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        PCB布板不當(dāng)引起Surge測試Fail的原因分析和改善方案探討

        2018-03-06 06:03:44任國兵
        家電科技 2018年2期
        關(guān)鍵詞:走線干擾信號變頻

        任國兵

        合肥美的電冰箱有限公司 安徽合肥 340100

        1 引言

        現(xiàn)在的高檔冰箱大都是變頻冰箱,相比于定頻冰箱,變頻冰箱有許多優(yōu)點(diǎn),比如:低頻啟動、運(yùn)行噪音小、制冷速度快、耗能節(jié)省、智能精確控溫。

        然而變頻冰箱是采用變頻電路、應(yīng)用智能控制技術(shù)來驅(qū)動壓縮機(jī)工作,控制精細(xì)復(fù)雜,因此相比于定頻冰箱,變頻冰箱也一些缺點(diǎn),比如:成本高、電路復(fù)雜,另外就是EMC(電磁兼容)的問題,包括EMI(電磁干擾)和EMS(電磁抗干擾)。

        由于使用了變頻電路,變頻冰箱會帶來很高幅值的EMI,設(shè)計時需要有干擾抑制措施,同時由于控制電路的復(fù)雜、小信號控制和監(jiān)測而極易被干擾,變頻冰箱又容易出現(xiàn)EMS的問題,即電磁抗干擾性能問題,比如Surge、EFT等測試時易出現(xiàn)故障甚至損壞,因此需要加強(qiáng)抗干擾能力的設(shè)計,這些會增加成本和技術(shù)難度。

        本文旨在分析某款變頻冰箱在Surge測試時變頻電路發(fā)生故障的原因及提出解決方案。

        案例:某款變頻冰箱在Surge測試共模(L/N-PE)±4kV時,容易出現(xiàn)變頻電路故障,IPM報FO故障,壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn),冰箱在一段時間后能夠自行恢復(fù)。

        2 原因分析

        2.1 Surge干擾信號的流通路徑

        Surge測試共模(L/N-PE)是將Surge干擾信號加在L/N與PE之間。Surge干擾信號將尋找能夠從輸入L/N回到PE地線之間的低阻抗路徑作為流通路徑,主要低阻抗路徑包括:(1)輸入濾波電路的Y電容,(2)壓縮機(jī)的分布電容。

        由于壓縮機(jī)定子繞組與壓縮機(jī)殼子之間存在比較大的分布電容(中等功率變頻冰箱壓縮機(jī)的分布電容可以達(dá)到10nF左右),于是Surge干擾信號可以通過壓縮機(jī)的分布電容形成一個流通路徑:L/N—輸入電路—整流橋—高壓直流BUS—逆變電路—UVW壓縮機(jī)線—壓縮機(jī)定子繞組—壓縮機(jī)的分布電容—壓縮機(jī)殼子—冰箱機(jī)殼—PE地線,示意如圖1。

        為了解Surge干擾對逆變電路的影響,需估算4kV 1.2/50μs的Surge電壓波形能夠在干擾信號流通路徑上(即在10nF的分布電容上)產(chǎn)生的瞬時尖峰電流。

        參見圖2,1.2/50μs Surge電壓波形的參數(shù)含義,1.2μs為波前時間或上升沿,50μs為半峰值時間。

        可以根據(jù)公式I=C*dV/dt來估算Surge干擾信號流通路徑中的瞬時尖峰電流為:

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

        需注意:這個通路中的Surge電流有經(jīng)過逆變電路,如果PCB板布局布線時沒有處理好逆變電路部分布局走線,Surge干擾信號將會嚴(yán)重串?dāng)_到IPM模塊以及MCU等控制電路,使得IPM模塊及MCU控制電路工作異常而出現(xiàn)故障。

        2.2 逆變電路PCB板布線檢查

        先檢查了逆變電路部分的原理圖,相應(yīng)的一些抗干擾作用的濾波元器件都有設(shè)計到位,包括:(1)控制電源、自舉電路等的去耦濾波電容(C312~C316、C322~C324)(參見圖3);(2)IPM VFO腳(故障信號輸出)連接至MCU的連線上的濾波電容(C325)(參見圖9);(3)電流偵測運(yùn)放的電源VCC去耦電容(C336)(參見圖5);(4)電流偵測運(yùn)放輸出的RC濾波(C337)(參見圖7);(5)IPM的短路保護(hù)電路的RC濾波(C326)(參見圖3)。因此估計Surge測試Fail的原因不在原理圖的設(shè)計上,而很有可能是在PCB布局走線方面的問題。

