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

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，比如：低頻啟動、運行噪音小、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，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，壓縮機停止運轉(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）壓縮機的分布電容。

由于壓縮機定子繞組與壓縮機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壓縮機線—壓縮機定子繞組—壓縮機的分布電容—壓縮機殼子—冰箱機殼—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）電流偵測運放的電源VCC去耦電容（C336）（參見圖5）；（4）電流偵測運放輸出的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，將不能給運放U301提供有效穩(wěn)定的電源電壓，可能導(dǎo)致運放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靠近電流檢測運放U301放置。

圖1 通過壓縮機的分布電容形成的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電流檢測運放電路圖

圖6 IPM部分PCB-電流檢測運放

圖7 IPM電流檢測運放輸出到MCU連接線上的濾波電容C337

圖8 電流檢測運放輸出濾波電容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電源輸出點的地）處引取。參見圖11（標(biāo)注2）、圖12。

（3）將取樣運放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 實驗測試驗證

將上面失敗PCB進(jìn)行實物修改后，放在整機冰箱上進(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、壓縮機停止運轉(zhuǎn)等問題。之后再用正式修改生產(chǎn)的PCB放在整機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靠近運放U301

（7）將電流偵測運放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-試驗和測量技術(shù)-浪涌（沖擊）抗擾度試驗. 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.