Как бороться с шумом от моей цепи, загрязняющей мой 12V рельс?

Я сделал контроллер для вентилятора 12V DC. Это в основном понижающий DC-DC преобразователь, управляемый напряжением. Он регулирует напряжение для вентилятора от 3 В (минимальная скорость, напряжение 60 мА при 3 В) до 12 В (полная скорость, напряжение 240 мА при 12 В). Этот контроллер работает хорошо, он контролирует скорость вентилятора, как и ожидалось. Я попытался сделать некоторую фильтрацию, но все еще есть некоторый значительный шум, загрязняющий мою 12V шину. Как минимизировать это?

Вот моя схема:

SW_SIGNAL - это просто сигнал ШИМ, где коэффициент заполнения задается другим контуром.

Проблема в точке А. Индуктор L1 предназначен для фильтрации этого шума, он работает, но не так хорошо, как я ожидал:

Сигнал в точке B:

Таким образом, шум снижается с 6 В до 0,6 В с. Но 0,6 В - это огромный шум.
Это связано с работой понижающего преобразователя, а не с самим вентилятором. Я попытался поставить 47Ом резистор 17Вт вместо вентилятора, и шум все еще присутствует. Я использовал зондовые датчики с наименьшим пружинным контактом, чтобы минимизировать петлю.
Шум исчезает только в том случае, если есть рабочий цикл 100% ШИМ, что очевидно, потому что 100% ШИМ прекращает переключение.

Я использую индукторы:

ОБНОВЛЕНИЕ:
Это макет (верхняя часть - это понижающий преобразователь, разъем вентилятора с левой стороны, входное напряжение 12 В с правой стороны): я использовал обычные электролитические конденсаторы. У меня нет данных для них.

Я добавил 10 мкФ керамические конденсаторы к С1 и С3.
Я увеличил значение R2 с 0 Ом до 220 Ом.
Изменен D4 с US1G на SS12. Моя ошибка, я использовал US1G первоначально.
И шум ушел под 10 мВ (вместо вентилятора использовался резистор).

После того, как я подключил вентилятор вместо силового резистора:

ОБНОВЛЕНИЕ 2:
Я использовал частоту переключения 130 кГц в моей схеме. И время взлета / падения было 10 нс.

Желтый след = затвор переключающего транзистора Q2.
Синий след = сток Q2 (время нарастания 10 нс).

Я изменил частоту до 28 кГц (из-за этого изменения мне понадобится индуктор большего размера) и увеличил время нарастания / спада до 100 нс (я достиг этого, увеличив значение резистора R2 до 1 кОм).

Шум снизился до 2 мВ с.

Конденсаторы 1000 мкФ С1 и С3 могут не справиться с такими переходными процессами высокой частоты . Большие значения всегда имеют очень плохую высокочастотную характеристику.

Я предлагаю попробовать заменить 1000 мкФ конденсаторами с низким ЭПР 47 - 220 мкФ и посмотреть, как это получится. Возможно также поместите керамический конденсатор (100 нФ - 470 нФ) параллельно с обоими.

Я также предлагаю посмотреть это видео из блога Дэйва EEVBlog о заглушках байпаса, хотя не совсем ваша ситуация, неидеальности конденсаторов, которые описаны в этом видео, также применимы к вашей проблеме.

Вы можете попробовать увеличить значение R2. Это уменьшит dV / dT на воротах и ​​замедлит края, когда mosfet переключается. Для начала обычно рекомендуется 10 Ом, но вам, возможно, придется поэкспериментировать.

Добавление к другим ответам после обновления макета вашей печатной платы:

Без плоскости заземления для создания заземления с низкой индуктивностью каждая дорожка, обозначенная «GND», будет иметь достаточно высокую индуктивность, около 7 нГн / см для дорожки шириной 1 мм.

Таким образом, колпачки неэффективны при фильтрации ВЧ, потому что маленькие колпачки индуктивности (также известные как следы) расположены последовательно с колпачками, увеличивая их ВЧ-импеданс. Керамическая крышка SMD имеет гораздо меньшую индуктивность, чем электролитическая, не из-за магии, а просто потому, что она меньше, поэтому она будет лучше при ВЧ-развязке ... однако индуктивность следов все еще последовательно.

