¿Cómo combatir el ruido de mi circuito que contamina mi raíl de 12 V?

Question

Hice un controlador para ventilador de 12V DC. Es básicamente un convertidor DC-DC controlado por voltaje. Regula el voltaje para el ventilador de 3V (velocidad más baja, el ventilador consume 60mA @ 3V) a 12V (velocidad máxima, el ventilador consume 240mA @ 12V). Este controlador funciona bien, controla la velocidad del ventilador como se esperaba. Traté de hacer un poco de filtrado, pero todavía hay algo de ruido significativo contaminando mi carril de 12V. ¿Cómo minimizarlo?

Este es mi circuito:

SW_SIGNAL es sólo una señal PWM, donde el ciclo de trabajo es fijado por otro circuito.

El problema está en el punto A. El inductor L1 está pensado para filtrar ese ruido, funciona pero no tan bien como esperaba:

Señal en el punto B:

Así, el ruido se reduce de 6V p-p a 0,6V p-p. Pero 0,6 V es un ruido enorme.
Está relacionado con el funcionamiento del convertidor Buck, no con el ventilador en sí. Intenté poner una resistencia de 47 17W en lugar del ventilador y el ruido sigue ahí. Yo estaba usando sondas de alcance con el contacto de resorte más pequeño para minimizar el bucle.
El ruido desaparece sólo en caso de que haya un ciclo de trabajo PWM del 100%, lo que es obvio, porque el 100% de PWM deja de conmutar.

Inductores que estoy usando:

ACTUALIZACIÓN:
Esta es la disposición (la parte superior es el convertidor Buck, el conector del ventilador en el lado izquierdo, la entrada de alimentación de 12V en el lado derecho):
Utilicé condensadores electrolíticos genéricos. No tengo hoja de datos para ellos.

He añadido condensadores cerámicos de 10uF a C1 y C3.
He aumentado el valor de R2 de 0 a 220.
Cambiado D4 de US1G a SS12. Error mío, usé US1G originalmente.
Y el ruido bajó de 10mV (se utilizó resistencia en lugar de ventilador).

Después de enchufar el ventilador en lugar de la resistencia de potencia:

ACTUALIZACIÓN2:
Yo estaba usando 130kHz frecuencia de conmutación en mi circuito. Y los tiempos de subida/bajada eran de 10ns.

Trazo amarillo = puerta del transistor de conmutación Q2.
Trazo azul = drenaje de Q2 (tiempo de subida de 10ns).

Cambié la frecuencia a 28kHz (necesitaré usar un inductor más grande debido a este cambio), y aumenté los tiempos de subida/caída a 100ns (lo conseguí aumentando el valor de la resistencia R2 a 1k).

El ruido disminuyó hasta 2 mV p-p.

Answer 1

Los condensadores de 1000uF C1 y C3 podrían no ser capaces de manejar tales alta frecuencia transitorios de conmutación muy bien. Los tapones de gran valor siempre tienen una respuesta de alta frecuencia muy mala.

Sugiero tratar de reemplazar el 1000uF con ESR baja condensadores de 47 - 220 uF y a ver qué tal. Tal vez también colocar un cerámica condensador (100 nF - 470 nF) en paralelo con ambos.

También sugiero viendo este vídeo del EEVBlog de Dave sobre las tapas de bypass, aunque no es exactamente tu situación, las no idealidades de los condensadores que se explican en este video también se aplican a tu problema.

Answer 2

Prueba a aumentar el valor de R2. Esto disminuirá el dV/dT en la puerta y ralentizará los flancos cuando el mosfet conmute. 10 ohmios suele ser un buen punto de partida, pero puede que tengas que experimentar.

Answer 3

Añadiendo a las otras respuestas después de su actualización de diseño de PCB:

Sin un plano de tierra para crear una tierra de baja inductancia, cada pista etiquetada como "GND" tendrá una inductancia bastante alta, alrededor de 7nH/cm para una pista de 1mm de ancho.

