Reducción del ruido PWM del LED: ¿Cuál es la mejor opción?

Question

Accionar un LED con un microcontrolador debería ser fácil. Pero cuando se busca el ruido, las cosas pueden volverse complejas...

Como indicador de tensión instantánea utilizado en una fuente de alimentación variable (que se utilizará para simular un conjunto fotovoltaico de un satélite diseñado por un estudiante), estoy utilizando unos LEDs controlados por PWM (~31 KHz).

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Tras la primera revisión de la PCB me he dado cuenta de que cada uno de los LEDs está generando 200 mVpp en la línea de 5V:

Mi pregunta: ¿cuál es la mejor manera de reducir este ruido? ¿Por qué?

Desde mi (pequeña) experiencia en diseño se me ocurren las siguientes posibilidades. ¿Cuál es la más eficaz, teniendo en cuenta los componentes del mundo real (ESR en los condensadores, etc)? ¿Alguna otra sugerencia? ¿Una combinación de varias?

(Nota: cambiar la frecuencia PWM no es una buena opción porque esa misma señal acciona otros dispositivos)

a) Condensador de desacoplamiento

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b) Filtro de paso bajo

(La resistencia forma un filtro RC de paso bajo con la capacitancia de la puerta del MOSFET, eliminando los componentes de alta frecuencia de la conmutación)

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c) Amortiguador

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Answer 1

Tu solución a) es buena, sólo tienes que asegurarte de que el condensador está lo más cerca posible de la rama de la resistencia/LED/transistor. Empieza con un valor de 100nF y mira cómo funciona. Si el ripple sigue siendo demasiado grande para tu gusto, añadir un condensador electrolítico en paralelo a los 100nF. El 100nF suprimirá los componentes de mayor frecuencia y el condensador electrolítico lo hará mejor para los componentes de menor frecuencia.

Como dice @pjc50 en uno de los comentarios, una resistencia en serie de la puerta como se muestra en b) es una buena práctica también para evitar el timbre. Yo personalmente elegiría un valor más bajo, digamos 100. Suprimirá el timbre y evitará que el transistor pase demasiado tiempo en modo lineal (=disipación de calor).

Answer 2

A) se acerca a mi primera opción. Con un valor adecuado de condensador en su lugar, la corriente a través de la resistencia de la traza y la inductancia debe ser casi constante, muy poca ondulación.

Sin embargo, seguirá teniendo corriente de conmutación a través de Rlim. Además, el condensador debe ser dimensionado como un paso bajo con frecuencia de esquina por debajo de 30kHz, utilizando Rtrace y Ltrace.

Si pones el condensador de bypass después de Rlim, entonces la corriente a través de Rlim también es mayormente constante, y el condensador de bypass puede ser más pequeño y/o tener una frecuencia de corte mucho más baja sin dimensionarlo excesivamente.

b) El 2N7000 tiene una capacidad de entrada de 60pF, según la hoja de datos . La frecuencia de 1/RC es de aproximadamente 1,7MHz. Las trazas de la PCB seguirán irradiando RF.

c) Esto parece un circuito snubber destinado a salvar los contactos del interruptor del retroceso inductivo. No es realmente lo que necesitas, y consumirá algo de energía y posiblemente aumentará el ruido de RF radiado ya que estará cargando/descargando el condensador en cada ciclo.

Así que mi voto es para un a) modificado con el condensador de bypass desde el ánodo del LED a la fuente del NMOS. Haciendo los cables lo más corto posible.

Edición: un comentario hace un buen punto sobre el pico de corriente del condensador en el primer pulso PWM, así que voy a añadir esto a mi respuesta:

Debo admitir que estaba pensando en el "estado estacionario" con el PWM ya funcionando, en cuyo caso la corriente y el voltaje serán constantes. Pero tienes razón, cuando se encienda por primera vez, ese condensador se descargará a través del LED y el NMOS. Supongo que es una compensación. Intentaba que los transitorios de conmutación fueran lo más cortos y con pocos cables y componentes. Si puedes encontrar un valor de C y un LED que juntos permitan esos picos de corriente iniciales sin daños, bien. Si no, entonces supuse que iría con b) y haría las interconexiones tan cortas como fuera posible.