Giảm Tiếng Ồn Điện của Quạt Làm Mát trong PCB của Bạn

Ai cũng đã từng mở PC hoặc laptop của mình và nhìn kỹ vào quạt và tản nhiệt của nó chứ? Nếu bạn đang làm việc với các thành phần tốc độ cao, thành phần tần số cao, hoặc thành phần công suất, thì bạn sẽ cần phải nghĩ ra một chiến lược làm mát nào đó để loại bỏ nhiệt từ những thành phần này. Trừ khi bạn muốn sử dụng phương án "hạt nhân" và lắp đặt một đơn vị làm mát bằng bay hơi hoặc xây dựng một hệ thống làm mát bằng nước, bạn sẽ đạt được kết quả tốt nhất với kích thước nhỏ nhất khi sử dụng quạt làm mát. Thêm quạt vào tản nhiệt để hỗ trợ truyền nhiệt đối lưu là một ý tưởng tốt.

Tiếng ồn Điện và EMI Phát ra từ Quạt

Bất kể bạn sử dụng phương pháp nào để làm mát hệ thống của mình, hoặc nếu bạn đang xây dựng một hệ thống làm mát, có một số điểm EMI/EMC cụ thể cần xem xét, tùy thuộc vào phương pháp sử dụng để điều khiển quạt của bạn.

Điều khiển AC

Quạt điều khiển bằng AC ít được sử dụng trong các hệ thống nhỏ gọn vì bạn không thể điều chỉnh tốc độ mà không kiểm soát tần số, và những hệ thống này thường hoạt động ở điện áp AC cao. Do đó, chúng thường được tìm thấy trong các hệ thống công nghiệp. Những quạt này có thể tạo ra EMI dẫn (cả chung và phân biệt) đáng kể ở tần số cơ bản và ở các hài cao hơn, sau đó lan truyền qua các đường dây điện/đất. Điều này thường có thể được loại bỏ với lọc chế độ chung (mạng LC), tiếp theo là lọc phân biệt (một mạng LC khác), và một bộ lọc RC nối tiếp.

Điều khiển DC

Mặc dù quạt DC có vẻ như không tạo ra tiếng ồn điện, chúng thực sự phát ra tiếng ồn cơ học và điện. Các loại quạt khác nhau sẽ tạo ra các loại EMI riêng, gây khó khăn trong việc vượt qua bài kiểm tra EMC. Ngay cả động cơ được điều khiển bằng DC cũng sẽ tạo ra EMI nhờ vào nam châm quay được sử dụng để hút và đẩy roto, tạo ra tiếng ồn chuyển mạch mạnh mẽ trong quá trình chuyển mạch. EMI được tạo ra từ quạt DC thường giới hạn ở EMI dẫn trong dây điện của quạt (đối với quạt DC 2 dây). Tiếng ồn điện của quạt này thường được tiêm vào mặt đất chung, nơi nó xuất hiện trở lại ở đầu ra của bất kỳ bộ khuếch đại nào điều khiển quạt.

Quạt làm mát DC đơn giản với một trục

Điều này không có nghĩa là quạt DC không phát ra EMI dạng bức xạ, nhưng EMI dạng bức xạ sẽ có cùng tần số với tốc độ quay do từ trường không được giữ lại (UMF) từ nam châm vĩnh cửu và cuộn dây stator. UMF tồn tại trong hầu hết tất cả các loại quạt ở một mức độ nào đó, nhưng bước đầu tiên trong việc xử lý UMF là trách nhiệm của nhà sản xuất. Một số nhà sản xuất sẽ đặt một lớp vỏ thép mỏng vào trong quạt của họ để giảm thiểu UMF ít nhất ở hai mặt lắp đặt. Điều này có nghĩa là EMI dạng bức xạ phụ thuộc mạnh vào hướng của quạt.

EMI dạng bức xạ từ UMF có thể gây ra dòng điện rối loạn tần số thấp trong một mạch có độ tự cảm cao ở gần đó. Quạt lớn hơn nói chung yêu cầu từ trường mạnh hơn để hoạt động, do đó chúng sẽ phát ra EMI mạnh hơn ở một tốc độ quay nhất định. Tuy nhiên, ngay cả ở tốc độ quay hàng nghìn vòng/phút, tần số của EMI dạng bức xạ này chỉ nằm trong khoảng hàng trăm Hz.

Điều khiển PWM

Quạt được điều khiển bằng PWM cung cấp khả năng kiểm soát tốc độ bằng cách thay đổi chu kỳ làm việc và tín hiệu PWM. Khi sử dụng điều khiển PWM, bạn đang làm việc với một MOSFET chuyển mạch hoặc mạch khác có chu kỳ làm việc thay đổi. Lưu ý rằng việc kiểm soát tốc độ được cung cấp bằng cách thiết lập chu kỳ làm việc và tần số xung phù hợp. Điều này thực sự khá quan trọng vì, trong trường hợp cực đoan của tần số xung rất thấp, quạt có thể chậm lại và dừng hoàn toàn trong khi tín hiệu PWM ở mức thấp. Nếu tín hiệu PWM rất nhanh (tần số cao), bạn sẽ nghe thấy một số tiếng ồn thú vị do hiệu ứng aliasing khi bạn cố gắng điều khiển quạt quá nhanh.

