Comment lutter contre le bruit de mon circuit polluant mon rail 12V?

J'ai fait un contrôleur pour ventilateur 12V DC. Il s'agit essentiellement d'un convertisseur abaisseur DC-DC contrôlé par la tension. Il régule la tension du ventilateur de 3 V (vitesse la plus basse, le ventilateur consomme 60 mA à 3 V) à 12 V (pleine vitesse, le ventilateur consomme 240 mA à 12 V). Ce contrôleur fonctionne bien, il contrôle la vitesse du ventilateur comme prévu. J'ai essayé de faire un filtrage mais il y a encore un bruit important polluant mon rail 12V. Comment le minimiser?

Voici mon circuit:

SW_SIGNAL est juste un signal PWM, où le rapport cyclique est défini par un autre circuit.

Le problème est au point A. L'inductance L1 est destinée à filtrer ce bruit, cela fonctionne mais pas aussi bien que ce à quoi je m'attendais:

Signal au point B:

Ainsi, le bruit est abaissé de 6 V pp à 0,6 V pp. Mais 0,6 V est un bruit énorme.
Elle est liée au fonctionnement du convertisseur abaisseur, pas au ventilateur lui-même. J'ai essayé de mettre une résistance 47Ω 17W au lieu du ventilateur et le bruit est toujours là. J'utilisais des sondes avec le plus petit contact à ressort pour minimiser la boucle.
Le bruit disparaît uniquement en cas de rapport cyclique de 100% PWM, ce qui est évident, car 100% PWM arrête de commuter.

Inducteurs que j'utilise:

MISE À JOUR:
Ceci est la disposition (la partie supérieure est le convertisseur abaisseur, le connecteur du ventilateur sur le côté gauche, l'entrée d'alimentation 12V sur le côté droit): J'ai utilisé des condensateurs électrolytiques génériques. Je n'ai pas de fiche technique pour eux.

J'ai ajouté des condensateurs céramiques 10uF à C1 et C3.
J'ai augmenté la valeur de R2 de 0 Ω à 220 Ω.
Changement de D4 d'US1G en SS12. Mon erreur, j'ai utilisé US1G à l'origine.
Et le bruit est passé sous 10mV (une résistance a été utilisée à la place du ventilateur).

Après avoir branché le ventilateur au lieu de la résistance de puissance:

MISE À JOUR2:
J'utilisais une fréquence de commutation de 130 kHz dans mon circuit. Et les temps de montée / descente étaient de 10ns.

Trace jaune = grille du transistor de commutation Q2.
Trace bleue = drain du Q2 (temps de montée de 10ns).

J'ai changé la fréquence à 28 kHz (je devrai utiliser une plus grande inductance à cause de ce changement), et j'ai augmenté les temps de montée / descente à 100 ns (je l'ai atteint en augmentant la valeur de la résistance R2 à 1 kΩ).

Le bruit a diminué jusqu'à 2 mV pp.

Les condensateurs 1000uF C1 et C3 pourraient ne pas être en mesure de gérer très bien ces transitoires de commutation à haute fréquence . Les plafonds de grande valeur ont toujours une très mauvaise réponse à haute fréquence.

Je suggère d'essayer de remplacer le 1000uF par des condensateurs à faible ESR de 47 à 220 uF et de voir comment cela se passe. Peut-être aussi placer un condensateur céramique (100 nF - 470 nF) en parallèle avec les deux.

Je suggère également de regarder cette vidéo de l'EEVBlog de Dave sur les bouchons de dérivation, bien que ce ne soit pas exactement votre situation, les non-idéalités des condensateurs qui sont expliquées dans cette vidéo s'appliquent également à votre problème.

Vous pouvez essayer d'augmenter la valeur de R2. Cela diminuera le dV / dT sur la porte et ralentira les bords lorsque le mosfet commute. 10 ohms est généralement un bon point de départ, mais vous devrez peut-être expérimenter.

Ajout aux autres réponses après la mise à jour de votre disposition PCB:

Sans plan de masse pour créer une masse à faible inductance, chaque piste étiquetée "GND" aura une inductance assez élevée, environ 7nH / cm pour une piste de 1 mm de large.

Ainsi, les bouchons sont inefficaces pour filtrer HF, car de petits inducteurs (également appelés traces) sont en série avec les bouchons, ce qui augmente leur impédance HF. Un capuchon en céramique SMD a une inductance beaucoup plus faible qu'un électrolytique, non pas par magie mais simplement parce qu'il est plus petit, il sera donc meilleur lors du découplage HF ... cependant l'inductance des traces est toujours en série.

