄰地平面間距過?。ㄈ纾?mm），兩者間會(huì)形成較大的分布電容。高頻噪聲（＞100MHz）通過該電容直接耦合至地平面，形成“旁路通道”，導(dǎo)致濾波器被短路。

3.分地策略錯(cuò)誤

在分地設(shè)計(jì)中，“噪聲地”（如開關(guān)電源區(qū)域）與“干凈地”（如模擬信號(hào)區(qū)域）間距不足（＜2mm），兩地平面間通過分布電容形成耦合路徑。共模噪聲通過“噪聲地→分布電容→干凈地→電源線”的環(huán)路逃逸，完全繞過濾波器。

4.走線平行/重疊

濾波器輸入與輸出走線平行或跨層重疊時(shí)，兩者間產(chǎn)生互容（電容耦合）和互感（電感耦合）。高頻噪聲通過這兩種耦合機(jī)制直接跨過濾波器，形成前饋路徑。

三共模濾波器Layout優(yōu)化案例

1. 錯(cuò)誤示范與后果

【案例1】：

未隔離濾波區(qū)，地平面直接覆銅，導(dǎo)致30MHz輻射超標(biāo)。

圖（5）

【案例2】：

輸出走線平行且間距1mm，100MHz噪聲耦合增加。

圖（6）

2. 推薦設(shè)計(jì)規(guī)則

【規(guī)則1】：

濾波器投影區(qū)向外擴(kuò)展2mm禁銅，阻斷寄生耦合。

圖（7）

【規(guī)則2】：

跨層走線垂直交叉，減少3D寄生電容。

圖（8）

四總結(jié)與設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

1.禁銅規(guī)則：濾波器投影區(qū)向外擴(kuò)展2mm，禁止覆銅。

2.走線隔離：濾波前后走線避免平行，推薦間距＞3倍線寬。

3.分地策略：分地區(qū)域間距≥2mm，跨層走線垂直布局。

4.驗(yàn)證工具：通過SI/PI仿真預(yù)判寄生參數(shù)，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)迭代優(yōu)化。