Trong trường hợp của quạt được điều khiển bằng PWM, hầu hết các bộ điều khiển PWM tạo ra tiếng ồn chế độ chung ở tần số cao, có thể đạt tới dải MHz. Động cơ cảm ứng được điều khiển bằng PWM có thể gây ra tiếng ồn chế độ chung trong các mạch lân cận thông qua đường dây điện dưới dạng EMI dẫn, điều này có thể ảnh hưởng đến xếp hạng EMC của bạn. Loại hình điều khiển quạt này phổ biến hơn trong các máy tính yêu cầu kiểm soát tốc độ. Lưu ý rằng điều này cũng đòi hỏi sử dụng một mạch kiểm soát nhiệt độ và điều chỉnh tốc độ để đảm bảo quạt duy trì tốc độ ổn định, và để bộ điều khiển có thể tăng/giảm chu kỳ làm việc khi cần thiết.

Quạt làm mát DC đơn trục đơn giản

Lưu ý rằng mạch PWM bản thân cũng sẽ tạo ra EMI do dẫn do hiện tượng overshoot/ringing. Điều này cần được làm mịn hoặc lọc, nhưng bạn nên kiểm tra hướng dẫn của nhà sản xuất quạt trước khi bạn thêm tụ điện bypass hoặc hạt ferrite vào đầu vào của quạt. Tôi đã thấy các khuyến nghị để giải quyết vấn đề này bao gồm việc xây dựng một bộ lọc LC, đến một bộ lọc bandstop để loại bỏ tín hiệu ringing, đến việc sử dụng một bộ lọc RC trên đầu ra. Dù trường hợp nào, hãy chắc chắn rằng chiến lược lọc của bạn phù hợp với khuyến nghị của nhà sản xuất.

Nếu tín hiệu PWM có thời gian tăng nhanh, bạn có thể gặp phải vấn đề tương tự như thấy trong các nguồn cung cấp điện chuyển mạch, nơi tín hiệu chuyển mạch gây ra nhiễu chéo trong một số mạch lân cận. Nếu bạn sử dụng tín hiệu PWM dòng cao để điều khiển quạt lớn, hành động chuyển đổi của tín hiệu PWM có thể gây ra việc chuyển mạch không mong muốn trong các mạch số lân cận. Điều này xảy ra bất kể tần số hoặc chu kỳ làm việc của chuỗi xung PWM. Tại thời điểm này, bạn nên cân nhắc thêm một số lớp chắn cho mạch PWM.

Chọn Quạt và Giảm Tiếng Ồn Điện của Quạt

Khi EMI dẫn là yếu tố chính cần giải quyết khi thiết kế một hệ thống sử dụng quạt, bạn cần tìm cách để giải quyết tiếng ồn này. Nếu bạn định áp dụng chiến lược lọc, thì bạn nên dành thời gian để xác định những tần số nào cần được lọc. Cá nhân tôi, tôi sẽ dành thời gian để đặt mua một vài quạt và thử nghiệm chúng với một oscilloscope trên một bảng mạch mẫu hoặc bảng đánh giá cho các thành phần nhạy cảm. Mặc dù bạn có thể không thích chi tiêu $100 cho một số quạt và chờ đợi vài ngày để chúng được gửi đến qua bưu điện, nhưng điều đó tốt hơn là bỏ qua một nguồn tiếng ồn và phải thiết kế lại một phần của bảng mạch của bạn.

Khi bạn cần phải xây dựng một chiến lược định tuyến để bảo vệ các linh kiện nhạy cảm khỏi tiếng ồn điện của quạt, phần mềm thiết kế của bạn nên bao gồm một bộ công cụ định tuyến toàn diện, công cụ thiết kế lớp xếp chồng và một thư viện linh kiện rộng lớn. Altium Designer bao gồm tất cả những điều này và nhiều hơn nữa, cho phép bạn triển khai cơ chế giảm tiếng ồn phù hợp nhất cho thiết bị tiếp theo của bạn. Những tính năng này tích hợp trực tiếp với công cụ bố trí của bạn và chạy trên một động cơ thiết kế thống nhất, cho phép bạn tạo ra các bảng mạch chất lượng cao cho bất kỳ ứng dụng nào.

Nếu bạn quan tâm đến việc tìm hiểu thêm về Altium Designer, bạn có thể liên hệ với chúng tôi hoặc tải xuống bản dùng thử miễn phí và truy cập vào các công cụ layout, định tuyến và mô phỏng tốt nhất của ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.