Reducción del ruido eléctrico del ventilador de enfriamiento en tu PCB

¿Quién no ha abierto su PC o portátil y ha echado un vistazo a sus ventiladores y disipadores de calor? Si trabajas con componentes de alta velocidad, componentes de alta frecuencia o componentes de potencia, tendrás que idear algún tipo de estrategia de enfriamiento para eliminar el calor de estos componentes. A menos que quieras usar la opción nuclear e instalar una unidad de refrigeración por evaporación o construir un sistema de enfriamiento por agua, obtendrás los mejores resultados con el factor de forma más pequeño cuando uses un ventilador de enfriamiento. Es una buena idea añadir el ventilador a un disipador de calor para ayudar en la transferencia de calor por convección.

Ruido Eléctrico del Ventilador y EMI Radiada

Independientemente del método que utilices para refrigerar tu sistema, o si estás construyendo un sistema de enfriamiento, hay algunos puntos EMI/EMC particulares a tener en cuenta, dependiendo del método utilizado para accionar tu ventilador.

Conducción AC

Los ventiladores impulsados por AC se utilizan menos en sistemas compactos ya que no se tiene control de velocidad sin control de frecuencia, y estos sistemas generalmente operan a alta tensión AC. Por lo tanto, se encuentran más a menudo en sistemas industriales. Estos ventiladores pueden producir una EMI conducida significativa (tanto común como diferencial) en la frecuencia fundamental y en armónicos de orden superior, que luego se propaga a través de las líneas de alimentación/tierra. Esto normalmente puede eliminarse con filtración de modo común (red LC), seguido de filtración diferencial (otra red LC), y un filtro RC en serie.

Conducción DC

Aunque los ventiladores de CC pueden parecer eléctricamente silenciosos, producen ruido acústico y eléctrico. Los diferentes tipos de ventiladores generarán sus propios tipos de EMI, creando dificultades para pasar las pruebas de EMC. Incluso un motor impulsado por CC producirá EMI gracias al imán giratorio utilizado para atraer y repeler el rotor, produciendo un fuerte ruido de conmutación durante la conmutación. La EMI generada por los ventiladores de CC normalmente se limita a la EMI conducida en los cables de alimentación del ventilador (para ventiladores de CC de 2 cables). Este ruido eléctrico del ventilador de la PCB normalmente se inyecta en la tierra común, donde reaparece en la salida de cualquier amplificador que impulse el ventilador.

Ventilador de refrigeración de CC de eje simple

Esto no significa que un ventilador de CC no produzca EMI radiada, pero la EMI radiada estará a la misma frecuencia que la tasa de rotación debido a campos magnéticos no contenidos (UMF) del imán permanente y las bobinas del estator. Los UMF existen en prácticamente todos los ventiladores en cierto grado, pero el primer paso para tratar con los UMF es responsabilidad del fabricante. Algunos fabricantes colocarán una carcasa de acero delgada en sus ventiladores para suprimir los UMF en al menos dos planos de montaje de la PCB. Esto significa que la EMI radiada depende fuertemente de la orientación del ventilador.

La EMI radiada por UMF puede inducir una corriente de ondulación de baja frecuencia en un circuito cercano de alta inductancia. Los ventiladores más grandes generalmente requieren un campo magnético más fuerte para su funcionamiento, por lo tanto, exhibirán una EMI más fuerte a una tasa de rotación dada. Sin embargo, incluso a tasas de rotación de miles de RPM, la frecuencia de esta EMI radiada solo estará en el rango de cientos de Hz.

Control PWM

Un ventilador controlado por PWM ofrece control de velocidad variando el ciclo de trabajo y la señal PWM. Con el control PWM, estás trabajando con un MOSFET de conmutación u otro circuito con ciclo de trabajo variable. Es importante notar que el control de velocidad se proporciona estableciendo el ciclo de trabajo y la frecuencia de pulso adecuados. Esto es realmente importante ya que, en casos extremos de frecuencia de pulso muy baja, el ventilador puede detenerse mientras la señal PWM está en bajo. Si la señal PWM es muy rápida (alta frecuencia), escucharás algunos ruidos interesantes debido a efectos de aliasing mientras intentas hacer funcionar el ventilador demasiado rápido.

En el caso de los ventiladores controlados por PWM, la mayoría de los controladores PWM producen ruido de modo común a alta frecuencia que alcanza el rango de MHz. Los motores inductivos impulsados con PWM pueden inducir ruido de modo común en circuitos cercanos a través de las líneas de alimentación como EMI conducida, lo que puede afectar su calificación EMC. Este tipo de control de ventilador es más común en ordenadores que requieren control de velocidad. Nota que esto también requiere el uso de un circuito de control de temperatura y regulación de velocidad para asegurar que el ventilador mantenga una velocidad constante, y para que el controlador pueda aumentar/disminuir el ciclo de trabajo según sea necesario.

Ventilador de refrigeración de CC de eje único simple

Ten en cuenta que el circuito PWM en sí también producirá EMI conducida debido a sobrepasos/oscilaciones. Esto debería ser suavizado o filtrado, pero debes consultar las pautas de tu fabricante de ventiladores antes de a un capañadir un capacitor de derivación o perla de ferrita a la entrada del ventilador. He visto recomendaciones para abordar este problema que incluyen construir un filtro LC, hasta un filtro de rechazo de banda para eliminar la señal de oscilación, hasta usar un filtro RC en la salida. En cualquier caso, asegúrate de que tu estrategia de filtrado cumpla con las recomendaciones de tu fabricante.

Si la señal PWM tiene un tiempo de subida rápido, entonces puedes tener un problema similar al que se ve en las fuentes de alimentación conmutadas, donde la señal de conmutación induce diafonía en algún circuito cercano. Si estás utilizando una señal PWM de alta corriente para impulsar un ventilador grande, la acción de conmutación de la señal PWM puede causar conmutación involuntaria en circuitos digitales cercanos. Esto ocurre independientemente de la frecuencia o el ciclo de trabajo de la tren de pulsos PWM. En este punto, deberías considerar añadir algún blindaje al circuito PWM.

Elegir un Ventilador y Reducir el Ruido Eléctrico del Ventilador

Dado que la EMI conducida es el factor principal a abordar al diseñar un sistema que utiliza un ventilador, necesitas idear alguna manera de tratar este el ruido del ventilador. Si vas a adoptar una estrategia de filtrado, entonces deberías tomarte un tiempo para determinar qué frecuencias necesitas filtrar. Personalmente, me tomaría el tiempo de pedir algunos ventiladores y probarlos con un osciloscopio en una placa de prototipo o evaluación para componentes sensibles. Aunque puede que no te guste gastar $100 en algunos ventiladores y esperar unos días para que lleguen por correo, es mejor que pasar por alto una fuente de ruido y tener que rediseñar una parte de tu placa de circuito impreso.

Cuando necesites idear una estrategia de enrutamiento para proteger componentes sensibles del ruido eléctrico de un ventilador, tu software de diseño de PCB debería incluir un conjunto completo de herramientas de enrutamiento, herramientas de diseño de apilado de capas y una extensa biblioteca de componentes. Altium Designer incluye todo esto y mucho más, permitiéndote implementar el mecanismo de supresión de ruido del ventilador de tu PCB que mejor funcione para tu próximo dispositivo. Estas características se integran directamente con tus herramientas de diseño y funcionan sobre un motor de diseño unificado, permitiéndote crear placas de la más alta calidad para cualquier aplicación.

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