Уменьшение электрического шума вентилятора охлаждения на вашей печатной плате

Кто не открывал свой ПК или ноутбук и не рассматривал внимательно его вентиляторы и радиаторы? Если вы работаете с компонентами высокой скорости, компонентами высокой частоты или силовыми компонентами, то вам нужно будет разработать какую-то стратегию охлаждения, чтобы убрать тепло от этих компонентов. Если вы не хотите использовать крайний вариант и установить устройство испарительного охлаждения или построить систему водяного охлаждения, то лучшие результаты с наименьшими габаритами вы получите, используя вентилятор. Хорошая идея добавить вентилятор к радиатору для улучшения конвективной теплопередачи.

Электрический шум вентилятора и излучаемые ЭМП

Независимо от того, какой метод охлаждения вы используете для вашей системы, или если вы строите систему охлаждения, есть некоторые особые моменты, связанные с ЭМИ/ЭМС, которые следует учитывать, в зависимости от метода, используемого для управления вашим вентилятором.

Питание от переменного тока

Вентиляторы, работающие от переменного тока, реже используются в компактных системах, так как у вас нет контроля скорости без контроля частоты, и эти системы обычно работают при высоком напряжении переменного тока. Поэтому они чаще встречаются в промышленных системах. Эти вентиляторы могут создавать значительные помехи, проводимые по линиям питания/заземления (как общего, так и дифференциального типа) на основной частоте и на гармониках высших порядков. Обычно это можно устранить с помощью фильтрации общего режима (LC-сеть), за которой следует дифференциальная фильтрация (еще одна LC-сеть), и последовательно подключенный RC-фильтр.

Питание от постоянного тока

Хотя постоянно-токовые вентиляторы могут казаться электрически бесшумными, они всё же производят акустический и электрический шум. Различные типы вентиляторов создают свои собственные типы ЭМП, что затрудняет прохождение тестов на электромагнитную совместимость (EMC). Даже двигатель на постоянном токе будет генерировать ЭМП благодаря вращающемуся магниту, который притягивает и отталкивает ротор, создавая сильный коммутационный шум во время коммутации. ЭМП, генерируемый постоянно-токовыми вентиляторами, обычно ограничивается проводимым ЭМП в питающих проводах вентилятора (для 2-проводных вентиляторов на постоянном токе). Этот электрический шум вентилятора обычно инжектируется в общий земляной провод, откуда он появляется на выходе любого усилителя, который управляет вентилятором.

Простой одновальный вентилятор охлаждения постоянного тока

Это не значит, что вентилятор постоянного тока не создает излучаемые электромагнитные помехи, но излучаемые ЭМП будут на той же частоте, что и скорость вращения из-за неконтролируемых магнитных полей (НМП) от постоянного магнита и обмоток статора. НМП существуют практически во всех вентиляторах в той или иной степени, но первый шаг в борьбе с НМП лежит на производителе. Некоторые производители устанавливают в свои вентиляторы тонкий стальной корпус для подавления НМП хотя бы в двух плоскостях крепления. Это означает, что излучаемые ЭМП сильно зависят от ориентации вентилятора.

Излучаемые ЭМП от НМП могут вызвать низкочастотный пульсирующий ток в близкой цепи с высокой индуктивностью. Более крупные вентиляторы, как правило, требуют более сильного магнитного поля для привода, таким образом, они будут демонстрировать более сильные ЭМП при данной скорости вращения. Однако, даже при скорости вращения в тысячи об/мин, частота этих излучаемых ЭМП будет только в диапазоне сотен Гц.

