開關(guān)電源非隔離高低壓混合布板方式

去年雨滴投資了一家做變頻水泵的公司億曼，雨滴這邊負(fù)責(zé)做變頻器的研發(fā)，這是一款低成本緊湊式小功率變頻器，因為低成本而且緊湊式，所以單片機(jī)沒有采用光耦隔離而是直接驅(qū)動，此外因為低成本緊湊要求，采用雙面板，并且按鍵，指示燈，數(shù)碼管都跟高壓區(qū)交織混合在一起。

因為以前沒有做變頻器的經(jīng)驗，所以采購了市場上的同類產(chǎn)品作為參考，恢復(fù)了電路圖并且基于對方的控制時序，樣機(jī)很快就出來了，測試也沒有發(fā)現(xiàn)什么問題，感覺難度不大，比較順利，于是我也就沒怎么管，讓同事直接負(fù)責(zé)。

去年年底億曼那邊反饋，長期測試下發(fā)現(xiàn)按鍵偶爾會亂跳，比如按“+”鍵，結(jié)果“-”鍵也會起作用，而電路設(shè)計中不應(yīng)該出現(xiàn)這個問題，考慮到當(dāng)時我為了簡化設(shè)計，去掉了一些電容，于是想著這個問題可能是因為去掉的電容引起的，所以開年之后調(diào)整了電路設(shè)計，在按鍵這兒加了濾波電容，讓按鍵的硬件設(shè)計足夠穩(wěn)定，之前是采用軟件濾波來實現(xiàn)。此外局部改進(jìn)了單片機(jī)的供電設(shè)計，原來的輔助電源310VDC通過開關(guān)電源(VIPERA12A)轉(zhuǎn)到15VDC，15VDC再通過開關(guān)電源(MC34063)轉(zhuǎn)到3.3VDC，我把后級15VDC轉(zhuǎn)3.3VDC改成了更低成本更可靠的AMS1117，提高可靠性。因為開關(guān)電源存在上電沖擊的可能，改成模擬電源可靠性可以提高。此外為了解決高溫帶來的小電解電容失效，改用瓷片電容替換小電解電容。

本來期望這個版本會比較好的，板子回來焊接調(diào)試好交給億曼測試，很快億曼反饋按鍵問題還是存在，這個問題不僅沒解決，反而更頻繁了，這一下引起我的重視，因為馬上要下批量訂單了，這些看起來無關(guān)痛癢的烏云，往往會釀成大禍。但是當(dāng)時的第一反應(yīng)應(yīng)該是軟件設(shè)計存在bug，讓負(fù)責(zé)軟件的同事好好分析一下。

因為有多個變頻器項目在運行，其中有一個箱式的變頻器，面板上有數(shù)碼管和按鍵，它跟功率板分離的，兩者通過較長的排線連接，一般的設(shè)計方式是在面板上放一顆stm8這類的單片機(jī)，兩者通訊連接，而我們考慮到低成本，也為了簡化設(shè)計，不想在面板上加單片機(jī)，但這樣因為較長的引線，會出現(xiàn)較強(qiáng)的干擾進(jìn)入功率板的單片機(jī)中。于是專門跟硬件設(shè)計人員講解這類強(qiáng)干擾PCB的設(shè)計方式，尤其強(qiáng)調(diào)如何抗干擾。

這個時候，負(fù)責(zé)軟件的同事找不出按鍵問題，于是把問題矛頭引向了硬件，恰好硬件人員聽了我的抗干擾設(shè)計原理，想到原來的板子按鍵中有兩顆濾波電容的位置就放在高壓區(qū)內(nèi)，于是懷疑是否是這個電容引起的，參考我給的方案，把這兩顆電容移入單片機(jī)所在的地平面內(nèi)，靠近單片機(jī)，這個按鍵亂的問題就消失了，之后長期測試都沒有發(fā)現(xiàn)，于是把這個結(jié)果告訴我，我過來看了一下，確實是PCB布線不規(guī)范，按鍵線被高頻高壓干擾了導(dǎo)致的問題。

