Redukcja szumów elektrycznych wentylatora chłodzącego na Twojej płytce PCB

Kto nigdy nie otworzył swojego komputera lub laptopa, aby przyjrzeć się dokładnie jego wentylatorom i radiatorom? Jeśli pracujesz z komponentami o wysokiej prędkości, wysokiej częstotliwości lub komponentami mocy, będziesz musiał opracować jakąś strategię chłodzenia, aby usunąć ciepło z tych komponentów. Chyba że chcesz użyć opcji jądrowej i zainstalować jednostkę chłodzenia parowego lub zbudować system chłodzenia wodnego, najlepsze wyniki przy najmniejszym rozmiarze uzyskasz, używając wentylatora chłodzącego. Dobrym pomysłem jest dodanie wentylatora do radiatora, aby wspomóc konwekcyjny transfer ciepła.

Szum elektryczny wentylatora i promieniowane EMI

Bez względu na to, którą metodę chłodzenia systemu użyjesz, czy jeśli budujesz system chłodzenia, istnieją pewne szczególne punkty dotyczące EMI/EMC, które należy wziąć pod uwagę, w zależności od metody użytej do napędzania wentylatora.

Sterowanie AC

Wentylatory zasilane prądem przemiennym (AC) są rzadziej używane w kompaktowych systemach, ponieważ nie mają one kontroli prędkości bez kontroli częstotliwości, a te systemy zazwyczaj pracują przy wysokim napięciu AC. Dlatego częściej znajdują zastosowanie w systemach przemysłowych. Te wentylatory mogą generować znaczne zakłócenia elektromagnetyczne przewodzone (zarówno wspólne, jak i różnicowe) na podstawowej częstotliwości oraz na wyższych harmonicznych, które następnie propagują się przez linie zasilania/masy. Zazwyczaj można je usunąć za pomocą filtracji wspólnego trybu (sieć LC), po której następuje filtracja różnicowa (kolejna sieć LC) oraz filtr RC w szeregu.

Sterowanie DC

Chociaż wentylatory prądu stałego mogą wydawać się elektrycznie bezgłośne, generują one hałas akustyczny i elektryczny. Różne typy wentylatorów będą generować własne typy EMI, co utrudnia zdanie testów EMC. Nawet silnik napędzany prądem stałym będzie wytwarzał EMI dzięki obracającemu się magnesowi, który przyciąga i odpycha rotor, wytwarzając silny hałas przełączania podczas komutacji. EMI generowane przez wentylatory prądu stałego jest zazwyczaj ograniczone do przewodzonego EMI w przewodach zasilających wentylator (dla wentylatorów prądu stałego z 2 przewodami). Ten elektryczny hałas wentylatora jest zazwyczaj wprowadzany do wspólnej masy, gdzie pojawia się ponownie na wyjściu dowolnego wzmacniacza, który napędza wentylator.

Prosty wentylator chłodzący DC z pojedynczą osią

Nie oznacza to, że wentylator DC nie wytwarza promieniowanego EMI, ale promieniowane EMI będzie miało tę samą częstotliwość co prędkość obrotowa z powodu niezawartych pól magnetycznych (UMF) pochodzących od stałego magnesu i uzwojeń stojana. UMF występuje praktycznie we wszystkich wentylatorach w pewnym stopniu, ale pierwszym krokiem w radzeniu sobie z UMF jest odpowiedzialność producenta. Niektórzy producenci umieszczają w swoich wentylatorach cienką stalową obudowę, aby tłumić UMF przynajmniej w dwóch płaszczyznach montażowych. Oznacza to, że promieniowane EMI jest silnie zależne od orientacji wentylatora.

Promieniowane EMI z UMF może indukować niskoczęstotliwościowy prąd tętnień w pobliskim obwodzie o wysokiej indukcyjności. Większe wentylatory ogólnie wymagają silniejszego pola magnetycznego do napędu, co oznacza, że będą wykazywać silniejsze EMI przy danej prędkości obrotowej. Jednak nawet przy prędkościach obrotowych liczących tysiące RPM, częstotliwość tego promieniowanego EMI będzie tylko w zakresie setek Hz.

