PCBにおける冷却ファンの電気ノイズ低減

PCやラップトップを開けて、そのファンやヒートシンクをじっくりと見たことがない人はいないでしょう。高速コンポーネント、高周波コンポーネント、または電力コンポーネントを扱っている場合、これらのコンポーネントから熱を取り除くための冷却戦略を考える必要があります。蒸発冷却ユニットを設置するか、水冷システムを構築するという核オプションを使用したくない場合は、冷却ファンを使用すると、最小の形状で最良の結果を得ることができます。対流熱伝達を助けるために、ヒートシンクにファンを追加することは良い考えです。

ファンの電気ノイズと放射EMI

システムを冷却するためにどの方法を使用するにしても、または冷却システムを構築している場合でも、ファンを駆動するために使用される方法に応じて、特定のEMI/EMCの点を考慮する必要があります。

AC駆動

AC駆動ファンは、周波数制御なしでは速度制御ができないため、コンパクトなシステムではあまり使用されません。また、これらのシステムは一般的に高AC電圧で動作するため、工業システムで見られることが多いです。これらのファンは、基本周波数および高次高調波で顕著な伝導EMI（共通モードおよび差動モード）を発生させ、これが電源/グラウンド線を通じて伝播します。これは通常、共通モードフィルタリング（LCネットワーク）に続いて差動フィルタリング（別のLCネットワーク）、そして直列のRCフィルターで除去できます。

DC駆動

DCファンは電気的にノイズがないように見えるかもしれませんが、音響的および電気的ノイズを発生します。異なるタイプのファンは、それぞれ独自のEMIを発生させ、EMCテストの合格を困難にします。DCモーターを駆動しても、ローターを引き寄せたり反発させたりするために使用される回転する磁石のおかげでEMIを発生させます。これは、整流時に強いスイッチングノイズを生じます。DCファンから発生するEMIは、通常、ファンの電源リード内の伝導EMIに限定されます（2線式DCファンの場合）。このファンの電気ノイズは通常、共通グラウンドに注入され、ファンを駆動する任意のアンプの出力で再現されます。

シンプルな単軸DC冷却ファン

これは、DCファンが放射されるEMI（電磁干渉）を発生させないという意味ではありませんが、放射されるEMIは、永久磁石とステータ巻線からの未封じ込め磁場（UMF）により、回転速度と同じ周波数になります。UMFはほとんどのファンにある程度存在しますが、UMFに対処する最初のステップはメーカーの責任です。一部のメーカーは、少なくとも2つの取り付け面でUMFを抑制するために、ファンに薄い鋼のエンクロージャを設置します。これは、放射されるEMIがファンの向きに強く依存することを意味します。

UMFからの放射されるEMIは、近くの高インダクタンス回路に低周波のリップル電流を誘導することがあります。一般に、大きなファンは駆動のためにより強い磁場を必要とするため、与えられた回転速度でより強いEMIを示します。しかし、数千RPMの回転速度でさえ、この放射されるEMIの周波数は数百Hzの範囲内にしかなりません。

PWM駆動

PWM駆動ファンは、デューティサイクルとPWM信号を変化させることで速度制御を提供します。PWM駆動では、スイッチングMOSFETや他のデューティサイクルが変化する回路を扱っています。速度制御は、適切なデューティサイクルとパルス周波数を設定することで提供されることに注意してください。これは、非常に低いパルス周波数の極端な場合、PWM信号が低い間にファンが停止するまで遅くなる可能性があるため、実際にはかなり重要です。PWM信号が非常に速い（高周波）場合、ファンを速くしすぎようとすると、エイリアシング効果による興味深いノイズが聞こえます。

PWMで駆動されるファンの場合、ほとんどのPWMドライバーは、MHz範囲に達する高周波で共通モードノイズを発生させます。PWMで駆動される誘導モーターは、導電性EMIとして電源線を通じて近くの回路に共通モードノイズを誘導することがあり、これはEMC評価に影響を与える可能性があります。このタイプのファン駆動は、速度制御が必要なコンピューターでより一般的です。この場合、ファンが安定した速度を維持するために温度制御および速度調整回路の使用が必要であり、コントローラーが必要に応じてデューティサイクルを増減できるようにする必要があることに注意してください。

シンプルな単軸DC冷却ファン

PWM回路自体もオーバーシュート/リンギングによって伝導EMIを発生させることに注意してください。これは平滑化またはフィルタリングされるべきですが、バイパスコンデンサやフェライトビーズをファンの入力に追加する前に、ファンメーカーのガイドラインを確認するべきです。この問題に対処するための推奨事項には、LCフィルターの構築、リンギング信号を除去するためのバンドストップフィルター、出力にRCフィルターを使用することなどが含まれているのを見たことがあります。いずれにせよ、フィルタリング戦略がメーカーの推奨事項を満たしていることを確認してください。

PWM信号の立ち上がり時間が速い場合、スイッチング信号が近くの回路にクロストークを誘発するスイッチングモード電源で見られるような類似の問題が発生することがあります。大型ファンを駆動するために高電流PWM信号を使用している場合、PWM信号のスイッチング動作が近くのデジタル回路に不随意のスイッチングを引き起こすことがあります。これは、PWMパルス列の周波数やデューティサイクルに関係なく発生します。この時点で、PWM回路に何らかのシールドを追加することを検討すべきです。

ファンの選択とファンの電気ノイズの低減

導入されたEMIがファンを使用するシステムを設計する際の主要な要因であるため、このノイズに対処する何らかの方法を考案する必要があります。フィルタリング戦略を取るつもりなら、フィルタリングが必要な周波数を決定するために時間をかけるべきです。個人的には、いくつかのファンを注文して、敏感なコンポーネントのプロトタイプや評価ボードでオシロスコープを使ってテストする時間を取るでしょう。ファンに100ドルを費やして郵便で届くのを数日待つのが好きではないかもしれませんが、ノイズ源を見落としてボードの一部を再設計する必要があるよりはましです。

ファンの電気ノイズから敏感なコンポーネントを保護するためのルーティング戦略を考案する必要がある場合、設計ソフトウェアには包括的なルーティングツール、レイヤースタック設計ツール、および広範なコンポーネントライブラリが含まれている必要があります。Altium Designerはこれらすべてを含み、さらに多くの機能を提供し、次のデバイスに最適なノイズ抑制メカニズムを実装することができます。これらの機能はレイアウトツールと直接統合され、統一された設計エンジンの上で動作し、あらゆるアプリケーションに対して最高品質のボードを作成することができます。

Altium Designerについてもっと知りたい場合は、お問い合わせいただくか、無料トライアルをダウンロードして、業界最高のレイアウト、ルーティング、シミュレーションツールにアクセスしてください。Altiumの専門家に今日相談して、さらに詳しく学びましょう。