        了解IPM報FO故障的條件:(1)IPM過溫,(2)IPM過流,(3)IPM控制電源15V偏低。IPM過溫檢測電路在IPM內(nèi)部,不易受到干擾,需重點(diǎn)考慮是否IPM電流檢測電路、IPM控制電源15V電路以及IPM的VFO腳輸出到MCU之間的電路受到Surge信號的干擾。

        根據(jù)上面的分析,進(jìn)行了逆變電路部分的PCB布局走線的檢查,包括:(1)IPM控制電源15V電路檢查;(2)IPM電流檢測電路檢查;(3)IPM的FO腳輸出到MCU之間的電路檢查。

        2.2.1 IPM控制電源15V電路檢查

        圖3中可以看到電路設(shè)計時有考慮在IPM控制電源15V加上去耦電容C324、C323,而從圖4中看到去耦電容C324、C323離IPM模塊太遠(yuǎn),已經(jīng)起不到去耦的作用了,還從圖4中看到IPM模塊控制電路的GND走線沒有與控制電源15V并行(圖4中綠線為IPM模塊控制電路的GND走線,紅線為控制電源15V的走線),有一個很大的環(huán)路,容易接受空間磁場,而且IPM模塊控制電路的GND走了高壓直流的GND的路徑,這個共用路徑長度約有150mm,需注意這個路徑中有Surge電流流過。

        這個150mm的走線,會相當(dāng)于150nH的電感。在Surge電流路徑中的走線阻抗,將會形成一定的電壓降,上面計算的Surge電流將可以在150mm的走線形成的雜訊電壓降是:

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

        這個150mm長的走線阻抗的瞬時壓降可以達(dá)到4.2V,這樣Surge干擾信號就容易從高壓直流的GND串?dāng)_到IPM的控制GND,使得IPM模塊15V電壓不穩(wěn)定,極有可能觸發(fā)IPM的FO故障。

        需要更改走線使得IPM的GND不要共用高壓直流的GND,并將IPM的GND與15V并行,將去耦電容靠近IPM模塊。

        2.2.2 IPM電流檢測電路檢查

        圖6中可以看到IPM電流檢測運(yùn)放U301的電源去耦濾波電容C336距離U301較遠(yuǎn),已經(jīng)起不到很好的去耦濾波的作用,當(dāng)Surge干擾脈沖到來時,將不能給運(yùn)放U301提供有效穩(wěn)定的電源電壓,可能導(dǎo)致運(yùn)放U301產(chǎn)生過流的錯誤信號而引起報故障,需要將去耦濾波電容C336靠近電流檢測運(yùn)放U301放置。

        圖1 通過壓縮機(jī)的分布電容形成的Surge干擾信號流通路徑

        圖2 Surge測試標(biāo)準(zhǔn)波形

        圖3 PM的15V控制電源

        圖4 IPM部分PCB-15V電路

        圖5 IPM電流檢測運(yùn)放電路圖

        圖6 IPM部分PCB-電流檢測運(yùn)放

        圖7 IPM電流檢測運(yùn)放輸出到MCU連接線上的濾波電容C337

        圖8 電流檢測運(yùn)放輸出濾波電容C337遠(yuǎn)離MCU

        圖9 IPM的VFO腳輸出到MCU之間的電路

        圖8中可以看到IPM電流檢測運(yùn)放U301的輸出濾波電容C337距離所連接的MCU U302較遠(yuǎn),并且主要是C337的地線繞了一大圈才連到MCU,已經(jīng)起不到有效的濾波作用,當(dāng)Surge干擾脈沖到來時,濾波電容C337將不能給濾掉運(yùn)放U301輸出信號中疊加的Surge干擾信號,可能Surge干擾信號過大而引起報故障,需要將濾波電容C337靠近MCU U302放置,縮短連接地線的長度。

        2.2.3 IPM的FO腳輸出到MCU之間的電路檢查

        圖10中可以看到在MCU連接至IPM VFO的濾波電容C325地線路徑太長,繞了一圈,沒有就近連接到MCU U302接地端,已經(jīng)起不到有效的濾波作用,當(dāng)Surge干擾脈沖到來時,濾波電容C325將不能給濾掉IPM VFO輸出信號中疊加的Surge干擾信號,可能Surge干擾信號過大而引起報故障,需要將濾波電容C325靠近MCU U302放置。