Sterowanie PWM

Wentylator sterowany za pomocą PWM umożliwia kontrolę prędkości poprzez zmianę wypełnienia i sygnału PWM. Pracując z sterowaniem PWM, korzystasz z przełączającego tranzystora MOSFET lub innego obwodu o zmiennym wypełnieniu. Należy zauważyć, że kontrola prędkości jest zapewniona przez ustawienie odpowiedniego wypełnienia i częstotliwości impulsów. Jest to dość ważne, ponieważ w skrajnych przypadkach bardzo niskiej częstotliwości impulsów, wentylator może zwolnić do zatrzymania, gdy sygnał PWM jest niski. Jeśli sygnał PWM jest bardzo szybki (wysoka częstotliwość), usłyszysz pewne interesujące dźwięki spowodowane efektami aliasingu, gdy próbujesz zbyt szybko napędzać wentylator.

W przypadku wentylatorów sterowanych PWM, większość sterowników PWM generuje szumy wspólnego trybu o wysokiej częstotliwości, sięgające zakresu MHz. Silniki indukcyjne napędzane za pomocą PWM mogą indukować szumy wspólnego trybu w pobliskich obwodach poprzez linie zasilające jako przewodzone EMI, co może wpłynąć na ocenę EMC. Ten typ sterowania wentylatorem jest bardziej powszechny w komputerach wymagających regulacji prędkości. Należy zauważyć, że wymaga to również użycia obwodu kontroli temperatury i regulacji prędkości, aby zapewnić wentylatorowi utrzymanie stałej prędkości, a także aby kontroler mógł zwiększać/zmniejszać cykl pracy w razie potrzeby.

Prosty jednowałowy wentylator chłodzący DC

Zauważ, że sam obwód PWM również będzie generował przewodzone EMI z powodu przesterowania/dzwonienia. To powinno być wygładzone lub odfiltrowane, ale powinieneś sprawdzić wytyczne producenta wentylatora, zanim dodasz kondensator omijający lub koralik ferrytowy do wejścia wentylatora. Widziałem zalecenia dotyczące rozwiązania tego problemu, od budowy filtra LC, przez filtr pasmowozaporowy do usunięcia sygnału dzwonienia, po użycie filtra RC na wyjściu. W każdym przypadku upewnij się, że twoja strategia filtrowania spełnia zalecenia producenta.

Jeśli sygnał PWM ma szybki czas narastania, możesz napotkać podobny problem, jak ten obserwowany w przetwornicach impulsowych, gdzie sygnał przełączający indukuje przebicie sygnału w pobliskim obwodzie. Jeśli używasz sygnału PWM o wysokim prądzie do sterowania dużym wentylatorem, działanie przełączające sygnału PWM może powodować niezamierzone przełączanie w pobliskich obwodach cyfrowych. Dzieje się to niezależnie od częstotliwości lub wypełnienia impulsów PWM. W tym momencie powinieneś rozważyć dodanie jakiegoś ekranowania do obwodu PWM.

Wybór wentylatora i redukcja szumów elektrycznych wentylatora

Ponieważ przewodzone EMI jest głównym czynnikiem, który należy rozważyć podczas projektowania systemu wykorzystującego wentylator, musisz znaleźć sposób na radzenie sobie z tym szumem. Jeśli zamierzasz zastosować strategię filtrowania, powinieneś poświęcić trochę czasu na określenie, które częstotliwości musisz odfiltrować. Osobiście poświęciłbym czas na zamówienie kilku wentylatorów i przetestowanie ich za pomocą oscyloskopu na płytce prototypowej lub ewaluacyjnej dla wrażliwych komponentów. Może Ci się nie podobać wydawanie 100 dolarów na kilka wentylatorów i oczekiwanie kilku dni na ich dostarczenie pocztą, ale jest to lepsze niż przeoczenie źródła szumu i konieczność przeprojektowania części Twojej płytki.

Kiedy musisz opracować strategię trasowania, aby chronić wrażliwe komponenty przed zakłóceniami elektrycznymi pochodzącymi od wentylatora, Twoje oprogramowanie do projektowania powinno zawierać kompleksowy zestaw narzędzi do trasowania, narzędzia do projektowania układu warstw oraz obszerną bibliotekę komponentów. Altium Designer zawiera to wszystko i znacznie więcej, umożliwiając Ci wdrożenie mechanizmu tłumienia zakłóceń, który najlepiej sprawdzi się w Twoim następnym urządzeniu. Te funkcje integrują się bezpośrednio z Twoimi narzędziami do układania i działają na bazie jednolitego silnika projektowego, pozwalając Ci tworzyć płyty najwyższej jakości dla dowolnej aplikacji.

Jeśli jesteś zainteresowany dowiedzeniem się więcej o Altium Designer, możesz skontaktować się z nami lub pobrać darmową wersję próbną i uzyskać dostęp do najlepszych w branży narzędzi do projektowania układów, trasowania i symulacji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.