PCB布板不当引起Surge测试Fail的原因分析和改善方案探讨

2018-03-06任国兵

家电科技 2018年2期

关键词：走线干扰信号变频

任国兵

合肥美的电冰箱有限公司安徽合肥 340100

1 引言

现在的高档冰箱大都是变频冰箱，相比于定频冰箱，变频冰箱有许多优点，比如：低频启动、运行噪音小、制冷速度快、耗能节省、智能精确控温。

然而变频冰箱是采用变频电路、应用智能控制技术来驱动压缩机工作，控制精细复杂，因此相比于定频冰箱，变频冰箱也一些缺点，比如：成本高、电路复杂，另外就是EMC（电磁兼容）的问题，包括EMI（电磁干扰）和EMS（电磁抗干扰）。

由于使用了变频电路，变频冰箱会带来很高幅值的EMI，设计时需要有干扰抑制措施，同时由于控制电路的复杂、小信号控制和监测而极易被干扰，变频冰箱又容易出现EMS的问题，即电磁抗干扰性能问题，比如Surge、EFT等测试时易出现故障甚至损坏，因此需要加强抗干扰能力的设计，这些会增加成本和技术难度。

本文旨在分析某款变频冰箱在Surge测试时变频电路发生故障的原因及提出解决方案。

案例：某款变频冰箱在Surge测试共模（L/N-PE）±4kV时，容易出现变频电路故障，IPM报FO故障，压缩机停止运转，冰箱在一段时间后能够自行恢复。

2 原因分析

2.1 Surge干扰信号的流通路径

Surge测试共模（L/N-PE）是将Surge干扰信号加在L/N与PE之间。Surge干扰信号将寻找能够从输入L/N回到PE地线之间的低阻抗路径作为流通路径，主要低阻抗路径包括：（1）输入滤波电路的Y电容，（2）压缩机的分布电容。

由于压缩机定子绕组与压缩机壳子之间存在比较大的分布电容（中等功率变频冰箱压缩机的分布电容可以达到10nF左右），于是Surge干扰信号可以通过压缩机的分布电容形成一个流通路径：L/N—输入电路—整流桥—高压直流BUS—逆变电路—UVW压缩机线—压缩机定子绕组—压缩机的分布电容—压缩机壳子—冰箱机壳—PE地线，示意如图1。

为了解Surge干扰对逆变电路的影响，需估算4kV 1.2/50μs的Surge电压波形能够在干扰信号流通路径上（即在10nF的分布电容上）产生的瞬时尖峰电流。

参见图2，1.2/50μs Surge电压波形的参数含义，1.2μs为波前时间或上升沿，50μs为半峰值时间。

可以根据公式I=C*dV/dt来估算Surge干扰信号流通路径中的瞬时尖峰电流为：

I=C*dV/dt=10*10-9*4000/(1.2*10-6)=33A

需注意：这个通路中的Surge电流有经过逆变电路，如果PCB板布局布线时没有处理好逆变电路部分布局走线，Surge干扰信号将会严重串扰到IPM模块以及MCU等控制电路，使得IPM模块及MCU控制电路工作异常而出现故障。

2.2 逆变电路PCB板布线检查

先检查了逆变电路部分的原理图，相应的一些抗干扰作用的滤波元器件都有设计到位，包括：（1）控制电源、自举电路等的去耦滤波电容（C312～C316、C322～C324）（参见图3）；（2）IPM VFO脚（故障信号输出）连接至MCU的连线上的滤波电容（C325）（参见图9）；（3）电流侦测运放的电源VCC去耦电容（C336）（参见图5）；（4）电流侦测运放输出的RC滤波（C337）（参见图7）；（5）IPM的短路保护电路的RC滤波（C326）（参见图3）。因此估计Surge测试Fail的原因不在原理图的设计上，而很有可能是在PCB布局走线方面的问题。

了解IPM报FO故障的条件：（1）IPM过温，（2）IPM过流，（3）IPM控制电源15V偏低。IPM过温检测电路在IPM内部，不易受到干扰，需重点考虑是否IPM电流检测电路、IPM控制电源15V电路以及IPM的VFO脚输出到MCU之间的电路受到Surge信号的干扰。

根据上面的分析，进行了逆变电路部分的PCB布局走线的检查，包括：（1）IPM控制电源15V电路检查；（2）IPM电流检测电路检查；（3）IPM的FO脚输出到MCU之间的电路检查。

2.2.1 IPM控制电源15V电路检查

图3中可以看到电路设计时有考虑在IPM控制电源15V加上去耦电容C324、C323，而从图4中看到去耦电容C324、C323离IPM模块太远，已经起不到去耦的作用了，还从图4中看到IPM模块控制电路的GND走线没有与控制电源15V并行（图4中绿线为IPM模块控制电路的GND走线，红线为控制电源15V的走线），有一个很大的环路，容易接受空间磁场，而且IPM模块控制电路的GND走了高压直流的GND的路径，这个共用路径长度约有150mm，需注意这个路径中有Surge电流流过。

这个150mm的走线，会相当于150nH的电感。在Surge电流路径中的走线阻抗，将会形成一定的电压降，上面计算的Surge电流将可以在150mm的走线形成的杂讯电压降是：

