Jak walczyć z hałasem z mojego obwodu, zanieczyszczającym moją szynę 12V?

Zrobiłem sterownik dla wentylatora 12V DC. Jest to zasadniczo konwerter buck-DC sterowany napięciem. Reguluje napięcie wentylatora od 3 V (najniższa prędkość, wentylator pobiera 60 mA przy 3 V) do 12 V (pełna prędkość, wentylator pobiera 240 mA przy 12 V). Ten kontroler działa dobrze, kontroluje prędkość wentylatora zgodnie z oczekiwaniami. Próbowałem dokonać filtrowania, ale nadal jest znaczny hałas zanieczyszczający moją szynę 12V. Jak to zminimalizować?

Oto mój obwód:

SW_SIGNAL to tylko sygnał PWM, w którym cykl pracy jest ustalany przez inny obwód.

Problem jest w punkcie A. Induktor L1 ma filtrować ten szum, działa, ale nie tak dobrze, jak się spodziewałem:

Sygnał w punkcie B:

Hałas jest więc obniżany z 6 V pp do 0,6 V pp. Ale 0,6 V to ogromny hałas.
Jest to związane z działaniem konwertera złotówki, a nie samego wentylatora. Próbowałem umieścić opornik 47Ω 17W zamiast wentylatora, a szum jest nadal obecny. Użyłem sond z najmniejszym stykiem sprężynowym, aby zminimalizować pętlę.
Hałas zanika tylko w przypadku cyklu pracy 100% PWM, co jest oczywiste, ponieważ 100% PWM przestaje się przełączać.

Cewki indukcyjne, których używam:

AKTUALIZACJA:
To jest układ (górna część to konwerter buck, złącze wentylatora po lewej stronie, wejście zasilania 12V po prawej stronie): Użyłem ogólnych kondensatorów elektrolitycznych. Nie mam dla nich arkusza danych.

Dodałem kondensatory ceramiczne 10uF do C1 i C3.
Mam zwiększoną wartość R2 z 0Ω do 220Ω.
Zmieniono D4 z US1G na SS12. Mój błąd, pierwotnie użyłem US1G.
Hałas spadł poniżej 10 mV (rezystor zastosowano zamiast wentylatora).

Po podłączeniu wentylatora zamiast rezystora mocy:

AKTUALIZACJA 2:
W moim obwodzie korzystałem z częstotliwości przełączania 130 kHz. A czasy narastania / opadania wynosiły 10ns.

Żółty ślad = bramka tranzystora przełączającego Q2.
Niebieski ślad = drenaż Q2 (czas narastania 10ns).

Zmieniłem częstotliwość na 28 kHz (z powodu tej zmiany będę musiał użyć większego induktora) i zwiększyłem czasy narastania / opadania do 100ns (osiągnąłem to poprzez zwiększenie wartości rezystora R2 do 1kΩ).

Hałas spadł do 2 mV pp.

Kondensatory C1 i C3 1000uF mogą nie być w stanie bardzo dobrze poradzić sobie z przejściowymi przełączeniami o wysokiej częstotliwości . Limity dużej wartości zawsze mają bardzo złe pasmo wysokich częstotliwości.

Proponuję spróbować zastąpić 1000uF kondensatorami o niskim ESR 47 - 220 uF i przekonać się, jak to idzie. Może także umieść kondensator ceramiczny (100 nF - 470 nF) równolegle z oboma.

Sugeruję również obejrzenie tego filmu z dziennika EEVBlog Dave'a na temat zaślepek, chociaż nie do końca twoja sytuacja, nieidealność kondensatorów wyjaśniona w tym filmie dotyczy również twojego problemu.

Możesz spróbować zwiększyć wartość R2. Spowoduje to zmniejszenie wartości dV / dT na bramie i spowolnienie krawędzi, gdy przełącznik mosfet się przełączy. 10 omów to zazwyczaj dobre miejsce na rozpoczęcie, ale może być konieczne eksperymentowanie.

Dodanie do innych odpowiedzi po aktualizacji układu PCB:

Bez płaszczyzny uziemienia, aby stworzyć podłoże o niskiej indukcyjności, każda ścieżka oznaczona „GND” będzie miała dość wysoką indukcyjność, około 7nH / cm dla ścieżki o szerokości 1 mm.

Zatem czapki są nieefektywne przy filtrowaniu HF, ponieważ małe cewki indukcyjne (znane również jako ślady) są połączone szeregowo z czapkami, zwiększając ich impedancję HF. Ceramiczna nasadka SMD ma znacznie niższą indukcyjność niż elektrolityczną, nie z powodu magii, ale po prostu dlatego, że jest mniejsza, więc będzie lepsza przy odsprzęganiu HF ... jednak indukcyjność śladów jest nadal szeregowa.

