設計EMI/EMC安全電池組技術筆記

一、核心概念

（一）EMI定義

電磁干擾（EMI）是指設備或系統發出的電磁輻射，干擾其他設備正常運行，也叫射頻干擾（RFI）。它分為輻射發射（經天線結構傳出系統）和傳導發射（沿電源線或通信線傳出系統的噪聲電流）。

（二）EMC定義

電磁兼容性（EMC）指設備或系統在所處電磁環境中能正常工作，且不會對環境中的其他設備造成不可接受的電磁干擾。

二、噪聲來源

實際應用場景中，EMI/RFI噪聲源眾多。像各類電機運轉時會產生電磁干擾；手機通信、無線電廣播等無線信號傳輸會帶來射頻干擾；電力線的電流波動、暖通空調（HVAC）系統、洗衣機和烘干機等電器設備運行，也都是常見的噪聲源。在設計電池組時，必須了解這些噪聲可能的耦合路徑，才能有效減少干擾。

三、PCB中的耦合路徑

（一）電感耦合（近場耦合）

兩個靠近的電流回路會發生電感耦合，也叫磁耦合。一個回路（干擾源）產生的磁場會在另一個回路（受擾體）中感應出電壓，其大小取決于互感以及干擾源導體中電流的變化率。源與受擾體間距小、電路回路面積大、受擾體電路阻抗高、導體或回路平行（雙絞線可改善）、高頻和大電流工作等情況，都會增強電感耦合。

（二）電容耦合（近場耦合）

當兩個電位不同的電線靠近時，會形成虛擬電容，使一個線路上的信號耦合到另一個線路，這種通過電場實現能量耦合的方式就是電容耦合，也叫電場耦合。其耦合程度隨電壓擺幅和頻率增加而增強，在低頻段，可使用電纜屏蔽來降低電容耦合。

（三）輻射耦合（遠場耦合）

當噪聲源與受干擾設備距離較遠（通常超過一個波長）時，會發生輻射耦合。此時，噪聲源和受擾設備類似無線電天線，噪聲源發射電磁波，經空間傳播后被受擾設備接收。

（四）共阻抗耦合（傳導干擾）

噪聲源和易受干擾的設備若存在共享的電流返回路徑，就可能出現共阻抗耦合，比如打開高壓電器時燈光閃爍的現象。在PCB中，常見的公共接地返回路徑就是共阻抗耦合的例子，采用完整、未切割的接地平面，能減少接地返回路徑和噪聲耦合，降低電感耦合。

四、EMI/RFI抑制方法

（一）電源線噪聲抑制

共模噪聲濾波（Y電容）：在多條電源線上表現相同、方向一致且經接地返回的噪聲是共模噪聲。在電源線和底盤接地間接入Y電容可有效抑制，但Y電容失效可能引發觸電或火災風險。Y電容失效分開路和短路兩種情況，開路會降低濾波效果，短路則使電源線接地，可能導致觸電。所以，要選用失效模式可控的Y電容，保障系統安全。

差模噪聲濾波（X電容）：在多條電源線上表現不同的噪聲是差模噪聲，它在一條電源線流入，從另一條流出。在電源線間接入合適的X電容可抑制差模噪聲。X電容失效同樣有開路和短路情況，開路僅降低設備性能，短路則可能引發火災，使用X電容可確保失效時系統安全。

X和Y電容的分類：安全標準根據額定電壓和能承受的峰值脈沖電壓，將X和Y電容分為不同類別。X電容有X1 - X3類，Y電容有Y1 - Y4類，常用的是X1、X2、Y1和Y2類，它們分別能承受4kV、2.5kV、8kV和5kV的脈沖測試。在濾波應用中，通常選用額定電壓高于預期電壓兩倍以上的安全電容。

（二）芯片/無源EMI抑制濾波器

芯片EMI抑制濾波器是配合屏蔽和其他保護措施，抑制電子設備電磁噪聲的元件，能從導線電流中提取并去除產生電磁噪聲的成分。例如，扼流圈可衰減高達幾百MHz頻率的噪聲，鐵氧體電纜磁環能過濾電纜外部耦合的噪聲，并減少對附近信號的電容性耦合。

（三）電磁屏蔽

電場屏蔽：也叫法拉第屏蔽，是在噪聲源和受影響節點間設置導電且接地的屏蔽層，將噪聲電流直接導入地，達到消除噪聲的目的，但屏蔽層必須接地。

低頻（LF）磁場屏蔽：低頻磁場下，導電金屬的趨膚深度大，需厚金屬塊屏蔽，通常采用高磁導率材料（如鐵氧體片），為磁路提供低阻路徑，防止磁場干擾電子系統。

高頻（HF）磁場屏蔽：高頻磁場下，導電片的趨膚深度低，可有效屏蔽高頻磁場。

屏蔽外殼：一般采用導電外殼降低電場和高頻磁場干擾，用高磁導率材料外殼降低低頻磁場干擾，但該方法不一定適用于電池組設計。

五、布局準則

減小回路面積：使用完整的接地填充平面，可確保電流回路面積最小，從而降低電感耦合。

縮短高速信號和時鐘走線長度：高速數字信號和時鐘是強噪聲源，縮短走線長度能減少能量耦合機會，同時要保證每條走線附近有良好的高頻電流返回路徑。

縮短連接到連接器的走線長度：直接連接到連接器的走線容易耦合能量，縮短其長度可降低干擾風險。

避免高頻信號走線在板載I/O元件下方：在元件下方走線可能導致電容性或電感性耦合，影響元件正常工作。

集中布局連接器：將所有連接器放置在電路板的同一邊緣或角落，便于控制共模電壓，減少輻射發射。

避免在I/O連接器間布置高速電路：即使連接器在同一邊緣，高速電路也可能在連接器間產生共模電壓，引發輻射問題。

深埋關鍵信號或時鐘走線：將關鍵走線布置在電源/接地平面之間，可有效限制走線產生的電磁場，防止不必要的耦合。

選擇合適的數字元件：選用片外轉換時間滿足要求的數字元件，若轉換時間過快，可通過串聯電阻或鐵氧體減緩，降低高次諧波功率。

保持高速或敏感走線與板邊距離：高速或敏感走線應距離板邊至少2X（X為走線與返回電流路徑的距離），減少與外界的串擾和耦合。

成對布線差分信號：差分信號對要一起布線，并與任何實體平面保持相同距離，以保證信號平衡，降低噪聲敏感性和輻射發射。

優化電源和接地連接：有電源和接地平面的電路板，使用過孔連接元件的電源或接地焊盤，避免使用走線，減少連接電感，保證高頻性能。

處理接地平面：盡量保持接地平面完整，若需隔離特定區域電路，可在接地平面設置合適的間隙，但要注意避免低頻返回電流干擾。