Wie bekämpfe ich Rauschen von meinem Stromkreis, der meine 12V-Schiene verschmutzt?

20

Ich habe einen Controller für 12V DC-Lüfter gemacht. Es ist im Grunde ein Buck-DC-DC-Wandler, der durch Spannung gesteuert wird. Es regelt die Spannung für den Lüfter von 3 V (niedrigste Drehzahl, Lüfter verbraucht 60 mA bei 3 V) bis 12 V (volle Drehzahl, Lüfter verbraucht 240 mA bei 12 V). Dieser Regler funktioniert gut und regelt die Lüftergeschwindigkeit wie erwartet. Ich habe versucht, etwas zu filtern, aber meine 12-V-Schiene ist immer noch stark durch Rauschen belastet. Wie kann man es minimieren?

Hier ist meine Schaltung:
Bildbeschreibung hier eingeben

SW_SIGNAL ist nur ein PWM-Signal, bei dem das Tastverhältnis von einer anderen Schaltung eingestellt wird.

Das Problem ist bei Punkt A. Die Induktivität L1 soll dieses Rauschen filtern. Sie funktioniert aber nicht so gut, wie ich erwartet hatte:
Bildbeschreibung hier eingeben

Signal am Punkt B:
Bildbeschreibung hier eingeben

Daher wird das Rauschen von 6 V pp auf 0,6 V pp gesenkt. 0,6 V sind jedoch ein großes Rauschen.
Es hängt mit dem Betrieb des Abwärtswandlers zusammen, nicht mit dem Lüfter selbst. Ich habe versucht, einen 47Ω 17W Widerstand anstelle des Lüfters zu verwenden, und das Geräusch ist immer noch da. Ich verwendete Zielfernrohrsonden mit dem kleinsten Federkontakt, um die Schleife zu minimieren.
Das Rauschen verschwindet nur für den Fall, dass das Tastverhältnis 100% PWM beträgt, was offensichtlich ist, da 100% PWM nicht mehr umschaltet.

Induktivitäten, die ich benutze:
Bildbeschreibung hier eingeben

UPDATE:
Dies ist das Layout (der obere Teil ist der Abwärtswandler, der Lüfteranschluss auf der linken Seite, der 12-V-Stromeingang auf der rechten Seite): Ich habe generische Elektrolytkondensatoren verwendet. Ich habe kein Datenblatt für sie.
Bildbeschreibung hier eingeben Bildbeschreibung hier eingeben Bildbeschreibung hier eingeben

Ich habe 10uF Keramikkondensatoren zu C1 und C3 hinzugefügt.
Ich habe den Wert von R2 von 0Ω auf 220Ω erhöht.
D4 von US1G auf SS12 geändert. Mein Fehler, ich habe ursprünglich US1G verwendet.
Und das Rauschen ging unter 10 mV (Widerstand wurde anstelle des Lüfters verwendet).

Bildbeschreibung hier eingeben

Nachdem ich den Lüfter anstelle des Leistungswiderstands eingesteckt habe:
Bildbeschreibung hier eingeben

UPDATE2:
Ich habe in meiner Schaltung eine Schaltfrequenz von 130 kHz verwendet. Die Anstiegs- / Abfallzeiten betrugen 10 ns.

Gelbe Spur = Gate des Schalttransistors Q2.
Blaue Spur = Drain von Q2 (Anstiegszeit 10 ns). Bildbeschreibung hier eingeben

Ich habe die Frequenz auf 28 kHz geändert (ich muss wegen dieser Änderung eine größere Induktivität verwenden) und die Anstiegs- / Abfallzeiten auf 100 ns erhöht (ich habe dies erreicht, indem ich den Wert des Widerstands R2 auf 1 kΩ erhöht habe).

Bildbeschreibung hier eingeben

Das Rauschen nahm auf 2 mV pp ab.

