PCB에서의 냉각 팬 전기 소음 감소

PC나 노트북을 열어 그 안의 팬이나 방열판을 오래 바라본 적이 없는 사람이 있을까요? 고속 구성 요소, 고주파 구성 요소 또는 전력 구성 요소를 다루고 있다면, 이러한 구성 요소에서 열을 제거하기 위한 냉각 전략을 고안해야 할 것입니다. 증발식 냉각 장치를 설치하거나 수냉 시스템을 구축하는 핵옵션을 사용하고 싶지 않다면, 냉각 팬을 사용할 때 가장 작은 형태 요소로 최상의 결과를 얻을 수 있습니다. 방열판에 팬을 추가하는 것이 대류 열 전달을 돕는 좋은 방법입니다.

팬의 전기적 소음 및 방사된 EMI

시스템을 냉각하기 위해 어떤 방법을 사용하든, 또는 냉각 시스템을 구축하고 있다면, 팬을 구동하는 데 사용된 방법에 따라 고려해야 할 특정 EMI/EMC 사항이 있습니다.

AC 구동

AC 구동 팬은 주파수 제어 없이는 속도 제어가 불가능하기 때문에, 소형 시스템에서는 덜 사용됩니다. 그리고 이러한 시스템은 일반적으로 높은 AC 전압에서 작동합니다. 따라서, 이들은 주로 산업 시스템에서 발견됩니다. 이러한 팬은 기본 주파수와 더 높은 차수의 고조파에서 상당한 전도성 EMI(공통 및 차동 모두)를 발생시킬 수 있으며, 이는 전력/접지 선을 통해 전파됩니다. 이는 일반적으로 공통 모드 필터링(LC 네트워크)으로 제거할 수 있으며, 그 다음에 차동 필터링(또 다른 LC 네트워크)과 직렬로 연결된 RC 필터가 뒤따릅니다.

DC 구동

DC 팬이 전기적으로 소음이 없어 보일 수 있지만, 실제로는 음향 및 전기적 소음을 발생시킵니다. 다양한 유형의 팬은 각자의 EMI 유형을 발생시켜 EMC 테스트 통과를 어렵게 만듭니다. DC 모터를 구동해도, 회전하는 자석이 로터를 끌어당기고 밀어내면서 커뮤테이션 동안 강한 스위칭 소음을 발생시켜 EMI를 발생시킵니다. DC 팬에서 발생하는 EMI는 일반적으로 팬 전원 리드에서의 전도성 EMI로 제한됩니다(2선식 DC 팬의 경우). 이 팬 전기적 소음은 일반적으로 공통 접지로 주입되어, 팬을 구동하는 모든 증폭기의 출력에서 다시 나타납니다.

단순한 단축 DC 냉각 팬

이것은 DC 팬이 방사된 EMI를 생성하지 않는다는 것을 의미하지는 않지만, 영구 자석과 고정자 권선에서 발생하는 제어되지 않은 자기장(UMF) 때문에 방사된 EMI는 회전 속도와 동일한 주파수를 가질 것입니다. UMF는 거의 모든 팬에 어느 정도 존재하지만, UMF를 다루는 첫 번째 단계는 제조업체의 책임입니다. 일부 제조업체는 적어도 두 개의 장착면에서 UMF를 억제하기 위해 팬에 얇은 강철 외장을 배치할 것입니다. 이는 방사된 EMI가 팬의 방향에 크게 의존한다는 것을 의미합니다.

UMF에서 방사된 EMI는 근처의 고유도 회로에서 저주파 리플 전류를 유발할 수 있습니다. 일반적으로 더 큰 팬은 구동을 위해 더 강한 자기장이 필요하므로, 주어진 회전 속도에서 더 강한 EMI를 나타낼 것입니다. 그러나 수천 RPM의 회전 속도에서도, 이 방사된 EMI의 주파수는 수백 Hz 범위에만 있을 것입니다.

