Redução do Ruído Elétrico do Ventilador de Refrigeração em Sua PCB

Quem nunca abriu seu PC ou laptop e observou atentamente seus ventiladores e dissipadores de calor? Se você trabalha com componentes de alta velocidade, componentes de alta frequência ou componentes de potência, então precisará elaborar algum tipo de estratégia de resfriamento para remover o calor desses componentes. A menos que você queira usar a opção nuclear e instalar uma unidade de resfriamento evaporativo ou construir um sistema de resfriamento a água, você obterá os melhores resultados com o menor fator de forma ao usar um ventilador de resfriamento. É uma boa ideia adicionar o ventilador a um dissipador de calor para auxiliar na transferência de calor por convecção.

Ruído Elétrico do Ventilador e EMI Radiada

Não importa qual método você use para resfriar seu sistema, ou se você está construindo um sistema de resfriamento, existem alguns pontos particulares de EMI/EMC a considerar, dependendo do método usado para acionar seu ventilador.

Controle AC

Ventiladores controlados por AC são menos utilizados em sistemas compactos, pois você não tem controle de velocidade sem controle de frequência, e esses sistemas geralmente operam em alta tensão AC. Portanto, eles são mais encontrados em sistemas industriais. Esses ventiladores podem produzir EMI conduzida significativa (tanto comum quanto diferencial) na frequência fundamental e em harmônicos de ordem superior, que então se propaga pelas linhas de energia/terra. Isso normalmente pode ser removido com filtração de modo comum (rede LC), seguida por filtração diferencial (outra rede LC), e um filtro RC em série.

Controle DC

Embora os ventiladores DC possam parecer eletricamente silenciosos, eles produzem ruído acústico e elétrico. Os diferentes tipos de ventiladores irão produzir seus próprios tipos de EMI, criando dificuldade em passar nos testes de EMC. Mesmo um motor alimentado por DC irá produzir EMI graças ao ímã giratório usado para atrair e repelir o rotor, produzindo um forte ruído de comutação durante a comutação. A EMI gerada por ventiladores DC é normalmente limitada à EMI conduzida nos cabos de alimentação do ventilador (para ventiladores DC de 2 fios). Esse ruído elétrico do ventilador é normalmente injetado no aterramento comum, onde reaparece na saída de qualquer amplificador que acione o ventilador.

Ventilador de refrigeração DC de eixo simples

Isso não significa que um ventilador DC não produza EMI irradiada, mas a EMI irradiada estará na mesma frequência que a taxa de rotação devido a campos magnéticos não contidos (UMF) do ímã permanente e enrolamentos do estator. UMF existe praticamente em todos os ventiladores em algum grau, mas o primeiro passo no tratamento de UMF é responsabilidade do fabricante. Alguns fabricantes colocarão uma fina caixa de aço em seus ventiladores para suprimir UMF em pelo menos dois planos de montagem. Isso significa que a EMI irradiada depende fortemente da orientação do ventilador.

EMI irradiada de UMF pode induzir uma corrente de ondulação de baixa frequência em um circuito próximo de alta indutância. Ventiladores maiores geralmente requerem um campo magnético mais forte para funcionar, assim eles exibirão uma EMI mais forte a uma dada taxa de rotação. No entanto, mesmo a taxas de rotação de milhares de RPM, a frequência desta EMI irradiada estará apenas na faixa de centenas de Hz.

Controle por PWM

Um ventilador controlado por PWM oferece controle de velocidade variando o ciclo de trabalho e o sinal PWM. Com o controle por PWM, você trabalha com um MOSFET de comutação ou outro circuito com ciclo de trabalho variável. Note que o controle de velocidade é fornecido ajustando-se o ciclo de trabalho e a frequência de pulso apropriados. Isso é realmente importante, pois, em casos extremos de frequência de pulso muito baixa, o ventilador pode parar enquanto o sinal PWM está baixo. Se o sinal PWM for muito rápido (alta frequência), você ouvirá alguns ruídos interessantes devido aos efeitos de aliasing à medida que tenta acelerar demais o ventilador.

No caso de ventiladores controlados por PWM, a maioria dos drivers PWM produz ruído de modo comum em alta frequência, alcançando a faixa de MHz. Motores indutivos acionados com PWM podem induzir ruído de modo comum em circuitos próximos através das linhas de energia como EMI conduzido, o que pode afetar sua classificação EMC. Esse tipo de acionamento de ventilador é mais comum em computadores que requerem controle de velocidade. Note que isso também requer o uso de um circuito de controle de temperatura e regulação de velocidade para garantir que o ventilador mantenha uma velocidade estável, e para que o controlador possa aumentar/diminuir o ciclo de trabalho conforme necessário.

Ventilador de refrigeração DC de eixo único simples

Note que o próprio circuito PWM também produzirá EMI conduzida devido ao overshoot/ressonância. Isso deve ser suavizado ou filtrado, mas você deve verificar as diretrizes do fabricante do seu ventilador antes de adicionar um capacitor de desvio ou miçanga de ferrite à entrada do seu ventilador. Eu vi recomendações para abordar esse problema incluindo a construção de um filtro LC, para um filtro de rejeição de banda para remover o sinal de ressonância, até o uso de um filtro RC na saída. De qualquer forma, certifique-se de que sua estratégia de filtragem atenda às recomendações do fabricante.

Se o sinal PWM tiver um tempo de subida rápido, então você pode ter um problema semelhante ao visto em fontes de alimentação comutadas, onde o sinal de comutação induz diafonia em algum circuito próximo. Se você estiver usando um sinal PWM de alta corrente para acionar um ventilador grande, a ação de comutação do sinal PWM pode causar comutação involuntária em circuitos digitais próximos. Isso ocorre independentemente da frequência ou do ciclo de trabalho do trem de pulsos PWM. Neste ponto, você deve considerar a adição de alguma blindagem ao circuito PWM.

Escolhendo um Ventilador e Reduzindo o Ruído Elétrico do Ventilador

Como a EMI conduzida é o principal fator a ser abordado no projeto de um sistema que utiliza um ventilador, você precisa encontrar alguma maneira de lidar com esse ruído. Se você pretende adotar uma estratégia de filtragem, então deve dedicar algum tempo para determinar quais frequências precisa filtrar. Pessoalmente, eu dedicaria um tempo para encomendar alguns ventiladores e testá-los com um osciloscópio em uma placa de protótipo ou de avaliação para componentes sensíveis. Embora você possa não gostar de gastar $100 em alguns ventiladores e esperar alguns dias para que eles cheguem pelo correio, é melhor do que ignorar uma fonte de ruído e ter que redesenhar uma parte da sua placa.

Quando você precisa elaborar uma estratégia de roteamento para proteger componentes sensíveis do ruído elétrico de ventiladores, seu software de design deve incluir um conjunto abrangente de ferramentas de roteamento, ferramentas de design de pilha de camadas e uma extensa biblioteca de componentes. Altium Designer inclui tudo isso e muito mais, permitindo que você implemente o mecanismo de supressão de ruído que funciona melhor para o seu próximo dispositivo. Essas características integram-se diretamente com suas ferramentas de layout e são executadas em cima de um motor de design unificado, permitindo que você crie placas de alta qualidade para qualquer aplicação.

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