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

20

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:
wprowadź opis zdjęcia tutaj

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:
wprowadź opis zdjęcia tutaj

Sygnał w punkcie B:
wprowadź opis zdjęcia tutaj

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:
wprowadź opis zdjęcia tutaj

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.
wprowadź opis zdjęcia tutaj wprowadź opis zdjęcia tutaj wprowadź opis zdjęcia tutaj

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).

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Po podłączeniu wentylatora zamiast rezystora mocy:
wprowadź opis zdjęcia tutaj

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). wprowadź opis zdjęcia tutaj

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).

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Hałas spadł do 2 mV pp.

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Chupacabras
źródło
1
Proszę zamieścić zdjęcie układu, kondensatory są skuteczne w filtrowaniu wysokiej częstotliwości tylko wtedy, gdy ich indukcyjność jest niska, co zależy w dużej mierze od układu. Proszę również podać arkusz danych dotyczących limitów (jeśli tak mówią, to ograniczenia ogólne)
Peufeu,
@peufeu Dodałem te aktualizacje.
Chupacabras,
Pytanie poboczne, jakiego oprogramowania CAD używasz?
Sean87 10.10.17
@ Sean87 to KiCad
Chupacabras,
Olde school dodatek, który może pomóc. Cap od Vin do ground_in następnie dwa etapy serii R, zener do ziemi, cap przez Zenera. Uziemienie związane z Vin używane jako grounn, więc minimalna pętla Vin / Ground. Drugi zener nieco mniejszy niż pierwszy. Oczywiście tracisz trochę Vin przy każdej serii R / zenera, więc nie możesz wykorzystać pełnego zapasu. Użycie np. TL431 lub podobnego pozwala na precyzyjne napięcia zenera. Tak dawno temu używaliśmy w środowisku telekomunikacyjnym do radzenia sobie z hałasem różnym od 50 V w - w twoim przypadku działa on wstecz, ale powinien / może pomóc. Łatwo wypróbuj w formie Lashup, aby sprawdzić, czy warto go użyć.
Russell McMahon,

Odpowiedzi:

22

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.

Bimpelrekkie
źródło
2
Można tu zastosować kondensatory tantalowe zamiast elektrolitycznego aluminium. Alternatywnie, zastosuj podejście brutalnej siły: kontynuuj dodawanie pojemności w malejących rzędach wielkości, aż hałas zniknie. 100uF, 10uF, 1uF, 100nF, ...
Wielomian
Dodałem ceramikę 10uF do C1 i C3, to pomogło dużo. Właśnie ta zmiana zmniejszyła hałas z 600mV pp do 50mV pp
Chupacabras,
Doskonały! Teraz już wiesz, jak złe są te czapki 1000uF przy wysokich częstotliwościach i tłumieniu impulsów.
Bimpelrekkie
1
Cóż, te czapki nie zmniejszały hałasu, jak napisałem w poprzednim komentarzu. Zapomniałem, że zmieniłem D4 przed dodaniem wielkich liter. To dziwne, bo miałem tam US1G. Hałas wynosił 600 mV. Potem zmieniłem go na SS12, a hałas spadł do 100mV. Następnie dodałem czapki, a hałas spadł do 43mV. Nie spodziewałem się, że zmiana diody może mieć taką różnicę.
Chupacabras,
1
SS12 jest (oczywiście) znacznie wolniejszą diodą. Szybkie przełączanie zawsze wprowadza bardziej fałszywe sygnały. Nadal dobrym pomysłem jest stosowanie lub dodawanie różnych kondensatorów. Być może twoje limity 10uF nie są niskie ESR, więc nie są wystarczająco dobre dla wysokich częstotliwości.
Bimpelrekkie
9

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.

Dean Franks
źródło
Chociaż jest to dobra sugestia, należy uważać, aby MOSFET nie przegrzał się z powodu zwiększonego rozproszenia mocy podczas przełączania.
Manu3l0us,
Tak, pomogło to zmniejszyć hałas. Muszę sprawdzić temperaturę Q2.
Chupacabras,
Przetestowałem to, pozostawiłem na 30 minut. Q2 jest nadal zimny, wcale nie ciepły. Więc powinno być dobrze :)
Chupacabras,
8

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.

peufeu
źródło
Dziękujemy za cenną odpowiedź. Sprawiłem, że ten obwód jest jednostronny (łatwiej go dla mnie zrobić) i wiem, że wygląda brzydko. Czy jesteś pewien, że samolot naziemny miałby jakąkolwiek różnicę? Tor o grubości 1 mm ma 7nH / cm, ale tor o grubości 10 mm miałby 3nH / cm. Mój obwód działał z częstotliwością przełączania 130 kHz. Powodem tego nie była wydajność, ale wielkość cewki przełączającej. Gdy obniżę częstotliwość z 130 kHz do 30 kHz, potrzebowałbym 4x większego induktora (w przeciwnym razie będzie nasycony). Masz rację czas narastania / opadania. Zmieniłem czasy opadania z 10ns na 100ns, a hałas poszedł do 2mV pp.
Chupacabras,
Indukcyjność samolotu jest znacznie niższa niż ślady (nie używaj kalkulatora z płaskim przewodnikiem, nie będzie działać na płaszczyźnie). Tak czy inaczej, wolniejsze przełączanie jest najlepszym rozwiązaniem w twoim przypadku. Możesz również użyć dwustronnego, jeśli chcesz go wytrawić, po prostu przydziel całą tylną stronę na ziemię, wywierć przelotowe otwory i włóż w to kawałek drutu ... to zadziała.
peufeu,
Tak, sam to wytrawiam. Jak na ironię, moje dwie pierwsze wersje miały po obu stronach strefę GND. Nie pamiętam powodu. Prawdopodobnie czas to zwrócić :)
Chupacabras,
Tak, miedź jest wolna
Peufeu,
Moim celem było użycie najwyższej możliwej częstotliwości (i możliwie najostrzejszych czasów narastania), aby móc użyć możliwie najmniejszej cewki indukcyjnej. Absolutnie nie zdawałem sobie sprawy, że będzie to miało tak negatywne skutki, jak wyjaśniłeś. Szkoda, że ​​nie mogę oznaczyć wielu odpowiedzi jako zaakceptowanych. Istnieje wiele odpowiedzi, które na to zasługują :)
Chupacabras,
1

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.

Graham
źródło
Tak, użyję regulatorów liniowych dokładnie tak, jak piszesz. Ale myślałem, że coś załamie. Regulatory liniowe nie są idealne. Dlatego chciałem zminimalizować tętnienie tak bardzo, jak to możliwe.
Chupacabras,
@Chupacabras Pewne tętnienie przejdzie, na pewno. To, czy ma to dla Ciebie znaczenie, będzie zależeć od tego, jak wolne od tętnień muszą być twoje zapasy. W przypadku elektroniki cyfrowej potrzebujesz szalonych poziomów tętnienia, zanim to zrobi różnicę, więc w przypadku czysto cyfrowego obwodu można w zasadzie o tym zapomnieć. Ma to jednak znaczenie dla analogów - w takim przypadku można rozważyć zastosowanie wielu stopni regulatora, może od 12 V do 9 V, a następnie do 5 V (zakładając, że strona analogowa działa przy 5 V). Sprawdź także PSRR regulatora - niektóre są lepsze od innych.
Graham,
0

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

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

maniak zapadkowy
źródło
1
Usunąłem D2, nie miało to wpływu na hałas.
Chupacabras
0

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.

hacktastical
źródło