△V=L•di/dt=150*10-9*33/(1.2*10-6)=4.2V

这个150mm长的走线阻抗的瞬时压降可以达到4.2V，这样Surge干扰信号就容易从高压直流的GND串扰到IPM的控制GND，使得IPM模块15V电压不稳定，极有可能触发IPM的FO故障。

需要更改走线使得IPM的GND不要共用高压直流的GND，并将IPM的GND与15V并行，将去耦电容靠近IPM模块。

2.2.2 IPM电流检测电路检查

图6中可以看到IPM电流检测运放U301的电源去耦滤波电容C336距离U301较远，已经起不到很好的去耦滤波的作用，当Surge干扰脉冲到来时，将不能给运放U301提供有效稳定的电源电压，可能导致运放U301产生过流的错误信号而引起报故障，需要将去耦滤波电容C336靠近电流检测运放U301放置。

图1 通过压缩机的分布电容形成的Surge干扰信号流通路径

图2 Surge测试标准波形

图3 PM的15V控制电源

图4 IPM部分PCB-15V电路

图5 IPM电流检测运放电路图

图6 IPM部分PCB-电流检测运放

图7 IPM电流检测运放输出到MCU连接线上的滤波电容C337

图8 电流检测运放输出滤波电容C337远离MCU

图9 IPM的VFO脚输出到MCU之间的电路

图8中可以看到IPM电流检测运放U301的输出滤波电容C337距离所连接的MCU U302较远，并且主要是C337的地线绕了一大圈才连到MCU，已经起不到有效的滤波作用，当Surge干扰脉冲到来时，滤波电容C337将不能给滤掉运放U301输出信号中叠加的Surge干扰信号，可能Surge干扰信号过大而引起报故障，需要将滤波电容C337靠近MCU U302放置，缩短连接地线的长度。

2.2.3 IPM的FO脚输出到MCU之间的电路检查

图10中可以看到在MCU连接至IPM VFO的滤波电容C325地线路径太长，绕了一圈，没有就近连接到MCU U302接地端，已经起不到有效的滤波作用，当Surge干扰脉冲到来时，滤波电容C325将不能给滤掉IPM VFO输出信号中叠加的Surge干扰信号，可能Surge干扰信号过大而引起报故障，需要将滤波电容C325靠近MCU U302放置。

3 整改对策和效果验证

3.1 修改逆变电路PCB板布线

针对上面所检查到的逆变电路PCB板布线缺陷：IPM电流检测电路、IPM控制电源15V电路以及IPM的FO脚输出到MCU之间的电路，做如下修改，旧版PCB实物修改见图10，正式修改的PCB文档见图11～15。

（1） IPM 15V(第4脚和第12脚)分别对COM脚（地）并联一颗104贴片电容C307、C308，并且IPM COM脚GND线先到电容再到COM脚，再到周围元件。参见图11（标注1）、图12（红圈处加电容）、图13（红圈处加电容）。

（2）改IPM COM脚接地方式：跳线J106不装（接自取样电阻旁），COM脚的地（C328处）从C206电容（开关电源15V电源输出点的地）处引取。参见图11（标注2）、图12。

（3）将取样运放U301输出的滤波电容C337靠近MCU U302芯片放置，主要注意接地线尽量短。参见图11（标注3）、图14。

（4）更改在MCU连接至IPM VFO 脚的滤波电容C325接地引线，使地线路径变短，就近连接到MCU U302接地端。参见图11（标注4）、图14。

（5）将取样运放U301的5V GND电容C336靠近U301放置。参见图11（标注5）、图15。

3.2 实验测试验证

将上面失败PCB进行实物修改后，放在整机冰箱上进行Surge共模（L/N-PE）±4kV测试3个完整周期，没有再出现IPM报FO故障、压缩机停止运转等问题。之后再用正式修改生产的PCB放在整机冰箱上同样测试未出现异常，说明上面的整改对策是有效的。

4 结论

冰箱压缩机的内部分布电容为Surge共模（L/N-PE）电流提供了流通路径，使得有较大的Surge电流会经过逆变电路，由于没有处理好控制弱电部分的PCB布局布线，特别是控制电源、地线以及电流检测、控制信号、反馈信号等敏感电路，而使得逆变电路工作不能承受Surge等杂讯干扰而出现FO故障。通过调整逆变电路的布局布线，提升逆变电路的抵抗干扰的能力，使得产品能够通过Surge测试。

下面列出变频电路的PCB板布局布线的基本要求：

（1）控制芯片MCU及电流检测运放须尽量靠近IPM模块放置。

（2）高压直流+/-BUS、控制电源、自举电路的去耦滤波电容尽量靠近所服务的PIN脚。

（3）IPM电流检测引线应从取样电阻位置连接，引线尽量短，两条电流检测引线并行，并建议使用地线来保护电流检测引线走线。

（4）逆变控制电路的地要在滤波电容处与功率电路的地线单点连接，不要共用长的地线路径。

（5）IPM VFO信号脚输出至MCU的连线上的滤波电容需就近连接到MCU接地端。

（6）MCU到IPM的控制信号需有GND并行，保护控制信号免受杂讯干扰。