Làm thế nào để chống lại tiếng ồn từ mạch của tôi gây ô nhiễm đường sắt 12V của tôi?

Tôi đã thực hiện một bộ điều khiển cho quạt DC DC. Về cơ bản, nó là một bộ chuyển đổi DC DC DC được điều khiển bằng điện áp. Nó điều chỉnh điện áp cho quạt từ 3V (tốc độ thấp nhất, quạt rút 60mA @ 3V) đến 12V (tốc độ đầy đủ, quạt hút 240mA @ 12V). Bộ điều khiển này hoạt động tốt, nó kiểm soát tốc độ quạt như mong đợi. Tôi đã cố gắng thực hiện một số bộ lọc nhưng vẫn có một số tiếng ồn đáng kể làm ô nhiễm đường ray 12V của tôi. Làm thế nào để giảm thiểu nó?

Đây là mạch của tôi:

SW_SIGNAL chỉ là tín hiệu PWM, trong đó chu kỳ nhiệm vụ được đặt bởi mạch khác.

Vấn đề là ở điểm A. Cuộn cảm L1 có nghĩa là để lọc tiếng ồn đó, nó hoạt động nhưng không tốt như tôi mong đợi:

Tín hiệu tại điểm B:

Vì vậy, tiếng ồn được giảm từ pp 6V xuống còn 0,6V. Nhưng 0,6V là tiếng ồn rất lớn.
Nó liên quan đến hoạt động của bộ chuyển đổi buck, không phải chính quạt. Tôi đã cố gắng đặt một điện trở 47Ω 17W thay vì quạt và tiếng ồn vẫn còn đó. Tôi đã sử dụng các đầu dò phạm vi với tiếp xúc lò xo nhỏ nhất để giảm thiểu vòng lặp.
Tiếng ồn biến mất chỉ trong trường hợp có chu kỳ nhiệm vụ 100% PWM, điều này là hiển nhiên, bởi vì 100% PWM dừng chuyển đổi.

Cuộn cảm tôi đang sử dụng:

CẬP NHẬT:
Đây là cách bố trí (phần trên là bộ chuyển đổi buck, đầu nối quạt ở phía bên trái, đầu vào nguồn 12V ở phía bên phải): Tôi đã sử dụng các tụ điện điện phân chung. Tôi không có bảng dữ liệu cho họ.

Tôi đã thêm các tụ gốm 10uF vào C1 và C3.
Tôi đã tăng giá trị của R2 từ 0Ω lên 220Ω.
Đã thay đổi D4 từ US1G thành SS12. Lỗi của tôi, tôi đã sử dụng US1G ban đầu.
Và tiếng ồn đã đi dưới 10mV (điện trở được sử dụng thay vì quạt).

Sau khi tôi cắm quạt thay vì điện trở:

CẬP NHẬT2:
Tôi đã sử dụng tần số chuyển đổi 130kHz trong mạch của mình. Và thời gian tăng / giảm là 10ns.

Dấu vết màu vàng = cổng của bóng bán dẫn chuyển đổi Q2.
Dấu vết màu xanh = cống của Q2 (thời gian tăng 10ns).

Tôi đã thay đổi tần số thành 28kHz (tôi sẽ cần sử dụng cuộn cảm lớn hơn vì sự thay đổi này) và tăng thời gian tăng / giảm lên 100ns (tôi đã đạt được nó bằng cách tăng giá trị của điện trở R2 lên 1kΩ).

Tiếng ồn giảm xuống 2mV pp.

Các tụ 1000uF C1 và C3 có thể không thể xử lý tốt quá độ chuyển đổi tần số cao như vậy . Mũ giá trị lớn luôn có đáp ứng tần số cao rất xấu.

Tôi khuyên bạn nên thử thay thế 1000uF bằng các tụ ESR thấp 47 - 220 uF và xem điều đó diễn ra như thế nào. Cũng có thể đặt một tụ gốm (100 nF - 470 nF) song song với cả hai.

Tôi cũng khuyên bạn nên xem video này dưới dạng EEVBlog của Dave về bypass bypass, mặc dù không chính xác là tình huống của bạn, tính phi lý tưởng của tụ điện được giải thích trong video này cũng áp dụng cho vấn đề của bạn.

Bạn có thể thử tăng giá trị của R2. Điều này sẽ làm giảm dV / dT trên cổng và làm chậm các cạnh khi mosfet chuyển. 10 ohms thường là một nơi tốt để bắt đầu, nhưng bạn có thể phải thử nghiệm.

Thêm vào các câu trả lời khác sau khi cập nhật bố cục PCB của bạn:

Nếu không có mặt phẳng mặt đất để tạo ra mặt đất có độ tự cảm thấp, mỗi rãnh có nhãn "GND" sẽ có độ tự cảm khá cao, khoảng 7nH / cm cho rãnh rộng 1mm.

Do đó, các mũ không hiệu quả trong việc lọc HF, bởi vì các cuộn cảm nhỏ (còn được gọi là dấu vết) nằm trong chuỗi với các nắp, làm tăng trở kháng HF của chúng. Một nắp gốm SMD có độ tự cảm thấp hơn nhiều so với điện phân, không phải do ma thuật mà đơn giản là vì nó nhỏ hơn, do đó sẽ tốt hơn trong việc tách rời HF ... tuy nhiên độ tự cảm của dấu vết vẫn còn nối tiếp.