        3 整改對策和效果驗(yàn)證

        3.1 修改逆變電路PCB板布線

        針對上面所檢查到的逆變電路PCB板布線缺陷:IPM電流檢測電路、IPM控制電源15V電路以及IPM的FO腳輸出到MCU之間的電路,做如下修改,舊版PCB實(shí)物修改見圖10,正式修改的PCB文檔見圖11~15。

        (1) IPM 15V(第4腳和第12腳)分別對COM腳(地)并聯(lián)一顆104貼片電容C307、C308,并且IPM COM腳GND線先到電容再到COM腳,再到周圍元件。參見圖11(標(biāo)注1)、圖12(紅圈處加電容)、圖13(紅圈處加電容)。

        (2)改IPM COM腳接地方式:跳線J106不裝(接自取樣電阻旁),COM腳的地(C328處)從C206電容(開關(guān)電源15V電源輸出點(diǎn)的地)處引取。參見圖11(標(biāo)注2)、圖12。

        (3)將取樣運(yùn)放U301輸出的濾波電容C337靠近MCU U302芯片放置,主要注意接地線盡量短。參見圖11(標(biāo)注3)、圖14。

        (4)更改在MCU連接至IPM VFO 腳的濾波電容C325接地引線,使地線路徑變短,就近連接到MCU U302接地端。參見圖11(標(biāo)注4)、圖14。

        (5)將取樣運(yùn)放U301的5V GND電容C336靠近U301放置。參見圖11(標(biāo)注5)、圖15。

        3.2 實(shí)驗(yàn)測試驗(yàn)證

        將上面失敗PCB進(jìn)行實(shí)物修改后,放在整機(jī)冰箱上進(jìn)行Surge共模(L/N-PE)±4kV測試3個完整周期,沒有再出現(xiàn)IPM報FO故障、壓縮機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)等問題。之后再用正式修改生產(chǎn)的PCB放在整機(jī)冰箱上同樣測試未出現(xiàn)異常,說明上面的整改對策是有效的。

        4 結(jié)論

        冰箱壓縮機(jī)的內(nèi)部分布電容為Surge共模(L/N-PE)電流提供了流通路徑,使得有較大的Surge電流會經(jīng)過逆變電路,由于沒有處理好控制弱電部分的PCB布局布線,特別是控制電源、地線以及電流檢測、控制信號、反饋信號等敏感電路,而使得逆變電路工作不能承受Surge等雜訊干擾而出現(xiàn)FO故障。通過調(diào)整逆變電路的布局布線,提升逆變電路的抵抗干擾的能力,使得產(chǎn)品能夠通過Surge測試。

        下面列出變頻電路的PCB板布局布線的基本要求:

        (1)控制芯片MCU及電流檢測運(yùn)放須盡量靠近IPM模塊放置。

        (2)高壓直流+/-BUS、控制電源、自舉電路的去耦濾波電容盡量靠近所服務(wù)的PIN腳。

        (3)IPM電流檢測引線應(yīng)從取樣電阻位置連接,引線盡量短,兩條電流檢測引線并行,并建議使用地線來保護(hù)電流檢測引線走線。

        (4)逆變控制電路的地要在濾波電容處與功率電路的地線單點(diǎn)連接,不要共用長的地線路徑。

        (5)IPM VFO信號腳輸出至MCU的連線上的濾波電容需就近連接到MCU接地端。

        (6)MCU到IPM的控制信號需有GND并行,保護(hù)控制信號免受雜訊干擾。

        圖10 C325遠(yuǎn)離MCU

        圖11 失敗PCB實(shí)物修改

        圖12 IPM控制電源15V電路走線修改后

        圖13 IPM控制電源15V電路增加去耦濾波電容

        圖14 C337、C325靠近MCU U302

        圖15 C336靠近運(yùn)放U301

        (7)將電流偵測運(yùn)放OP的輸出的RC濾波電容靠近MCU放置。

        (8)短路保護(hù)電路RC濾波器放置在IPM保護(hù)CSC和COM的附近。

        [1] GB/T 17626.5-2008 電磁兼容-試驗(yàn)和測量技術(shù)-浪涌(沖擊)抗擾度試驗(yàn). 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.

        [2] 鄭軍奇. EMC電磁兼容設(shè)計與測試案例分析. 電子工業(yè)出版社,2006.12.

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