De plus, comme vous avez des courants di / dt rapides dans votre GND, le potentiel le long des traces GND variera partout. Rappelles toi:

e = L di / dt

di = 100mA, dt = 20ns (FET à commutation rapide), L = 6nH par cm, donc e = environ 50mV pour 10nH d'inductance de trace ... pas exactement "à faible bruit".

... ainsi sur un tel PCB sans plan de masse, lorsque des graisses à courants élevés sont impliquées, il est généralement impossible de mesurer quoi que ce soit, car la forme du signal changera beaucoup en fonction de l'endroit où vous sondez le sol.

Comme vous l'avez remarqué, la solution est de ne pas avoir de courants HF et di / dt élevés dans le circuit yoru pour commencer, et cela est obtenu en ralentissant la commutation FET avec une résistance.

Si votre PWM est suffisamment lent (disons, 30 kHz), les pertes de commutation seront de toute façon très faibles.

Cela a l'avantage supplémentaire de ne pas envoyer d'impulsions di / dt élevées dans les fils du ventilateur, ce qui les empêche d'agir comme des antennes et de rayonner du bruit partout, ce qui serait un excellent moyen de construire un brouilleur radio à large bande ...

Ne pensez même pas que L3 et C5 feront quoi que ce soit: la fréquence d'auto-résonance de ces inductances est généralement assez faible (consultez la fiche technique) ce qui signifie qu'aux fréquences de bruit d'intérêt, ce sont des condensateurs. Votre cap de sortie de 100µF est également un inducteur. Et toutes les traces sont des inductances, en particulier le sol, ce qui signifie que la tension sur la sortie "GND" n'est pas de 0 V, mais aura également un bruit HF, cela ajoutera également du bruit en mode commun HF sur vos fils.

De même, si vous multiplexez des LED ou numérisez un clavier matriciel, n'utilisez pas de pilote avec des bords de 5ns! Ce sont essentiellement d'énormes antennes. Un signal carré avec un temps de montée de 5 à 10 n aura des harmoniques désagréables bien au-dessus de 1 à 10 MHz, quelle que soit la fréquence de commutation.

Donc ... à moins que vous ne vouliez ce% d'efficacité supplémentaire, passez toujours aussi lentement que possible! C'est une bonne règle d'or pour éviter les problèmes EMI.

En règle générale, vous ne feriez pas fonctionner vos appareils électroniques sensibles avec la même alimentation que le ventilateur.

Plus généralement, l'électronique de commande fonctionne à 5V. Vous auriez donc un régulateur (un régulateur linéaire si vous voulez une ondulation vraiment faible) abaissant le 12V à 5V. À moins que l'alimentation 12V ne baisse jusqu'à environ 7V, vous aurez toujours une alimentation 5V solide comme le roc.

Retirez la diode D2. Cela tue le filtrage qui se produit lorsque le mosfet s'éteint.

Cela nécessite que le condensateur C3 soit suffisamment grand pour absorber la pointe.

J'ai rencontré ce problème il y a quelque temps avec un boîtier RAID. Il avait un circuit comme celui-ci - FET hacheur côté élevé, diode, etc. Il commutait à environ 30 KHz. Le résultat a été que beaucoup de bruit PWM a été projeté sur le + 12V causant des ravages sur les lecteurs de disque.

Ce circuit a montré des tentatives de se comporter comme un contrôleur buck, mais ce n'est pas vraiment nécessaire pour cela.

Quoi qu'il en soit, voici ce que j'ai fait pour le hachoir «diabolique»:

1. Mettez le capuchon en série avec le moteur. Plus à ce sujet dans un peu.
2. Câblez le FET sur le capuchon.

Cela semble fou, mais cela fonctionne. Le combo cap / FET agit comme une sorte de résistance variable qui module le courant du ventilateur, et donc sa vitesse.

Lorsque le FET est désactivé, le bouchon se charge à travers le moteur. Lorsqu'il est allumé, le bouchon se décharge à travers le FET et le moteur est tiré jusqu'à la tension du rail. Ce que cela fait, c'est localiser la boucle transitoire à courant élevé vers le FET et le capuchon.

Vous constaterez que vous pouvez vous débarrasser de la plupart de votre filtrage et même réduire la taille du capuchon à, disons, 33uF ou plus.