Bagaimana cara mengatasi kebisingan dari sirkuit saya yang mencemari rel 12V saya?

20

Saya membuat controller untuk kipas DC 12V. Ini pada dasarnya adalah konverter DC-DC buck yang dikendalikan oleh tegangan. Ini mengatur tegangan untuk kipas dari 3V (kecepatan terendah, kipas menarik 60mA @ 3V) ke 12V (kecepatan penuh, kipas menarik 240mA @ 12V). Kontroler ini berfungsi dengan baik, mengontrol kecepatan kipas seperti yang diharapkan. Saya mencoba membuat beberapa penyaringan tetapi masih ada beberapa kebisingan signifikan yang mencemari rel 12V saya. Bagaimana cara menguranginya?

Inilah sirkuit saya:

SW_SIGNAL hanyalah sinyal PWM, di mana siklus kerja diatur oleh sirkuit lain.

Masalahnya adalah pada titik A. Induktor L1 dimaksudkan untuk menyaring suara itu, itu bekerja tetapi tidak begitu baik seperti yang saya harapkan:

Sinyal pada titik B:

Jadi noise diturunkan dari 6V pp ke 0,6V pp. Tapi 0.6V adalah noise yang sangat besar.
Ini terkait dengan pengoperasian buck converter, bukan kipas itu sendiri. Saya mencoba memasang resistor 47Ω 17W sebagai ganti kipas dan kebisingan masih ada. Saya menggunakan probe lingkup dengan kontak pegas terkecil untuk meminimalkan loop.
Kebisingan hilang hanya jika ada 100% siklus tugas PWM, yang jelas, karena 100% PWM berhenti beralih.

Induktor yang saya gunakan:

UPDATE:
Ini adalah tata letak (bagian atas adalah konverter uang, konektor kipas di sisi kiri, input daya 12V di sisi kanan): Saya menggunakan kapasitor elektrolitik generik. Saya tidak punya datasheet untuk mereka.

Saya telah menambahkan kapasitor keramik 10uF ke C1 dan C3.
Saya telah meningkatkan nilai R2 dari 0Ω ke 220Ω.
Berubah D4 dari US1G ke SS12. Kesalahan saya, saya menggunakan US1G pada awalnya.
Dan kebisingan turun di bawah 10mV (resistor digunakan bukan kipas).

Setelah saya menancapkan kipas, bukannya power-resistor:

UPDATE2:
Saya menggunakan frekuensi switching 130kHz di sirkuit saya. Dan naik / turunnya waktu adalah 10ns.

Jejak kuning = gerbang switching transistor Q2.
Jejak biru = tiriskan Q2 (10ns rise time).

Saya mengubah frekuensi menjadi 28kHz (saya perlu menggunakan induktor yang lebih besar karena perubahan ini), dan peningkatan waktu naik / turun menjadi 100ns (saya mencapainya dengan meningkatkan nilai resistor R2 ke 1kΩ).

Kebisingan menurun hingga 2mV hal.

power filter noise

— Chupacabras
sumber

1

Silakan posting gambar tata letak, kapasitor hanya efektif pada penyaringan HF jika induktansi mereka rendah, yang sangat tergantung pada tata letak. Juga, tolong berikan lembar data untuk topi (jika itu topi tujuan umum katakan saja)

— peufeu

@peufeu Saya telah menambahkan pembaruan itu.

— Chupacabras

Pertanyaan sampingan, apa perangkat lunak cad yang Anda gunakan?

— Sean87

@ Sean87 itu KiCad

— Chupacabras

Sekolah tua menambahkan itu bisa membantu. Tutup dari Vin ke ground_in lalu dua tahap seri R, zener ke ground, tutup di zener. Ground yang terkait dengan Vin digunakan sebagai grounn sehingga Vin / ground loop minimal. Zener kedua sedikit lebih kecil dari yang pertama. Anda tentu saja kehilangan beberapa Vin di setiap seri R / zener, jadi Anda tidak dapat menggunakan persediaan penuh. Menggunakan misalnya TL431 atau yang serupa memungkinkan tegangan zener presisi. Kami telah menggunakannya sejak lama di lingkungan telekomunikasi untuk menangani kebisingan misc dari 50 V di - dalam kasus Anda berfungsi mundur tetapi harus / dapat membantu berguna. Mudah mencoba dalam bentuk lashup untuk melihat apakah layak digunakan.

— Russell McMahon

22

Kapasitor 1000uF C1 dan C3 mungkin tidak dapat menangani transien switching frekuensi tinggi dengan sangat baik. Tutup nilai besar selalu memiliki respons frekuensi tinggi yang sangat buruk.