Por lo tanto, los tapones son ineficaces para filtrar HF, porque los pequeños inductores (también conocidos como trazas) están en serie con los tapones, aumentando su impedancia HF. Un tapón cerámico SMD tiene una inductancia mucho menor que un electrolítico, no por arte de magia, sino simplemente porque es más pequeño, por lo que será mejor en el desacoplamiento de HF... sin embargo, la inductancia de las trazas sigue estando en serie.

Además, como tienes corrientes di/dt rápidas en tu GND, el potencial a lo largo de las trazas GND variará por todas partes. Recuerda:

e=L di/dt

di = 100mA, dt = 20ns (FET de conmutación rápida), L=6nH por cm, por tanto e= unos 50mV por 10nH de inductancia de traza... no es exactamente "bajo ruido".

...por lo tanto, en una placa de circuito impreso sin plano de masa, cuando se trata de grandes corrientes, normalmente es imposible medir nada, porque la forma de la señal cambiará mucho dependiendo de dónde se sondee la masa.

Como ya has notado, la solución es no tener corrientes HF y di/dt altas en tu circuito para empezar, y esto se consigue ralentizando la conmutación del FET con una resistencia.

Si tu PWM es lo suficientemente lento (digamos, 30 kHz) las pérdidas por conmutación serán muy pequeñas de todos modos.

Esto tiene el beneficio extra de no enviar pulsos de alta di/dt a los cables del ventilador, lo que evita que actúen como antenas e irradien ruido por todas partes, lo que sería una forma excelente de construir un inhibidor de radio de banda ancha...

Ni siquiera pienses que L3 y C5 harán algo: la frecuencia de autorresonancia de estos inductores suele ser bastante baja (comprueba la hoja de datos), lo que significa que a las frecuencias de ruido de interés, son condensadores. También tu cap de salida de 100µF es un inductor. Y todas las trazas son inductores, especialmente la tierra, lo que significa que el voltaje en la salida "GND" no es 0V, sino que tendrá algo de ruido HF también, esto también añadirá algo de ruido HF en modo común en tus cables.

Del mismo modo, si multiplexas LED o escaneas un teclado matricial, no utilices un controlador con bordes de 5ns. Básicamente son antenas enormes. Una señal cuadrada con un tiempo de subida de 5-10ns tendrá armónicos desagradables muy por encima de 1-10 MHz sin importar la frecuencia de conmutación.

Así que... a menos que quieras ese % extra en eficiencia, ¡cambia siempre tan lento como puedas! Es una buena regla para evitar problemas de interferencias electromagnéticas.

Answer 4

Por lo general, los componentes electrónicos sensibles no deben funcionar con la misma fuente de alimentación que el ventilador.

Lo más habitual es que la electrónica de control funcione a 5 V. Así que tendrías un regulador (un regulador lineal si quieres un rizado realmente bajo) bajando los 12V a 5V. A menos que la alimentación de 12V baje hasta los 7V, seguirás teniendo una alimentación de 5V sólida como una roca.

Answer 5

Me enfrenté a este problema hace un tiempo con una caja RAID. Tenía un circuito como este - FET chopper de lado alto, diodo, etc. Conmutaba a unos 30KHz. El resultado era un montón de ruido PWM en los +12V causando estragos en las unidades de disco.

Este circuito mostrado intenta comportarse como un controlador buck, pero no es realmente necesario para esto.

De todos modos, esto es lo que hice para el helicóptero "malvado":

1. Coloca la tapa serie con el motor. Más sobre esto en un poco.
2. Cablea el FET a través de la tapa.

Parece una locura, pero funciona. El combo cap/FET actúa como una especie de resistencia variable que modula la corriente del ventilador, y por lo tanto su velocidad.

Cuando el FET está apagado, la tapa se carga a través del motor. Cuando está encendido, el tapón se descarga a través del FET y el motor se eleva a la tensión del carril. Lo que esto hace es localizar el bucle transitorio de alta corriente al FET y la tapa.

Verás que puedes deshacerte de la mayor parte del filtrado, e incluso reducir el tamaño de la tapa a, digamos, 33uF más o menos.