Bildbeschreibung hier eingeben

Chupacabras
quelle
1
Bitte senden Sie ein Bild des Layouts. Kondensatoren sind nur bei niedriger Induktivität wirksam, was stark vom Layout abhängt. Bitte geben Sie auch ein Datenblatt für die Kappen an (wenn es sich um Allzweckkappen handelt, sagen Sie es einfach)
Peufeu
@peufeu Ich habe diese Updates hinzugefügt.
Chupacabras
Nebenfrage, was ist die CAD-Software, die Sie verwenden?
Sean87
@ Sean87 es ist KiCad
Chupacabras
Olde School Add-On das kann helfen. Cap from Vin to ground_in dann zwei Stufen der Serie R, zener to ground, cap across zener. Mit Vin verbundener Boden wird als Untergrund verwendet, so dass Vin / Erdungsschleife minimal ist. Zweiter Zener etwas kleiner als erster. Sie verlieren natürlich etwas Vin an jedem Serien-R / Zener, so dass Sie nicht den vollen Vorrat nutzen können. Die Verwendung von z. B. TL431 oder ähnlichem ermöglicht präzise Zenerspannungen. Wir haben es vor langer Zeit in einer Telekommunikationsumgebung verwendet, um mit verschiedenem Rauschen ab 50 V fertig zu werden - in Ihrem Fall funktioniert es rückwärts, sollte / kann aber hilfreich sein. Einfach in Lashup-Form versucht, um zu sehen, ob sich die Verwendung lohnt.
Russell McMahon

Antworten:

22

Die 1000-uF-Kondensatoren C1 und C3 sind möglicherweise nicht in der Lage, solche hochfrequenten Schalttransienten sehr gut zu verarbeiten. Large Value Caps haben immer einen sehr schlechten Hochfrequenzgang.

Ich schlage vor, den 1000uF durch Kondensatoren mit niedrigem ESR von 47 - 220 uF zu ersetzen und zu sehen, wie das geht. Vielleicht kann auch ein Keramikkondensator (100 nF - 470 nF) parallel zu beiden geschaltet werden.

Ich schlage auch vor , dieses Video aus Daves EEVBlog über Bypass-Kappen anzusehen , obwohl dies nicht genau Ihre Situation ist. Die in diesem Video erläuterten Nicht-Idealitäten von Kondensatoren gelten auch für Ihr Problem.

Bimpelrekkie
quelle
2
Hier können Tantalkondensatoren anstelle eines Aluminiumelektrolyten verwendet werden. Alternativ können Sie den Brute-Force-Ansatz wählen: Fügen Sie die Kapazität in absteigenden Größenordnungen hinzu, bis das Rauschen verschwindet. 100 uF, 10 uF, 1 uF, 100 nF, ...
Polynom
Ich habe Keramik 10uF zu C1 und C3 hinzugefügt, es hat eine Menge geholfen. Nur diese Änderung verringerte das Rauschen von 600 mV pp auf 50 mV pp
Chupacabras
Ausgezeichnet! Jetzt wissen Sie, wie schlecht diese 1000-uF-Kappen bei hohen Frequenzen und beim Unterdrücken von Impulsen sind.
Bimpelrekkie
1
Nun, diese Kappen haben das Rauschen nicht verringert, wie ich im vorherigen Kommentar geschrieben habe. Ich habe vergessen, dass ich D4 geändert habe, bevor ich Caps hinzugefügt habe. Es ist komisch, weil ich dort US1G hatte. Das Rauschen betrug 600 mV. Dann habe ich es auf SS12 geändert und das Rauschen auf 100 mV verringert. Danach fügte ich Kappen hinzu und das Rauschen verringerte sich auf 43 mV. Ich hatte nicht erwartet, dass ein Diodenwechsel einen solchen Unterschied machen könnte.
Chupacabras
1
Die SS12 ist (offensichtlich) eine viel langsamere Diode. Schnelles Schalten führt immer mehr Störsignale ein. Es ist immer noch eine gute Idee, verschiedene Kondensatoren zu verwenden oder hinzuzufügen. Möglicherweise ist der ESR-Wert Ihrer 10-uF-Kappen nicht niedrig genug für hohe Frequenzen.
Bimpelrekkie
9

Sie können versuchen, den Wert von R2 zu erhöhen. Dies verringert die dV / dT am Gate und verlangsamt die Flanken, wenn der Mosfet schaltet. 10 Ohm ist normalerweise ein guter Ausgangspunkt, aber Sie müssen möglicherweise experimentieren.

Dean Franks
quelle
Dies ist zwar ein guter Vorschlag, es muss jedoch darauf geachtet werden, dass der MOSFET aufgrund der erhöhten Verlustleistung beim Schalten nicht überhitzt.
Manu3l0us
Ja, es hat geholfen, den Lärm zu verringern. Ich muss die Temperatur von Q2 überprüfen.
Chupacabras
Ich habe es getestet und 30 Minuten laufen lassen. Q2 ist immer noch kalt, überhaupt nicht warm. Also sollte es in Ordnung sein :)
Chupacabras
8

Hinzufügen zu den anderen Antworten nach der Aktualisierung Ihres PCB-Layouts:

Ohne eine Erdungsebene zur Erzeugung einer Erdung mit niedriger Induktivität weist jede mit "GND" bezeichnete Spur eine recht hohe Induktivität auf, etwa 7 nH / cm für eine 1 mm breite Spur.

