原创 开关电源非隔离高低压混合布板方式

2018-3-18 12:53 5134 29 11 分类: 电源/新能源 文集: 电源
去年雨滴投资了一家做变频水泵的公司亿曼,雨滴这边负责做变频器的研发,这是一款低成本紧凑式小功率变频器,因为低成本而且紧凑式,所以单片机没有采用光耦隔离而是直接驱动,此外因为低成本紧凑要求,采用双面板,并且按键,指示灯,数码管都跟高压区交织混合在一起。

因为以前没有做变频器的经验,所以采购了市场上的同类产品作为参考,恢复了电路图并且基于对方的控制时序,样机很快就出来了,测试也没有发现什么问题,感觉难度不大,比较顺利,于是我也就没怎么管,让同事直接负责。

去年年底亿曼那边反馈,长期测试下发现按键偶尔会乱跳,比如按“+”键,结果“-”键也会起作用,而电路设计中不应该出现这个问题,考虑到当时我为了简化设计,去掉了一些电容,于是想着这个问题可能是因为去掉的电容引起的,所以开年之后调整了电路设计,在按键这儿加了滤波电容,让按键的硬件设计足够稳定,之前是采用软件滤波来实现。此外局部改进了单片机的供电设计,原来的辅助电源310VDC通过开关电源(VIPERA12A)转到15VDC,15VDC再通过开关电源(MC34063)转到3.3VDC,我把后级15VDC转3.3VDC改成了更低成本更可靠的AMS1117,提高可靠性。因为开关电源存在上电冲击的可能,改成模拟电源可靠性可以提高。此外为了解决高温带来的小电解电容失效,改用瓷片电容替换小电解电容。

本来期望这个版本会比较好的,板子回来焊接调试好交给亿曼测试,很快亿曼反馈按键问题还是存在,这个问题不仅没解决,反而更频繁了,这一下引起我的重视,因为马上要下批量订单了,这些看起来无关痛痒的乌云,往往会酿成大祸。但是当时的第一反应应该是软件设计存在bug,让负责软件的同事好好分析一下。
因为有多个变频器项目在运行,其中有一个箱式的变频器,面板上有数码管和按键,它跟功率板分离的,两者通过较长的排线连接,一般的设计方式是在面板上放一颗stm8这类的单片机,两者通讯连接,而我们考虑到低成本,也为了简化设计,不想在面板上加单片机,但这样因为较长的引线,会出现较强的干扰进入功率板的单片机中。于是专门跟硬件设计人员讲解这类强干扰PCB的设计方式,尤其强调如何抗干扰。

这个时候,负责软件的同事找不出按键问题,于是把问题矛头引向了硬件,恰好硬件人员听了我的抗干扰设计原理,想到原来的板子按键中有两颗滤波电容的位置就放在高压区内,于是怀疑是否是这个电容引起的,参考我给的方案,把这两颗电容移入单片机所在的地平面内,靠近单片机,这个按键乱的问题就消失了,之后长期测试都没有发现,于是把这个结果告诉我,我过来看了一下,确实是PCB布线不规范,按键线被高频高压干扰了导致的问题。

因为这个问题的解决,让我内心比较担忧,毕竟这类消费类变频器,利润比较低,量比较大,一旦出现质量问题,客户不再信任,那将是灾难性的问题。我们参考的变频器厂家,听客户说不良率有些高,经常表现为炸电解电容、单片机丢程序等问题,并且看他们的机器也在不停的改进,于是我又找来他们的板子分析,发现他们在PCB布线方面还比较初级,没有考虑高低压的干扰问题,相反,我们这边因为是做手机出身,同时又是做大功率高频电源的,所以把手机及大功率高频电源的PCB设计经验融入了进去,开局方面就比他们高一层,只是按键这个问题,因为一开始的顺利让自己掉以轻心,没有足够的重视,一直让同事负责PCB设计导致的问题,于是接下来的几天,自己不停琢磨这类非隔离高低压混合PCB布线的理论模型,便于指导同事布线。
非隔离变频器,单片机部分是最脆弱的,所以要保证单片机的可靠运行,其电源及各个IO都需要被保护住,而地因为非隔离,所以单片机的地是跟高压的地连接在一起的,没办法隔离,那就充分利用地来做单片机的保护墙,在单片机所在的区域背面,铺一层完整的地作为屏蔽层,利用地铜皮抗磁场特性及等电位,实现电磁屏蔽。
其次3.3V电源,加一颗3.6V的稳压二极管保护,避免电源被强干扰影响导致单片机跑飞,一般我设计的设备都没有看门狗的,这就需要在硬件上下功夫,确保系统可靠运行。
最后,各个IO因为没有隔离,都需要抗干扰保护,比如按键输入,就可以用滤波电容来保护,需要注意的是,这颗滤波电容必须要放在单片机附近的地平面内,若这颗电容在高压区,则毫无意义,反而起坏作用。输出的LED灯,数码管等,都需要通过串联电阻或者三极管实现保护,这样哪怕强干扰过来,可以有串联的电阻抵抗一部分的干扰。注意这个电阻或者三极管都需要放置在地平面内。IO很容易受到强干扰影响,所以需要通过类似RC电路,保护IO。

以上三点可以这么理解:
1、单片机最脆弱,所以要保护单片机,于是构建一个以单片机为核心的城堡,那就是地平面
2、确保供电可靠,城堡内加稳压二极管
3、确保各个IO通道可靠,城堡内加RC滤波(自己根据实际情况决定或者R或者C,不一定非要RC),LED、KEY等外设都对地设计,不要悬空,这样可以降低静电和干扰
还有第四点,在高频高压区的按键或者LED灯,尽可能远离高压(降低电场干扰),同时回路包围的面积要尽可能的小(降低磁场干扰)
下图为示意图:


干扰问题本质跟静电设计原理是一样的,都是堵和疏的方式。

此外考虑到变频器在应用场合,存在水汽问题,高压之间的器件,尽可能距离远一些,这样对水汽有一定的防范作用,哪怕涂了三防漆也有好处。

文章评论4条评论)

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wjx943_536273043 2019-2-24 16:37

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keendawn_745908826 2018-3-22 11:41

你们同事犯的那个电容错误,也算是比较低级的了。

eeNick 2018-3-21 14:39

厉害,学习了

moniqiuwen 2018-3-19 10:29

受教
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