Dodatkowo, ponieważ w twoim GND masz szybkie prądy di / dt, potencjał wzdłuż śladów GND będzie różny w każdym miejscu. Zapamiętaj:

e = L di / dt

di = 100mA, dt = 20ns (szybki przełączający FET), L = 6nH na cm, a więc e = około 50mV na 10nH indukcyjności śladowej ... niezupełnie „niskoszumowy”.

... tak więc na takiej płytce drukowanej bez płaszczyzny uziemienia, gdy w grę wchodzą wysokie prądy tłuszczowe, zwykle nic nie można zmierzyć, ponieważ kształt sygnału bardzo się zmieni w zależności od tego, gdzie sondujesz ziemię.

Jak zauważyłeś, rozwiązaniem jest, aby na początku nie mieć żadnych wysokich częstotliwości i wysokich prądów di / dt w obwodzie yoru, a osiąga się to poprzez spowolnienie przełączania FET opornikiem.

Jeśli PWM jest wystarczająco wolny (powiedzmy 30 kHz), straty przełączania i tak będą bardzo małe.

Ma to tę dodatkową zaletę, że nie wysyła dużych impulsów di / dt do przewodów wentylatora, co uniemożliwia im działanie jako anteny i promieniowanie szumów w całym miejscu, co byłoby doskonałym sposobem na zbudowanie szerokopasmowego urządzenia zakłócającego radio ...

Nawet nie myśl, że L3 i C5 zrobią cokolwiek: częstotliwość samorezonansowa tych cewek jest zwykle dość niska (sprawdź arkusz danych), co oznacza, że ​​przy interesujących częstotliwościach szumu są kondensatorami. Również twoja nasadka wyjściowa 100µF jest cewką indukcyjną. Wszystkie ślady są cewkami indukcyjnymi, szczególnie uziemieniem, co oznacza, że ​​napięcie na wyjściu „GND” nie wynosi 0 V, ale będzie miało również pewien szum HF, to także doda trochę szumu w trybie wspólnym HF na twoich przewodach.

Podobnie, jeśli multipleksujesz diody LED lub skanujesz klawiaturę matrycową, nie używaj sterownika z krawędziami 5ns! Są to w zasadzie ogromne anteny. Kwadratowy sygnał z czasem narastania 5-10ns będzie miał nieprzyjemne harmoniczne znacznie powyżej 1-10 MHz bez względu na częstotliwość przełączania.

Więc ... chyba że chcesz dodatkowego procentu wydajności, zawsze zmieniaj tak wolno, jak tylko możesz. Dobrą zasadą jest unikanie problemów z EMI.

Zazwyczaj wrażliwa elektronika nie byłaby zasilana z tego samego źródła zasilania, co wentylator.

Częściej elektronika sterująca działa przy napięciu 5 V. Miałbyś więc regulator (regulator liniowy, jeśli chcesz naprawdę niskiej tętnienia) zmniejszający napięcie 12V do 5V. Dopóki napięcie 12 V nie spadnie do około 7 V, nadal będziesz mieć solidne zasilanie 5 V.

Usuń diodę D2. To zabija filtrowanie, które ma miejsce, gdy mosfet się wyłącza.

Wymaga to, aby kondensator C3 był wystarczająco duży, aby pochłonąć kolec.

Problem ten napotkałem jakiś czas temu z obudową RAID. Miał taki obwód - wysokowydajny przerywacz FET, dioda itp. Przełączał się przy około 30 kHz. Rezultatem było wiele hałasu PWM wyrzucanego na siejące spustoszenie dyski + 12V.

Ten pokazany obwód próbuje zachowywać się jak kontroler buck, ale tak naprawdę nie jest to konieczne.

W każdym razie oto, co zrobiłem dla „złego” helikoptera:

1. Ustawić nakrętkę szeregowo z silnikiem. Więcej o tym za chwilę.
2. Podłącz FET przez nasadkę.

Brzmi szalenie, ale działa. Kombinacja cap / FET działa jako rodzaj zmiennej rezystancji, która moduluje prąd wentylatora, a tym samym jego prędkość.

Gdy FET jest wyłączony, nasadka ładuje się przez silnik. Gdy jest włączony, nasadka rozładowuje się przez FET, a silnik jest wciągany do napięcia szyny. To polega na zlokalizowaniu wysokoprądowej przejściowej pętli do FET i kapturka.

Przekonasz się, że możesz pozbyć się większości filtrów, a nawet zmniejszyć rozmiar nasadki do, powiedzmy, 33uF lub więcej.