PWM 구동

PWM 구동 팬은 듀티 사이클과 PWM 신호를 변화시켜 속도 제어를 제공합니다. PWM 구동을 사용할 때, 스위칭 MOSFET 또는 듀티 사이클이 변하는 다른 회로와 작업하고 있습니다. 속도 제어는 적절한 듀티 사이클과 펄스 주파수를 설정함으로써 제공된다는 점에 유의하세요. 이는 실제로 매우 중요한데, 매우 낮은 펄스 주파수의 극단적인 경우에는 PWM 신호가 낮은 동안 팬이 정지할 수 있습니다. PWM 신호가 매우 빠르면(고주파), 팬을 너무 빠르게 구동하려고 할 때 에일리어싱 효과로 인해 흥미로운 소음을 듣게 될 것입니다.

PWM으로 구동되는 팬의 경우, 대부분의 PWM 드라이버는 MHz 범위에 이르는 고주파에서 공통 모드 노이즈를 발생시킵니다. PWM으로 구동되는 유도 모터는 전력선을 통해 주변 회로에 공통 모드 노이즈를 유도할 수 있으며, 이는 EMC 등급에 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 유형의 팬 구동은 속도 제어가 필요한 컴퓨터에서 더 일반적입니다. 팬이 안정적인 속도를 유지하도록 하고 컨트롤러가 필요에 따라 듀티 사이클을 증가/감소할 수 있도록 온도 제어 및 속도 조절 회로의 사용이 필요하다는 점에 유의하십시오.

단순한 단축 DC 냉각 팬

PWM 회로 자체도 과도 현상/링잉으로 인해 전도성 EMI를 발생시킬 것임을 유의하세요. 이는 평활화되거나 필터링되어야 하지만, 팬 제조업체의 지침을 확인한 후 바이패스 캐패시터나 페라이트 비드를 팬의 입력에 추가하기 전에 확인해야 합니다. 이 문제를 해결하기 위한 권장 사항으로 LC 필터 구축, 링잉 신호를 제거하기 위한 밴드스톱 필터, 출력에 RC 필터 사용 등을 본 적이 있습니다. 어떤 경우든, 필터링 전략이 제조업체의 권장 사항을 만족하는지 확인하세요.

PWM 신호의 상승 시간이 빠르면, 스위칭 신호가 근처 회로에 크로스토크를 유발하는 스위치 모드 전원 공급 장치에서 볼 수 있는 유사한 문제가 발생할 수 있습니다. 대형 팬을 구동하기 위해 고전류 PWM 신호를 사용하는 경우, PWM 신호의 스위칭 동작이 근처 디지털 회로의 비자발적 스위칭을 유발할 수 있습니다. 이는 PWM 펄스 열의 주파수나 듀티 사이클에 관계없이 발생합니다. 이 시점에서, PWM 회로에 보호 차폐를 추가하는 것을 고려해야 합니다.

팬 선택 및 팬 전기적 소음 감소

전도성 EMI가 팬을 사용하는 시스템을 설계할 때 주요하게 다루어야 할 요소라면, 이러한 노이즈를 해결하기 위한 방법을 고안해야 합니다. 필터링 전략을 취하기로 결정했다면, 필터링해야 할 주파수를 결정하는 데 시간을 할애해야 합니다. 개인적으로 저는 몇 개의 팬을 주문하여 민감한 구성 요소를 위한 프로토타입이나 평가 보드에서 오실로스코프로 테스트해 보는 시간을 가질 것입니다. 몇몇 팬에 100달러를 지출하고 우편으로 도착하기를 며칠 기다리는 것이 마음에 들지 않을 수 있지만, 노이즈 원을 간과하고 보드의 일부를 다시 설계해야 하는 것보다는 낫습니다.

민감한 부품을 팬 전기 소음으로부터 보호하기 위한 라우팅 전략을 고안해야 할 때, 설계 소프트웨어는 포괄적인 라우팅 도구 세트, 레이어 스택 디자인 도구 및 광범위한 부품 라이브러리를 포함해야 합니다. Altium Designer는 이 모든 것을 포함할 뿐만 아니라, 다음 장치에 가장 적합한 소음 억제 메커니즘을 구현할 수 있도록 해줍니다. 이러한 기능들은 레이아웃 도구와 직접 통합되며 통합된 디자인 엔진 위에서 실행되어, 어떤 애플리케이션에도 최고 품질의 보드를 만들 수 있게 해줍니다.

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