Управление ШИМ

Вентилятор, управляемый с помощью ШИМ (широтно-импульсной модуляции), обеспечивает регулировку скорости за счет изменения скважности и сигнала ШИМ. При управлении ШИМ вы работаете с ключевым МОП-транзистором или другой схемой с переменной скважностью. Обратите внимание, что регулировка скорости осуществляется путем установки соответствующей скважности и частоты импульсов. Это действительно важно, поскольку в крайних случаях при очень низкой частоте импульсов вентилятор может остановиться, когда сигнал ШИМ находится в низком состоянии. Если сигнал ШИМ очень быстрый (высокая частота), вы услышите некоторые интересные шумы из-за эффектов алиасинга, когда пытаетесь слишком быстро управлять вентилятором.

В случае с вентиляторами, управляемыми ШИМ, большинство драйверов ШИМ создают общий режим помех на высокой частоте, достигающей диапазона МГц. Индуктивные двигатели, управляемые ШИМ, могут индуцировать помехи общего режима в близлежащих цепях через линии питания в виде проводимых ЭМП, что может повлиять на ваш рейтинг EMC. Такой способ управления вентиляторами более распространен в компьютерах, требующих контроля скорости. Обратите внимание, что это также требует использования схемы контроля температуры и регулирования скорости, чтобы обеспечить поддержание вентилятором постоянной скорости, а также чтобы контроллер мог увеличивать/уменьшать рабочий цикл по мере необходимости.

Простой одновальный постоянного тока охлаждающий вентилятор

Обратите внимание, что сама схема ШИМ также будет генерировать проводимые помехи из-за перерегулирования/звона. Это следует сгладить или отфильтровать, но перед тем, как добавлять обходной конденсатор или ферритовый бус на вход вашего вентилятора, вы должны проверить рекомендации производителя вентилятора. Я видел рекомендации по решению этой проблемы, которые включают создание LC-фильтра, полосового фильтра для удаления сигнала звона, до использования RC-фильтра на выходе. В любом случае, убедитесь, что ваша стратегия фильтрации соответствует рекомендациям производителя.

Если сигнал ШИМ имеет быстрое нарастание, то можно столкнуться с аналогичной проблемой, как в импульсных источниках питания, где коммутирующий сигнал вызывает перекрестные помехи в некоторых близлежащих цепях. Если вы используете сигнал ШИМ с высоким током для управления большим вентилятором, коммутационные действия сигнала ШИМ могут вызвать непроизвольное переключение в близлежащих цифровых схемах. Это происходит независимо от частоты или скважности импульсов ШИМ. На этом этапе стоит рассмотреть возможность добавления некоторой защиты к цепи ШИМ.

Выбор вентилятора и снижение электрического шума вентилятора

Поскольку проводимые электромагнитные помехи являются основным фактором, который необходимо учитывать при проектировании системы с использованием вентилятора, вам нужно найти способ борьбы с этим шумом. Если вы собираетесь использовать стратегию фильтрации, то вам следует уделить время для определения, какие частоты необходимо фильтровать. Лично я бы потратил время, чтобы заказать несколько вентиляторов и протестировать их с помощью осциллографа на прототипе или оценочной плате для чувствительных компонентов. Хотя вам может не понравиться тратить $100 на несколько вентиляторов и ожидать их прибытия по почте в течение нескольких дней, это лучше, чем упустить источник шума и вынужденно перепроектировать часть вашей платы.

Когда вам нужно разработать стратегию трассировки для защиты чувствительных компонентов от электрического шума вентилятора, ваше программное обеспечение для проектирования должно включать в себя комплексный набор инструментов для трассировки, инструменты для проектирования стека слоев и обширную библиотеку компонентов. Altium Designer включает все это и многое другое, позволяя вам реализовать механизм подавления шума, который лучше всего подходит для вашего следующего устройства. Эти функции интегрируются непосредственно с вашими инструментами компоновки и работают на основе единого проектного движка, позволяя вам создавать платы высочайшего качества для любого применения.

Если вы хотите узнать больше о Altium Designer, вы можете связаться с нами или скачать бесплатную пробную версию и получить доступ к лучшим в отрасли инструментам для разработки плат, трассировки и моделирования. Поговорите с экспертом Altium уже сегодня, чтобы узнать больше.