Ngoài ra, vì bạn có dòng di / dt nhanh trong GND của mình, tiềm năng dọc theo dấu vết GND sẽ thay đổi ở mọi nơi. Nhớ lại:

e = L di / dt

di = 100mA, dt = 20ns (FET chuyển mạch nhanh), L = 6nH mỗi cm, do đó e = khoảng 50mV trên 10nH độ tự cảm theo dõi ... không chính xác là "tiếng ồn thấp".

... do đó, trên PCB như vậy mà không có mặt phẳng mặt đất, khi có dòng chất béo cao, thường không thể đo được gì, vì hình dạng tín hiệu sẽ thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào nơi bạn thăm dò mặt đất.

Như bạn đã nhận thấy, giải pháp là không có bất kỳ dòng HF và dòng di / dt cao nào trong mạch yoru để bắt đầu, và điều này đạt được bằng cách làm chậm việc chuyển đổi FET bằng điện trở.

Nếu PWM của bạn đủ chậm (giả sử, 30 kHz) thì tổn thất chuyển đổi sẽ rất nhỏ.

Điều này có thêm lợi ích của việc không gửi các xung di / dt cao vào dây quạt, điều này ngăn chúng hoạt động như ăng ten và phát ra tiếng ồn khắp nơi, đây sẽ là một cách tuyệt vời để tạo ra một thiết bị gây nhiễu băng rộng ...

Thậm chí đừng nghĩ rằng L3 và C5 sẽ làm bất cứ điều gì: tần số tự cộng hưởng của các cuộn cảm này thường khá thấp (kiểm tra biểu dữ liệu) có nghĩa là ở tần số nhiễu quan tâm, chúng là các tụ điện. Ngoài ra nắp đầu ra 100 100F của bạn là một cuộn cảm. Và tất cả các dấu vết là cuộn cảm, đặc biệt là mặt đất, có nghĩa là điện áp trên đầu ra "GND" không phải là 0V, nhưng cũng sẽ có một số nhiễu HF, điều này cũng sẽ thêm một số nhiễu chế độ chung HF trên dây của bạn.

Tương tự, nếu bạn ghép nhiều đèn LED hoặc quét bàn phím ma trận, đừng sử dụng trình điều khiển có cạnh 5ns! Đây là những ăng ten cơ bản rất lớn. Tín hiệu vuông với thời gian tăng 5-10ns sẽ có sóng hài khó chịu trên 1-10 MHz bất kể tần số chuyển đổi.

Vì vậy, trừ khi bạn muốn có thêm% hiệu quả, hãy luôn chuyển đổi chậm nhất có thể! Đó là một quy tắc tốt để tránh các vấn đề EMI.

Thông thường, bạn sẽ không chạy các thiết bị điện tử nhạy cảm của mình khỏi cùng một nguồn cung cấp năng lượng như quạt.

Thông thường hơn, các thiết bị điện tử điều khiển chạy ở mức 5V. Vì vậy, bạn sẽ có một bộ điều chỉnh (một bộ điều chỉnh tuyến tính nếu bạn muốn độ gợn thực sự thấp) bước xuống mức 12V xuống còn 5V. Trừ khi nguồn cung cấp 12V giảm xuống khoảng 7V, bạn vẫn sẽ có nguồn cung cấp 5V vững chắc.

Di chuyển diode D2. Điều đó giết chết bộ lọc xảy ra khi mosfet tắt.

Điều này đòi hỏi tụ điện C3 đủ lớn để hấp thụ đột biến.

Tôi đã đối mặt với vấn đề này một thời gian trước với một bao vây RAID. Nó có một mạch như thế này - FET chopper phía cao, diode, v.v. Nó chuyển đổi ở khoảng 30KHz. Kết quả là có rất nhiều tiếng ồn PWM được kích hoạt trên sự tàn phá + 12V trên các ổ đĩa.

Mạch này cho thấy các nỗ lực để hành xử giống như một bộ điều khiển buck, nhưng nó không thực sự cần thiết cho việc này.

Dù sao, đây là những gì tôi đã làm cho chopper 'ác':

1. Đặt nắp nối tiếp với động cơ. Thêm về điều này trong một chút.
2. Đấu dây FET trên nắp.

Nghe có vẻ điên rồ, nhưng nó hoạt động. Tổ hợp nắp / FET hoạt động như một loại điện trở thay đổi điều chỉnh dòng điện của quạt và do đó tốc độ của nó.

Khi FET tắt, nắp sạc lên qua động cơ. Khi bật, nắp xả qua FET và động cơ được kéo lên tới điện áp đường ray. Điều này làm là bản địa hóa vòng lặp thoáng qua cao đến FET và nắp.

Bạn sẽ thấy rằng bạn có thể loại bỏ hầu hết các bộ lọc của mình và thậm chí giảm kích thước của nắp xuống, giả sử, 33uF hoặc hơn thế.