因為這個問題的解決，讓我內(nèi)心比較擔(dān)憂，畢竟這類消費類變頻器，利潤比較低，量比較大，一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，客戶不再信任，那將是災(zāi)難性的問題。我們參考的變頻器廠家，聽客戶說不良率有些高，經(jīng)常表現(xiàn)為炸電解電容、單片機(jī)丟程序等問題，并且看他們的機(jī)器也在不停的改進(jìn)，于是我又找來他們的板子分析，發(fā)現(xiàn)他們在PCB布線方面還比較初級，沒有考慮高低壓的干擾問題，相反，我們這邊因為是做手機(jī)出身，同時又是做大功率高頻電源的，所以把手機(jī)及大功率高頻電源的PCB設(shè)計經(jīng)驗融入了進(jìn)去，開局方面就比他們高一層，只是按鍵這個問題，因為一開始的順利讓自己掉以輕心，沒有足夠的重視，一直讓同事負(fù)責(zé)PCB設(shè)計導(dǎo)致的問題，于是接下來的幾天，自己不停琢磨這類非隔離高低壓混合PCB布線的理論模型，便于指導(dǎo)同事布線。

非隔離變頻器，單片機(jī)部分是最脆弱的，所以要保證單片機(jī)的可靠運行，其電源及各個IO都需要被保護(hù)住，而地因為非隔離，所以單片機(jī)的地是跟高壓的地連接在一起的，沒辦法隔離，那就充分利用地來做單片機(jī)的保護(hù)墻，在單片機(jī)所在的區(qū)域背面，鋪一層完整的地作為屏蔽層，利用地銅皮抗磁場特性及等電位，實現(xiàn)電磁屏蔽。

其次3.3V電源，加一顆3.6V的穩(wěn)壓二極管保護(hù)，避免電源被強(qiáng)干擾影響導(dǎo)致單片機(jī)跑飛，一般我設(shè)計的設(shè)備都沒有看門狗的，這就需要在硬件上下功夫，確保系統(tǒng)可靠運行。

最后，各個IO因為沒有隔離，都需要抗干擾保護(hù)，比如按鍵輸入，就可以用濾波電容來保護(hù)，需要注意的是，這顆濾波電容必須要放在單片機(jī)附近的地平面內(nèi)，若這顆電容在高壓區(qū)，則毫無意義，反而起壞作用。輸出的LED燈，數(shù)碼管等，都需要通過串聯(lián)電阻或者三極管實現(xiàn)保護(hù)，這樣哪怕強(qiáng)干擾過來，可以有串聯(lián)的電阻抵抗一部分的干擾。注意這個電阻或者三極管都需要放置在地平面內(nèi)。IO很容易受到強(qiáng)干擾影響，所以需要通過類似RC電路，保護(hù)IO。

以上三點可以這么理解：

1、單片機(jī)最脆弱，所以要保護(hù)單片機(jī)，于是構(gòu)建一個以單片機(jī)為核心的城堡，那就是地平面

2、確保供電可靠，城堡內(nèi)加穩(wěn)壓二極管

3、確保各個IO通道可靠，城堡內(nèi)加RC濾波(自己根據(jù)實際情況決定或者R或者C，不一定非要RC)，LED、KEY等外設(shè)都對地設(shè)計，不要懸空，這樣可以降低靜電和干擾

還有第四點，在高頻高壓區(qū)的按鍵或者LED燈，盡可能遠(yuǎn)離高壓(降低電場干擾)，同時回路包圍的面積要盡可能的小(降低磁場干擾)

下圖為示意圖：

干擾問題本質(zhì)跟靜電設(shè)計原理是一樣的，都是堵和疏的方式。

此外考慮到變頻器在應(yīng)用場合，存在水汽問題，高壓之間的器件，盡可能距離遠(yuǎn)一些，這樣對水汽有一定的防范作用，哪怕涂了三防漆也有好處。