Riduzione del rumore elettrico delle ventole di raffreddamento nel tuo PCB

Chi non ha mai aperto il proprio PC o laptop per dare un'occhiata alle ventole di raffreddamento e ai dissipatori di calore? Se lavori con componenti ad alta velocità, componenti ad alta frequenza o componenti di potenza, allora dovrai ideare una sorta di strategia di raffreddamento per rimuovere il calore da questi componenti. A meno che tu non voglia utilizzare l'opzione nucleare e installare un'unità di raffreddamento evaporativo o costruire un sistema di raffreddamento a liquido, otterrai i migliori risultati con il fattore di forma più piccolo quando usi una ventola di raffreddamento. È una buona idea aggiungere il ventilatore su un dissipatore per aiutare il trasferimento di calore per convezione.

Rumore elettrico della ventola e EMI irradiata

Indipendentemente dal metodo che utilizzi per raffreddare il tuo sistema, o se stai costruendo un sistema di raffreddamento, ci sono alcuni punti particolari EMI/EMC da considerare, a seconda del metodo utilizzato per azionare il tuo ventilatore.

Alimentazione AC

Le ventole alimentate in AC sono meno utilizzate nei sistemi compatti poiché non si ha controllo della velocità senza il controllo della frequenza, e questi sistemi generalmente funzionano ad alta tensione AC. Pertanto, sono più comunemente trovate nei sistemi industriali. Queste ventole possono produrre significative EMI condotte (sia comuni che differenziali) alla frequenza fondamentale e alle armoniche di ordine superiore, che poi si propagano attraverso le linee di alimentazione/terra. Normalmente, ciò può essere eliminato con la filtrazione in modo comune (rete LC), seguita dalla filtrazione differenziale (un'altra rete LC), e un filtro RC in serie.

Alimentazione DC

Anche se i ventilatori a corrente continua possono sembrare elettricamente silenziosi, producono rumore acustico ed elettrico. I diversi tipi di ventilatori genereranno i loro propri tipi di EMI, creando difficoltà nel superare i test EMC. Anche un motore alimentato in corrente continua produrrà EMI grazie al magnete rotante utilizzato per attrarre e respingere il rotore, producendo un forte rumore di commutazione durante la commutazione. L'EMI generato dai ventilatori a corrente continua è normalmente limitato all'EMI condotto nei cavi di alimentazione del ventilatore (per i ventilatori a corrente continua a 2 fili). Questo rumore elettrico della ventola viene normalmente iniettato nella massa comune, dove riappare all'uscita di qualsiasi amplificatore che alimenta il ventilatore.

Ventola di raffreddamento DC a singolo albero semplice

Questo non significa che una ventola DC non produca EMI irradiate, ma l'EMI irradiata sarà alla stessa frequenza del tasso di rotazione a causa dei campi magnetici non contenuti (UMF) dal magnete permanente e dagli avvolgimenti dello statore. Gli UMF esistono praticamente in tutte le ventole in una certa misura, ma il primo passo nel trattare gli UMF è responsabilità del produttore. Alcuni produttori posizioneranno un involucro di acciaio sottile nelle loro ventole per sopprimere gli UMF in almeno due piani di montaggio. Questo significa che l'EMI irradiata dipende fortemente dall'orientamento della ventola.

L'EMI irradiata dagli UMF può indurre una corrente di ripple a bassa frequenza in un circuito ad alta induttanza nelle vicinanze. Le ventole più grandi generalmente richiedono un campo magnetico più forte per l'azionamento, quindi mostreranno un EMI più forte a una data velocità di rotazione. Tuttavia, anche a velocità di rotazione di migliaia di RPM, la frequenza di questa EMI irradiata sarà solo nell'ordine di centinaia di Hz.

Controllo PWM

Un ventilatore controllato tramite PWM offre il controllo della velocità variando il ciclo di lavoro e il segnale PWM. Con il controllo PWM, si lavora con un MOSFET di commutazione o altro circuito con ciclo di lavoro variabile. Nota che il controllo della velocità è fornito impostando il ciclo di lavoro e la frequenza degli impulsi appropriati. Questo è effettivamente piuttosto importante poiché, in casi estremi di frequenza degli impulsi molto bassa, il ventilatore può rallentare fino a fermarsi mentre il segnale PWM è basso. Se il segnale PWM è molto veloce (alta frequenza), si sentiranno dei rumori interessanti a causa degli effetti di aliasing mentre si cerca di far girare il ventilatore troppo velocemente.

Nel caso delle ventole controllate da PWM, la maggior parte dei driver PWM produce rumore in modo comune ad alta frequenza che raggiunge la gamma dei MHz. I motori induttivi azionati con PWM possono indurre rumore in modo comune nei circuiti vicini attraverso le linee di alimentazione come EMI condotto, il che può influenzare la vostra valutazione EMC. Questo tipo di controllo delle ventole è più comune nei computer che richiedono il controllo della velocità. Si noti che ciò richiede anche l'uso di un circuito di controllo della temperatura e regolazione della velocità per garantire che la ventola mantenga una velocità costante, e in modo che il controller possa aumentare/diminuire il ciclo di lavoro secondo necessità.

Ventola di raffreddamento DC a singolo albero semplice

Si noti che il circuito PWM stesso produrrà anche EMI condotta a causa di overshoot/anello. Questo dovrebbe essere lisciato o filtrato, ma si dovrebbe controllare le linee guida del produttore della ventola prima di aggiungere un condensatore di bypass o perla di ferrite all'ingresso della ventola. Ho visto raccomandazioni per affrontare questo problema che includono la costruzione di un filtro LC, fino a un filtro a banda stop per rimuovere il segnale di anello, fino all'uso di un filtro RC sull'uscita. In ogni caso, assicurati che la tua strategia di filtraggio soddisfi le raccomandazioni del tuo produttore.

Se il segnale PWM ha un tempo di salita rapido, allora si può avere un problema simile a quello visto negli alimentatori a commutazione, dove il segnale di commutazione induce diafonia in alcuni circuiti vicini. Se stai utilizzando un segnale PWM ad alta corrente per pilotare una ventola di grandi dimensioni, l'azione di commutazione del segnale PWM può causare commutazioni involontarie nei circuiti digitali vicini. Questo si verifica indipendentemente dalla frequenza o dal ciclo di lavoro del treno di impulsi PWM. A questo punto, dovresti considerare l'aggiunta di una schermatura al circuito PWM.

Scegliere una ventola e ridurne il rumore elettrico

Poiché l'EMI condotto è il fattore principale da affrontare nella progettazione di un sistema che utilizza un ventilatore, è necessario ideare un modo per affrontare questo rumore. Se si intende adottare una strategia di filtraggio, allora si dovrebbe dedicare del tempo per determinare quali frequenze filtrare. Personalmente, prenderei il tempo per ordinare alcuni ventilatori e testarli con un oscilloscopio su una scheda prototipo o di valutazione per componenti sensibili. Anche se potrebbe non piacervi spendere 100 dollari per alcuni ventilatori e attendere qualche giorno per il loro arrivo per posta, è meglio che trascurare una fonte di rumore e dover ridisegnare una parte della vostra scheda.

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