Daher sind die Kappen beim Filtern von HF ineffizient, da kleine Induktivitäten (auch als Leiterbahnen bekannt) mit den Kappen in Reihe geschaltet sind und ihre HF-Impedanz erhöhen. Eine SMD-Keramikkappe hat eine viel geringere Induktivität als eine elektrolytische, nicht aufgrund von Magie, sondern einfach, weil sie kleiner ist, sodass eine HF-Entkopplung besser möglich ist. Die Induktivität der Leiterbahnen ist jedoch immer noch in Reihe.

Da Ihre GND schnelle Gleich- / Gleichströme aufweist, variiert das Potenzial entlang der GND-Leiterbahnen überall. Merken:

e = L di / dt

di = 100 mA, dt = 20 ns (schnell schaltender FET), L = 6 nH pro cm, also e = etwa 50 mV pro 10 nH Leiterbahninduktivität ... nicht gerade "rauscharm".

... Auf einer solchen Platine ohne Masseebene ist es daher in der Regel unmöglich, etwas zu messen, wenn es um hohe Ströme im Fettbereich geht, da sich die Signalform stark ändert, je nachdem, wo Sie den Boden abtasten.

Wie Sie bemerkt haben, besteht die Lösung darin, zunächst keine HF- und hohen di / dt-Ströme in Ihrer Schaltung zu haben, und dies wird durch Verlangsamen des FET-Schaltens mit einem Widerstand erreicht.

Wenn Ihre PWM langsam genug ist (z. B. 30 kHz), sind die Schaltverluste ohnehin sehr gering.

Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass keine hohen di / dt-Impulse in die Lüfterkabel gesendet werden, wodurch verhindert wird, dass sie als Antennen fungieren und überall Rauschen abstrahlen. Dies wäre eine hervorragende Möglichkeit, um einen Breitband-Funkstörsender zu bauen ...

Denken Sie nicht einmal, dass L3 und C5 irgendetwas bewirken werden: Die Eigenresonanzfrequenz dieser Induktivitäten ist normalerweise recht niedrig (siehe Datenblatt), was bedeutet, dass sie bei den interessierenden Rauschfrequenzen Kondensatoren sind. Auch Ihre 100µF Ausgangskappe ist eine Induktivität. Und alle Spuren sind Induktivitäten, insbesondere die Masse, was bedeutet, dass die Spannung am Ausgang "GND" nicht 0 V beträgt, sondern auch HF-Rauschen aufweist. Dies führt auch zu HF-Gleichtaktrauschen an Ihren Kabeln.

Wenn Sie LEDs multiplexen oder eine Matrixtastatur scannen, verwenden Sie ebenfalls keinen Treiber mit 5ns Kanten! Dies sind im Grunde riesige Antennen. Ein Rechtecksignal mit einer Anstiegszeit von 5 bis 10 ns weist ungeachtet der Schaltfrequenz ungünstige Oberwellen über 1 bis 10 MHz auf.

Also ... wenn Sie nicht diesen zusätzlichen Wirkungsgrad wünschen, schalten Sie immer so langsam, wie Sie können! Es ist eine gute Faustregel, um EMI-Probleme zu vermeiden.

