设计EMI/EMC安全的电池包

设计EMI/EMC安全电池组技术笔记

一、核心概念

（一）EMI定义

电磁干扰（EMI）是指设备或系统发出的电磁辐射，干扰其他设备正常运行，也叫射频干扰（RFI）。它分为辐射发射（经天线结构传出系统）和传导发射（沿电源线或通信线传出系统的噪声电流）。

（二）EMC定义

电磁兼容性（EMC）指设备或系统在所处电磁环境中能正常工作，且不会对环境中的其他设备造成不可接受的电磁干扰。

二、噪声来源

实际应用场景中，EMI/RFI噪声源众多。像各类电机运转时会产生电磁干扰；手机通信、无线电广播等无线信号传输会带来射频干扰；电力线的电流波动、暖通空调（HVAC）系统、洗衣机和烘干机等电器设备运行，也都是常见的噪声源。在设计电池组时，必须了解这些噪声可能的耦合路径，才能有效减少干扰。

三、PCB中的耦合路径

（一）电感耦合（近场耦合）

两个靠近的电流回路会发生电感耦合，也叫磁耦合。一个回路（干扰源）产生的磁场会在另一个回路（受扰体）中感应出电压，其大小取决于互感以及干扰源导体中电流的变化率。源与受扰体间距小、电路回路面积大、受扰体电路阻抗高、导体或回路平行（双绞线可改善）、高频和大电流工作等情况，都会增强电感耦合。

（二）电容耦合（近场耦合）

当两个电位不同的电线靠近时，会形成虚拟电容，使一个线路上的信号耦合到另一个线路，这种通过电场实现能量耦合的方式就是电容耦合，也叫电场耦合。其耦合程度随电压摆幅和频率增加而增强，在低频段，可使用电缆屏蔽来降低电容耦合。

（三）辐射耦合（远场耦合）

当噪声源与受干扰设备距离较远（通常超过一个波长）时，会发生辐射耦合。此时，噪声源和受扰设备类似无线电天线，噪声源发射电磁波，经空间传播后被受扰设备接收。

（四）共阻抗耦合（传导干扰）

噪声源和易受干扰的设备若存在共享的电流返回路径，就可能出现共阻抗耦合，比如打开高压电器时灯光闪烁的现象。在PCB中，常见的公共接地返回路径就是共阻抗耦合的例子，采用完整、未切割的接地平面，能减少接地返回路径和噪声耦合，降低电感耦合。

四、EMI/RFI抑制方法

（一）电源线噪声抑制

共模噪声滤波（Y电容）：在多条电源线上表现相同、方向一致且经接地返回的噪声是共模噪声。在电源线和底盘接地间接入Y电容可有效抑制，但Y电容失效可能引发触电或火灾风险。Y电容失效分开路和短路两种情况，开路会降低滤波效果，短路则使电源线接地，可能导致触电。所以，要选用失效模式可控的Y电容，保障系统安全。

差模噪声滤波（X电容）：在多条电源线上表现不同的噪声是差模噪声，它在一条电源线流入，从另一条流出。在电源线间接入合适的X电容可抑制差模噪声。X电容失效同样有开路和短路情况，开路仅降低设备性能，短路则可能引发火灾，使用X电容可确保失效时系统安全。

X和Y电容的分类：安全标准根据额定电压和能承受的峰值脉冲电压，将X和Y电容分为不同类别。X电容有X1 - X3类，Y电容有Y1 - Y4类，常用的是X1、X2、Y1和Y2类，它们分别能承受4kV、2.5kV、8kV和5kV的脉冲测试。在滤波应用中，通常选用额定电压高于预期电压两倍以上的安全电容。

（二）芯片/无源EMI抑制滤波器

芯片EMI抑制滤波器是配合屏蔽和其他保护措施，抑制电子设备电磁噪声的元件，能从导线电流中提取并去除产生电磁噪声的成分。例如，扼流圈可衰减高达几百MHz频率的噪声，铁氧体电缆磁环能过滤电缆外部耦合的噪声，并减少对附近信号的电容性耦合。

（三）电磁屏蔽

电场屏蔽：也叫法拉第屏蔽，是在噪声源和受影响节点间设置导电且接地的屏蔽层，将噪声电流直接导入地，达到消除噪声的目的，但屏蔽层必须接地。

低频（LF）磁场屏蔽：低频磁场下，导电金属的趋肤深度大，需厚金属块屏蔽，通常采用高磁导率材料（如铁氧体片），为磁路提供低阻路径，防止磁场干扰电子系统。

高频（HF）磁场屏蔽：高频磁场下，导电片的趋肤深度低，可有效屏蔽高频磁场。

屏蔽外壳：一般采用导电外壳降低电场和高频磁场干扰，用高磁导率材料外壳降低低频磁场干扰，但该方法不一定适用于电池组设计。

五、布局准则

减小回路面积：使用完整的接地填充平面，可确保电流回路面积最小，从而降低电感耦合。

缩短高速信号和时钟走线长度：高速数字信号和时钟是强噪声源，缩短走线长度能减少能量耦合机会，同时要保证每条走线附近有良好的高频电流返回路径。

缩短连接到连接器的走线长度：直接连接到连接器的走线容易耦合能量，缩短其长度可降低干扰风险。

避免高频信号走线在板载I/O元件下方：在元件下方走线可能导致电容性或电感性耦合，影响元件正常工作。

集中布局连接器：将所有连接器放置在电路板的同一边缘或角落，便于控制共模电压，减少辐射发射。

避免在I/O连接器间布置高速电路：即使连接器在同一边缘，高速电路也可能在连接器间产生共模电压，引发辐射问题。

深埋关键信号或时钟走线：将关键走线布置在电源/接地平面之间，可有效限制走线产生的电磁场，防止不必要的耦合。

选择合适的数字元件：选用片外转换时间满足要求的数字元件，若转换时间过快，可通过串联电阻或铁氧体减缓，降低高次谐波功率。

保持高速或敏感走线与板边距离：高速或敏感走线应距离板边至少2X（X为走线与返回电流路径的距离），减少与外界的串扰和耦合。

成对布线差分信号：差分信号对要一起布线，并与任何实体平面保持相同距离，以保证信号平衡，降低噪声敏感性和辐射发射。

优化电源和接地连接：有电源和接地平面的电路板，使用过孔连接元件的电源或接地焊盘，避免使用走线，减少连接电感，保证高频性能。

处理接地平面：尽量保持接地平面完整，若需隔离特定区域电路，可在接地平面设置合适的间隙，但要注意避免低频返回电流干扰。