So wählen Sie den richtigen Kühlventilator für Ihre Leiterplatte aus und reduzieren Geräusche

Wer hat nicht schon einmal seinen PC oder Laptop geöffnet und sich ausgiebig die Lüfter und Kühlkörper angesehen? Wenn Sie mit Hochgeschwindigkeitskomponenten, Hochfrequenzkomponenten oder Leistungskomponenten arbeiten, dann müssen Sie eine Art Kühlstrategie entwickeln, um die Wärme von diesen Komponenten abzuführen.

Es sei denn, Sie möchten zur nuklearen Option greifen und eine Verdunstungskühlungseinheit installieren oder ein Wasserkühlsystem bauen, erhalten Sie die besten Ergebnisse mit dem kleinsten Formfaktor, wenn Sie einen Kühlventilator verwenden. Es ist eine gute Idee, den Ventilator auf einen Kühlkörper zu setzen, um den konvektiven Wärmeübergang zu unterstützen.

Elektrisches Rauschen des Lüfters und abgestrahlte EMI

Unabhängig davon, welche Methode Sie zur Kühlung Ihres Systems verwenden, oder ob Sie ein Kühlsystem bauen, gibt es abhängig von der Methode, die zum Antrieb Ihres Lüfters verwendet wird, einige spezielle EMI/EMC-Punkte zu beachten.

AC-Ansteuerung

AC-gesteuerte Lüfter werden in kompakten Systemen seltener verwendet, da sie ohne Frequenzsteuerung keine Geschwindigkeitskontrolle bieten, und diese Systeme laufen in der Regel mit hoher Wechselspannung. Daher findet man sie eher in industriellen Systemen.

Diese Lüfter können erhebliche geleitete EMI (sowohl gemeinsame als auch differentielle) bei der Grundfrequenz und bei höheren Harmonischen erzeugen, die sich dann durch die Strom-/Erdleitungen ausbreiten. Dies kann normalerweise mit gemeinsamer Modusfiltration (LC-Netzwerk) entfernt werden, gefolgt von differentieller Filtration (ein weiteres LC-Netzwerk) und einem RC-Filter in Serie.

DC-Ansteuerung

Obwohl Gleichstromventilatoren elektrisch geräuschlos erscheinen mögen, erzeugen sie dennoch akustische und elektrische Geräusche. Die verschiedenen Arten von Ventilatoren verursachen ihre eigenen Arten von EMI, was das Bestehen von EMC-Tests erschwert.

Selbst ein mit Gleichstrom betriebener Motor erzeugt EMI dank des rotierenden Magneten, der verwendet wird, um den Rotor anzuziehen und abzustoßen, wodurch starke Schaltgeräusche während der Kommutierung entstehen. Die von Gleichstromventilatoren erzeugte EMI beschränkt sich normalerweise auf geleitete EMI in den Stromleitungen des Ventilators (für 2-Draht-Gleichstromventilatoren). Dieses elektrische Geräusch des Ventilators wird normalerweise in das gemeinsame Erdungssystem eingespeist, wo es am Ausgang eines jeden Verstärkers, der den Ventilator antreibt, wieder erscheint.

Einfacher einachsiger Gleichstrom-Kühllüfter

Das bedeutet nicht, dass ein Gleichstromlüfter keine abgestrahlte elektromagnetische Interferenz (EMI) erzeugt, aber die abgestrahlte EMI wird aufgrund unkontrollierter magnetischer Felder (UMF) vom Permanentmagnet und den Statorwicklungen mit derselben Frequenz wie die Drehzahl auftreten.

UMF existiert in praktisch allen Lüftern in gewissem Maße, aber der erste Schritt im Umgang mit UMF liegt in der Verantwortung des Herstellers. Einige Hersteller werden eine dünne Stahlhülle in ihre Lüfter einbauen, um UMF in mindestens zwei Montageebenen zu unterdrücken. Das bedeutet, dass die abgestrahlte EMI stark von der Orientierung des Lüfters abhängt.

Abgestrahlte EMI von UMF kann in einem nahegelegenen Hochinduktivitätskreis einen niederfrequenten Ripple-Strom induzieren. Größere Lüfter benötigen im Allgemeinen ein stärkeres Magnetfeld zum Antrieb, daher werden sie bei einer gegebenen Drehzahl eine stärkere EMI aufweisen. Jedoch wird die Frequenz dieser abgestrahlten EMI selbst bei Drehzahlen von Tausenden U/min nur im Bereich von Hunderten Hz liegen.

PWM-Ansteuerung

Ein PWM-gesteuerter Lüfter ermöglicht eine Geschwindigkeitskontrolle, indem der Tastgrad und das PWM-Signal variiert werden. Bei der PWM-Ansteuerung arbeiten Sie mit einem schaltenden MOSFET oder einem anderen Schaltkreis mit variablem Tastgrad. Beachten Sie, dass die Geschwindigkeitskontrolle durch Einstellen des geeigneten Tastgrades und der Pulsfrequenz erfolgt.