peufeu
quelle
Vielen Dank für Ihre wertvolle Antwort. Ich habe diese Schaltung einseitig gemacht (einfacher für mich) und ich weiß, dass sie hässlich aussieht. Sind Sie sicher, dass die Bodenebene einen Unterschied machen würde? 1 mm dicke Spur hat 7 nH / cm, aber 10 mm dicke Spur hätte 3 nH / cm. Meine Schaltung arbeitete mit einer Schaltfrequenz von 130 kHz. Der Grund dafür war nicht der Wirkungsgrad, sondern die Größe der Schaltdrossel. Wenn ich die Frequenz von 130kHz auf 30kHz absenke, brauche ich eine 4x größere Induktivität (sonst wird sie gesättigt). Sie sind in der Aufstiegs- / Abstiegszeit. Ich änderte die Abfallzeiten von 10 ns auf 100 ns und das Rauschen stieg auf 2 mV pp.
Chupacabras
Die Induktivität eines Flugzeugs ist viel geringer als die von Spuren (verwenden Sie nicht den Flachleitungsrechner, es funktioniert nicht in einem Flugzeug). Langsamer schalten ist in jedem Fall die beste Lösung. Sie können auch doppelseitig verwenden, wenn Sie es selbst ätzen möchten, indem Sie einfach die gesamte Rückseite für die Erdung zuweisen, Erdungslöcher bohren und ein Stück Draht hineinstecken ... es wird funktionieren.
Peufeu
Ja, ich ätz es selbst. Ironischerweise hatten meine ersten beiden Versionen auf beiden Seiten eine GND-Zone. Ich erinnere mich nicht an den Grund. Es ist wahrscheinlich Zeit, es zurück zu geben :)
Chupacabras
Ja, Kupfer ist frei
Peufeu
Mein Ziel war es, die höchstmögliche Frequenz (und möglichst scharfe Anstiegszeiten) zu verwenden, damit ich den kleinstmöglichen Induktor verwenden konnte. Ich wusste absolut nicht, dass es solche negativen Auswirkungen haben wird, die Sie erklärt haben. Es ist schade, dass ich nicht mehrere Antworten als akzeptiert markieren kann. Es gibt mehrere Antworten, die das verdienen :)
Chupacabras
1

Normalerweise würden Sie Ihre empfindliche Elektronik nicht mit demselben Netzteil betreiben wie den Lüfter.

Üblicherweise wird die Steuerelektronik mit 5 V betrieben. Sie hätten also einen Regler (einen linearen Regler, wenn Sie eine sehr niedrige Welligkeit wünschen), der die 12 V auf 5 V absenkt. Wenn die 12-V-Versorgung nicht auf etwa 7 V abfällt, haben Sie immer noch eine solide 5-V-Versorgung.

Graham
quelle
Ja, ich verwende Linearregler genau so, wie Sie es schreiben. Aber ich dachte, dass eine Welle durchkommt. Linearregler sind nicht ideal. Deshalb wollte ich die Welligkeit so gering wie möglich halten.
Chupacabras
@Chupacabras Einige Wellen werden durchkommen, sicher. Ob dies für Sie von Bedeutung ist, hängt davon ab, wie welligkeitsfrei Ihr Angebot sein muss. Für digitale Elektronik braucht man verrückte Ripple-Levels, bevor es einen Unterschied macht. Bei einer rein digitalen Schaltung kann man das also im Grunde vergessen. Für analoge Signale ist dies jedoch von Bedeutung. In diesem Fall können Sie mehrere Reglerstufen verwenden, z. B. von 12 V bis 9 V und dann bis 5 V (vorausgesetzt, die analoge Seite wird mit 5 V betrieben). Auch die PSRR des Reglers überprüfen - einige sind besser als andere.
Graham
0

Diode D2 ausbauen. Dadurch wird die Filterung beendet, die beim Ausschalten des Mosfets auftritt.

Dies erfordert, dass der Kondensator C3 groß genug ist, um die Spitze zu absorbieren.

Ratschenfreak
quelle
1
Ich habe D2 entfernt, es hatte keinen Einfluss auf das Rauschen.
Chupacabras
0

Ich hatte dieses Problem vor einiger Zeit mit einem RAID-Gehäuse. Es hatte eine Schaltung wie diese - High-Side-Chopper-FET, Diode usw. Es schaltete bei etwa 30 kHz. Das Ergebnis war eine Menge PWM-Rauschen, das auf die + 12-V-Verwüstung der Laufwerke geworfen wurde.

Diese gezeigte Schaltung versucht, sich wie ein Buck-Controller zu verhalten, dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.

Wie auch immer, hier ist, was ich für den "bösen" Hubschrauber getan habe:

  1. Setzen Sie die Kappe in Reihe mit dem Motor. Mehr dazu in Kürze.
  2. Verdrahten Sie den FET über die Kappe.

Hört sich verrückt an, aber es funktioniert. Die Cap / FET-Kombination wirkt als eine Art variabler Widerstand, der den Lüfterstrom und damit dessen Geschwindigkeit moduliert.

Wenn der FET ausgeschaltet ist, wird die Kappe über den Motor aufgeladen. Wenn es eingeschaltet ist, entlädt sich die Kappe durch den FET und der Motor wird auf die Schienenspannung hochgezogen. Dadurch wird die Hochstrom-Übergangsschleife zum FET und zur Kappe lokalisiert.

Sie werden feststellen, dass Sie den größten Teil Ihrer Filterung loswerden und sogar die Größe der Kappe auf etwa 33 uF reduzieren können.

hacktastisch
quelle