Réduire le bruit du ventilateur dans vos PCB

Qui n'a jamais ouvert son PC ou son ordinateur portable pour observer attentivement ses ventilateurs et ses dissipateurs thermiques ?

Si vous travaillez avec des composants à haute vitesse, à haute fréquence ou des composants de puissance, alors vous aurez besoin de concevoir une sorte de stratégie de refroidissement pour évacuer la chaleur de ces derniers.

À moins que vous ne souhaitiez utiliser l'option nucléaire et installer une unité de refroidissement par évaporation ou construire un système de refroidissement à eau, vous obtiendrez les meilleurs résultats avec le plus petit facteur de forme lorsque vous utilisez un ventilateur de refroidissement.

Il est judicieux d'ajouter le ventilateur sur un dissipateur thermique pour aider au transfert de chaleur par convection.

Bruit de ventilateur et EMI rayonnées

Peu importe la méthode que vous utilisez pour refroidir votre système, ou si vous construisez un système de refroidissement, il y a certains points EMI/EMC à considérer, selon la méthode utilisée pour alimenter votre ventilateur.

Commande en courant alternatif (AC)

Les ventilateurs alimentés en courant alternatif (AC) sont moins souvent utilisés dans les systèmes compacts car vous n'avez pas de contrôle de vitesse sans contrôle de fréquence, et ces systèmes fonctionnent généralement à haute tension AC. Par conséquent, ils sont plus susceptibles d'être trouvés dans les systèmes industriels.

Ces ventilateurs peuvent produire un EMI conduit significatif (à la fois commun et différentiel) à la fréquence fondamentale et aux harmoniques d'ordre supérieur, qui se propage ensuite à travers les lignes de puissance/masse.

Cela peut normalement être éliminé avec une filtration en mode commun (réseau LC), suivie d'une filtration différentielle (un autre réseau LC) et un filtre RC en série.

Commande en courant continu (DC)

Bien que les ventilateurs à courant continu puissent sembler électriquement silencieux, ils produisent du bruit acoustique et électrique.

Les différents types de ventilateurs engendreront leur propre type d'EMI, créant des difficultés pour réussir les tests EMC. Même un moteur alimenté en courant continu produira de l'EMI grâce à l'aimant en rotation utilisé pour attirer et repousser le rotor, produisant un bruit de commutation intense pendant la commutation.

L'EMI généré par les ventilateurs à courant continu est normalement limité à l'EMI conduit dans les fils d'alimentation du ventilateur (pour les ventilateurs à courant continu à 2 fils).

Ce bruit électrique du ventilateur est normalement injecté dans la masse commune, où il réapparaît à la sortie de tout amplificateur qui alimente le ventilateur.

Ventilateur de refroidissement DC à simple arbre

Cela ne signifie pas qu'un ventilateur DC ne produit pas d'EMI rayonnées, mais l'EMI rayonnée sera à la même fréquence que le taux de rotation en raison des champs magnétiques non contenus (UMF) provenant de l'aimant permanent et des enroulements du stator.

Les UMF existent dans pratiquement tous les ventilateurs à un certain degré, mais la première étape pour traiter les UMF est la responsabilité du fabricant. Certains fabricants placeront une enveloppe en acier mince dans leurs ventilateurs pour supprimer les UMF dans au moins deux plans de montage. Cela signifie que l'EMI rayonnée dépend fortement de l'orientation du ventilateur.

L'EMI rayonnée provenant des UMF peut induire un courant ondulatoire de basse fréquence dans un circuit à haute inductance à proximité. Les ventilateurs plus grands nécessitent généralement un champ magnétique plus fort pour fonctionner, ainsi ils présenteront une EMI plus forte à un taux de rotation donné. Cependant, même à des taux de rotation de milliers de RPM, la fréquence de cette EMI rayonnée ne sera que dans la gamme de quelques centaines de Hz.

Contrôle PWM

Un ventilateur piloté par PWM offre un contrôle de vitesse en variant le cycle de travail et le signal PWM. Avec le contrôle PWM, vous travaillez avec un MOSFET de commutation ou un autre circuit avec un cycle de travail variable.

Notez que le contrôle de la vitesse est assuré en réglant le cycle de travail et la fréquence d'impulsion appropriés. C'est en fait assez important car, dans des cas extrêmes de fréquence d'impulsion très basse, le ventilateur peut s'arrêter de tourner tandis que le signal PWM est bas.

Si le signal PWM est très rapide (haute fréquence), vous entendrez des bruits intéressants dus aux effets d'aliasing lorsque vous essayez de faire tourner le ventilateur trop vite.

Dans le cas des ventilateurs pilotés par PWM, la plupart des pilotes PWM produisent un bruit de mode commun à haute fréquence atteignant la gamme des MHz.

Les moteurs inductifs pilotés avec PWM peuvent induire un bruit de mode commun dans les circuits à proximité à travers les lignes d'alimentation sous forme d'EMI, ce qui peut affecter votre classement CEM. Ce type de pilotage de ventilateur est plus courant dans les ordinateurs qui nécessitent un contrôle de vitesse.

Notez que cela nécessite également l'utilisation d'un circuit de régulation de température et de vitesse pour assurer que le ventilateur maintient une vitesse stable, et pour que le contrôleur puisse augmenter/diminuer le cycle de travail selon les besoins.

Un ventilateur de refroidissement DC à axe unique simple

Notez que le circuit PWM lui-même produira également de l'EMI conduit en raison du dépassement/oscillation. Cela devrait être lissé ou filtré, mais vous devriez vérifier les directives de votre fabricant de ventilateur avant d'ajouter un condensateur de dérivation ou une perle de ferrite à l'entrée de votre ventilateur.

J'ai vu des recommandations pour aborder ce problème inclure la construction d'un filtre LC, à un filtre coupe-bande pour éliminer le signal d'oscillation, à l'utilisation d'un filtre RC sur la sortie.

Dans tous les cas, assurez-vous que votre stratégie de filtrage satisfait les recommandations de votre fabricant.

Si le signal PWM a un temps de montée rapide, alors vous pouvez rencontrer un problème similaire à celui observé dans les alimentations à découpage, où le signal de commutation induit une diaphonie dans un circuit proche.

Si vous utilisez un signal PWM de haute intensité pour alimenter un grand ventilateur, l'action de commutation du signal PWM peut provoquer une commutation involontaire dans les circuits numériques à proximité. Cela se produit indépendamment de la fréquence ou du rapport cyclique de la trainée d'impulsions PWM. À ce stade, vous devriez envisager d'ajouter un blindage au circuit PWM.

Faire le bon choix pour réduire le bruit de ventilateur

Comme l'EMI conduit est le facteur principal à prendre en compte lors de la conception d'un système utilisant un ventilateur, vous devez trouver un moyen de traiter ce bruit.

Si vous envisagez d'adopter une stratégie de filtrage, alors vous devriez prendre un peu de temps pour déterminer quelles fréquences vous devez filtrer.

Personnellement, je prendrais le temps de commander quelques ventilateurs et de les tester avec un oscilloscope sur une carte prototype ou d'évaluation pour les composants sensibles. Bien que dépenser 100 $ pour quelques ventilateurs et attendre quelques jours pour leur arrivée par courrier puisse ne pas vous plaire, c'est mieux que de négliger une source de bruit et de devoir redessiner une partie de votre carte.

Lorsque vous devez élaborer une stratégie de routage pour protéger les composants sensibles du bruit électrique des ventilateurs, votre logiciel de conception doit inclure un ensemble complet d'outils de routage, d'outils de conception de pile de couches et une bibliothèque de composants étendue.

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