設(shè)計(jì)EMI/EMC安全電池組技術(shù)筆記

一、核心概念

（一）EMI定義

電磁干擾（EMI）是指設(shè)備或系統(tǒng)發(fā)出的電磁輻射，干擾其他設(shè)備正常運(yùn)行，也叫射頻干擾（RFI）。它分為輻射發(fā)射（經(jīng)天線結(jié)構(gòu)傳出系統(tǒng)）和傳導(dǎo)發(fā)射（沿電源線或通信線傳出系統(tǒng)的噪聲電流）。

（二）EMC定義

電磁兼容性（EMC）指設(shè)備或系統(tǒng)在所處電磁環(huán)境中能正常工作，且不會(huì)對(duì)環(huán)境中的其他設(shè)備造成不可接受的電磁干擾。

二、噪聲來(lái)源

實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，EMI/RFI噪聲源眾多。像各類電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁干擾；手機(jī)通信、無(wú)線電廣播等無(wú)線信號(hào)傳輸會(huì)帶來(lái)射頻干擾；電力線的電流波動(dòng)、暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)、洗衣機(jī)和烘干機(jī)等電器設(shè)備運(yùn)行，也都是常見(jiàn)的噪聲源。在設(shè)計(jì)電池組時(shí)，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(chǎng)耦合）

兩個(gè)靠近的電流回路會(huì)發(fā)生電感耦合，也叫磁耦合。一個(gè)回路（干擾源）產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì)在另一個(gè)回路（受擾體）中感應(yīng)出電壓，其大小取決于互感以及干擾源導(dǎo)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(dǎo)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(huì)增強(qiáng)電感耦合。

（二）電容耦合（近場(chǎng)耦合）

當(dāng)兩個(gè)電位不同的電線靠近時(shí)，會(huì)形成虛擬電容，使一個(gè)線路上的信號(hào)耦合到另一個(gè)線路，這種通過(guò)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)能量耦合的方式就是電容耦合，也叫電場(chǎng)耦合。其耦合程度隨電壓擺幅和頻率增加而增強(qiáng)，在低頻段，可使用電纜屏蔽來(lái)降低電容耦合。

（三）輻射耦合（遠(yuǎn)場(chǎng)耦合）

當(dāng)噪聲源與受干擾設(shè)備距離較遠(yuǎn)（通常超過(guò)一個(gè)波長(zhǎng)）時(shí)，會(huì)發(fā)生輻射耦合。此時(shí)，噪聲源和受擾設(shè)備類似無(wú)線電天線，噪聲源發(fā)射電磁波，經(jīng)空間傳播后被受擾設(shè)備接收。

（四）共阻抗耦合（傳導(dǎo)干擾）

噪聲源和易受干擾的設(shè)備若存在共享的電流返回路徑，就可能出現(xiàn)共阻抗耦合，比如打開(kāi)高壓電器時(shí)燈光閃爍的現(xiàn)象。在PCB中，常見(jiàn)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(xiàn)相同、方向一致且經(jīng)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(fā)觸電或火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。Y電容失效分開(kāi)路和短路兩種情況，開(kāi)路會(huì)降低濾波效果，短路則使電源線接地，可能導(dǎo)致觸電。所以，要選用失效模式可控的Y電容，保障系統(tǒng)安全。

差模噪聲濾波（X電容）：在多條電源線上表現(xiàn)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(kāi)路和短路情況，開(kāi)路僅降低設(shè)備性能，短路則可能引發(fā)火災(zāi)，使用X電容可確保失效時(shí)系統(tǒng)安全。

X和Y電容的分類：安全標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)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(cè)試。在濾波應(yīng)用中，通常選用額定電壓高于預(yù)期電壓兩倍以上的安全電容。

（二）芯片/無(wú)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(hù)措施，抑制電子設(shè)備電磁噪聲的元件，能從導(dǎo)線電流中提取并去除產(chǎn)生電磁噪聲的成分。例如，扼流圈可衰減高達(dá)幾百M(fèi)Hz頻率的噪聲，鐵氧體電纜磁環(huán)能過(guò)濾電纜外部耦合的噪聲，并減少對(duì)附近信號(hào)的電容性耦合。

（三）電磁屏蔽

電場(chǎng)屏蔽：也叫法拉第屏蔽，是在噪聲源和受影響節(jié)點(diǎn)間設(shè)置導(dǎo)電且接地的屏蔽層，將噪聲電流直接導(dǎo)入地，達(dá)到消除噪聲的目的，但屏蔽層必須接地。

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

高頻（HF）磁場(chǎng)屏蔽：高頻磁場(chǎng)下，導(dǎo)電片的趨膚深度低，可有效屏蔽高頻磁場(chǎng)。

屏蔽外殼：一般采用導(dǎo)電外殼降低電場(chǎng)和高頻磁場(chǎng)干擾，用高磁導(dǎo)率材料外殼降低低頻磁場(chǎng)干擾，但該方法不一定適用于電池組設(shè)計(jì)。

五、布局準(zhǔn)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(hào)和時(shí)鐘走線長(zhǎng)度：高速數(shù)字信號(hào)和時(shí)鐘是強(qiáng)噪聲源，縮短走線長(zhǎng)度能減少能量耦合機(jī)會(huì)，同時(shí)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(zhǎng)度：直接連接到連接器的走線容易耦合能量，縮短其長(zhǎng)度可降低干擾風(fēng)險(xiǎn)。

避免高頻信號(hào)走線在板載I/O元件下方：在元件下方走線可能導(dǎo)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(fā)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(chǎn)生共模電壓，引發(fā)輻射問(wèn)題。

深埋關(guān)鍵信號(hào)或時(shí)鐘走線：將關(guān)鍵走線布置在電源/接地平面之間，可有效限制走線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，防止不必要的耦合。

選擇合適的數(shù)字元件：選用片外轉(zhuǎn)換時(shí)間滿足要求的數(shù)字元件，若轉(zhuǎn)換時(shí)間過(guò)快，可通過(guò)串聯(lián)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(yīng)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?dāng)_和耦合。

成對(duì)布線差分信號(hào)：差分信號(hào)對(duì)要一起布線，并與任何實(shí)體平面保持相同距離，以保證信號(hào)平衡，降低噪聲敏感性和輻射發(fā)射。

優(yōu)化電源和接地連接：有電源和接地平面的電路板，使用過(guò)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(qū)域電路，可在接地平面設(shè)置合適的間隙，但要注意避免低頻返回電流干擾。