【技术】开关电源非隔离高低压混合布板方式

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。