Dies ist tatsächlich ziemlich wichtig, da in extremen Fällen einer sehr niedrigen Pulsfrequenz der Lüfter zum Stillstand kommen kann, während das PWM-Signal niedrig ist. Ist das PWM-Signal sehr schnell (hohe Frequenz), werden Sie einige interessante Geräusche aufgrund von Aliasing-Effekten hören, da Sie versuchen, den Lüfter zu schnell anzutreiben.

Im Falle von PWM-gesteuerten Lüftern erzeugen die meisten PWM-Treiber gemeinsame Modusstörungen bei hoher Frequenz, die in den MHz-Bereich reichen. Induktive Motoren, die mit PWM betrieben werden, können über die Stromleitungen als geleitete EMI gemeinsame Modusstörungen in benachbarten Schaltkreisen induzieren, was Ihre EMC-Bewertung beeinflussen kann. Diese Art der Lüftersteuerung ist häufiger in Computern zu finden, die eine Geschwindigkeitsregelung benötigen.

Beachten Sie, dass dies auch die Verwendung eines Temperatursteuerungs- und Geschwindigkeitsregelungsschaltkreises erfordert, um sicherzustellen, dass der Lüfter eine gleichmäßige Geschwindigkeit beibehält, und damit der Controller den Tastgrad nach Bedarf erhöhen/verringern kann.

Einfacher einwelliger Gleichstrom-Kühllüfter

Beachten Sie, dass die PWM-Schaltung selbst aufgrund von Überschwingen/Ringing auch geleitete EMI erzeugen wird. Dies sollte geglättet oder gefiltert werden, aber Sie sollten die Richtlinien Ihres Lüfterherstellers überprüfen, bevor Sie einen Bypass-Kondensator oder Ferritperle am Eingang Ihres Lüfters hinzufügen. Ich habe Empfehlungen gesehen, dieses Problem anzugehen, die vom Aufbau eines LC-Filters über einen Bandsperrenfilter zur Entfernung des Ringingsignals bis hin zur Verwendung eines RC-Filters am Ausgang reichen. Stellen Sie in jedem Fall sicher, dass Ihre Filterstrategie den Empfehlungen Ihres Herstellers entspricht.

Wenn das PWM-Signal eine schnelle Anstiegszeit hat, dann können Sie ein ähnliches Problem wie bei Schaltnetzteilen haben, bei denen das Schaltsignal in einigen benachbarten Schaltkreisen Übersprechen induziert. Wenn Sie ein PWM-Signal mit hohem Strom verwenden, um einen großen Ventilator anzutreiben, kann die Schaltaktion des PWM-Signals ungewolltes Schalten in benachbarten digitalen Schaltkreisen verursachen. Dies tritt unabhängig von der Frequenz oder dem Tastverhältnis der PWM-Impulsfolge auf. An diesem Punkt sollten Sie in Erwägung ziehen, einen Schutz zum PWM-Schaltkreis hinzuzufügen.

Einen Ventilator auswählen und elektrisches Rauschen des Ventilators reduzieren

Da leitungsgebundene EMI der primäre Faktor ist, der beim Entwurf eines Systems, das einen Lüfter verwendet, berücksichtigt werden muss, müssen Sie eine Möglichkeit finden, dieses Rauschen anzugehen. Wenn Sie eine Filterstrategie verfolgen möchten, sollten Sie sich etwas Zeit nehmen, um zu bestimmen, welche Frequenzen Sie filtern müssen.

Persönlich würde ich mir die Zeit nehmen, einige Lüfter zu bestellen und sie mit einem Oszilloskop auf einem Prototypen- oder Evaluierungsboard für empfindliche Komponenten zu testen. Auch wenn es Ihnen vielleicht nicht gefällt, 100 Dollar für einige Lüfter auszugeben und ein paar Tage auf deren Ankunft per Post zu warten, ist es besser, als eine Rauschquelle zu übersehen und einen Teil Ihrer Platine neu entwerfen zu müssen.

Wenn Sie eine Routing-Strategie entwickeln müssen, um empfindliche Komponenten vor elektrischem Lärm von Lüftern zu schützen, sollte Ihre Design-Software einen umfassenden Satz an Routing-Tools, Layer-Stack-Design-Tools und eine umfangreiche Komponentenbibliothek beinhalten. Altium Designer umfasst all dies und noch viel mehr, was Ihnen ermöglicht, den Geräuschunterdrückungsmechanismus zu implementieren, der am besten für Ihr nächstes Gerät geeignet ist. Diese Funktionen integrieren sich direkt in Ihre Layout-Tools und laufen auf einem einheitlichen Design-Engine, was Ihnen erlaubt, Platinen höchster Qualität für jede Anwendung zu erstellen.

Wenn Sie mehr über Altium Designer erfahren möchten, können Sie uns kontaktieren oder eine kostenlose Testversion herunterladen und Zugang zu den besten Layout-, Routing- und Simulationstools der Branche erhalten. Sprechen Sie noch heute mit einem Altium-Experten, um mehr zu erfahren.