Кроме того, поскольку в GND у вас быстрые токи di / dt, потенциал вдоль трасс GND будет изменяться повсюду. Помнить:

е = д ди / дт

di = 100 мА, dt = 20 нс (полевой транзистор с быстрым переключением), L = 6 нГ / см, таким образом, e = около 50 мВ на 10 нГ индуктивности следа ... не совсем "малошумящий".

... таким образом, на такой печатной плате без заземления, когда речь идет о высоких токах жиров, обычно невозможно что-либо измерить, потому что форма сигнала сильно изменится в зависимости от того, где вы исследуете землю.

Как вы заметили, решение состоит не в том, чтобы вначале иметь какие-либо ВЧ и высокие значения тока di / dt в цепи, и это достигается путем замедления переключения FET с помощью резистора.

Если ваш ШИМ достаточно медленный (скажем, 30 кГц), потери на переключение в любом случае будут очень малы.

Это дает дополнительное преимущество, заключающееся в том, что в кабели вентиляторов не посылаются импульсы высокой ди / дт, что не позволяет им выступать в роли антенн и излучать шум повсюду, что было бы отличным способом создания широкополосного радиопомехи ...

Даже не думайте, что L3 и C5 сделают что-нибудь: собственная резонансная частота этих катушек индуктивности обычно довольно низкая (см. Таблицу данных), что означает, что на интересующих частотах шума они являются конденсаторами. Кроме того, ваша выходная крышка 100 мкФ является индуктором. И все следы являются индукторами, особенно заземлением, что означает, что напряжение на выходе «GND» не равно 0 В, но также будет иметь некоторый ВЧ-шум, это также добавит некоторый ВЧ-синфазный шум на ваши провода.

Аналогично, если вы мультиплексируете светодиоды или сканируете матричную клавиатуру, не используйте драйвер с краями 5ns! Это в основном огромные антенны. Квадратный сигнал с временем нарастания 5-10 нс будет иметь неприятные гармоники выше 1-10 МГц независимо от частоты переключения.

Так что ... если вам не нужен этот дополнительный% эффективности, всегда переключайтесь так медленно, как только сможете! Это хорошее правило, чтобы избежать проблем с электромагнитными помехами.

Обычно вы не запускаете чувствительную электронику от того же источника питания, что и вентилятор.

Чаще всего управляющая электроника работает на 5В. Таким образом, у вас будет регулятор (линейный регулятор, если вы хотите действительно низкую пульсацию), понижающий 12 В до 5 В. Если напряжение 12 В не упадет примерно до 7 В, у вас все равно будет надежное напряжение 5 В.

Снять диод D2. Это убивает фильтрацию, которая происходит, когда mosfet выключается.

Для этого требуется, чтобы конденсатор С3 был достаточно большим, чтобы поглотить выброс.

Я столкнулся с этой проблемой некоторое время назад с корпусом RAID. У него была такая схема - FET, диод и т. Д. С высокой стороны, он переключался с частотой около 30 кГц. В результате было получено много ШИМ-шума, вызвавшего хаос на +12 В на дисках.

Эта схема показывает, что пытается вести себя как бэк-контроллер, но в этом нет особой необходимости.

Во всяком случае, вот что я сделал для «злого» вертолета:

1. Положить крышку в последовательно с двигателем. Подробнее об этом чуть позже.
2. Подключите FET через крышку.

Звучит безумно, но это работает. Комбинация cap / FET действует как переменное сопротивление, которое модулирует ток вентилятора и, следовательно, его скорость.

Когда FET выключен, крышка заряжается через двигатель. Когда он включен, крышка разряжается через полевой транзистор, и двигатель подтягивается к напряжению шины. Что это делает, это локализует сильноточную переходную петлю на полевой транзистор и крышку.

Вы обнаружите, что можете избавиться от большей части вашей фильтрации и даже уменьшить размер крышки, скажем, до 33 мкФ или около того.