Saya sarankan mencoba mengganti 1000uF dengan kapasitor ESR rendah dari 47 - 220 uF dan lihat bagaimana hasilnya. Mungkin juga tempatkan kapasitor keramik (100 nF - 470 nF) secara paralel dengan keduanya.

Saya juga menyarankan untuk menonton video ini dari Dave's EEVBlog tentang topi pintas, meskipun tidak persis dengan situasi Anda, ketidak-idealan kapasitor yang dijelaskan dalam video ini juga berlaku untuk masalah Anda.

— Bimpelrekkie
sumber

2

Kapasitor Tantalum mungkin berguna di sini, bukan elektrolit aluminium. Sebagai alternatif, ambil pendekatan brute-force: terus tambahkan kapasitansi dalam perintah penurunan besaran sampai kebisingan hilang. 100uF, 10uF, 1uF, 100nF, ...

— Polinomial

Saya telah menambahkan 10uF keramik ke C1 dan C3, itu membantu BANYAK. Hanya perubahan ini mengurangi kebisingan dari 600mV pp ke 50mV pp

— Chupacabras

Luar biasa! Sekarang Anda tahu betapa buruknya tutup 1000uF itu pada frekuensi tinggi dan pada pulsa yang menekan.

— Bimpelrekkie

1

Nah, tutup itu tidak mengurangi kebisingan seperti yang saya tulis di komentar sebelumnya. Saya lupa bahwa saya mengganti D4 sebelum menambahkan topi. Aneh karena saya sudah ada US1G. Kebisingan adalah 600mV. Lalu saya mengubahnya ke SS12, dan noise berkurang menjadi 100mV. Setelah itu saya menambahkan penutup, dan kebisingan menurun hingga 43mV. Saya tidak berharap bahwa perubahan dioda dapat membuat perbedaan seperti itu.

— Chupacabras

1

SS12 adalah (jelas) dioda yang jauh lebih lambat. Perpindahan cepat selalu menghadirkan sinyal yang lebih palsu. Ini masih merupakan ide yang baik untuk menggunakan atau menambahkan kapasitor yang berbeda. Mungkin topi 10uF Anda tidak ESR rendah sehingga tidak cukup baik untuk frekuensi tinggi.

— Bimpelrekkie

9

Anda mungkin mencoba meningkatkan nilai R2. Ini akan mengurangi dV / dT di gerbang dan memperlambat tepi ketika MOSFET beralih. 10 ohm biasanya merupakan tempat yang baik untuk memulai, tetapi Anda mungkin harus bereksperimen.

— Dean Franks
sumber

Walaupun ini adalah saran yang baik, harus diperhatikan bahwa MOSFET tidak akan terlalu panas karena peningkatan disipasi daya saat beralih.

— Manu3l0us

Ya, itu membantu mengurangi kebisingan. Saya harus memeriksa suhu Q2.

— Chupacabras

Saya mengujinya, saya membiarkannya berjalan selama 30 menit. Q2 masih dingin, tidak hangat sama sekali. Jadi seharusnya tidak apa-apa :)

— Chupacabras

8

Menambahkan ke jawaban lain setelah pembaruan tata letak PCB Anda:

Tanpa bidang tanah untuk membuat tanah induktansi rendah, setiap trek berlabel "GND" akan memiliki induktansi cukup tinggi, sekitar 7nH / cm untuk trek lebar 1mm.

Jadi topi tidak efisien dalam menyaring HF, karena sedikit induktor (juga dikenal sebagai jejak) secara seri dengan tutup, meningkatkan impedansi HF mereka. Tutup keramik SMD memiliki induktansi yang jauh lebih rendah daripada elektrolitik, bukan karena sihir tetapi hanya karena lebih kecil, sehingga akan lebih baik pada decoupling HF ... namun induktansi jejak masih seri.

Selain itu, karena Anda memiliki arus cepat di GND Anda, potensi di sepanjang jejak GND akan bervariasi di semua tempat. Ingat:

e = L di / dt

di = 100mA, dt = 20ns (fast switching FET), L = 6nH per cm, dengan demikian e = sekitar 50mV per 10nH dari induktansi jejak ... tidak sepenuhnya "low-noise".

... jadi pada PCB seperti itu tanpa bidang tanah, ketika lemak terlibat arus tinggi, biasanya tidak mungkin untuk mengukur apa pun, karena bentuk sinyal akan banyak berubah tergantung di mana Anda menyelidiki tanah.

Seperti yang Anda perhatikan, solusinya adalah tidak memiliki HF dan arus di / dt tinggi di sirkuit yoru, dan ini dicapai dengan memperlambat pergantian FET dengan resistor.

Jika PWM Anda cukup lambat (katakanlah, 30 kHz), ganti rugi akan sangat kecil.

Ini memiliki manfaat tambahan karena tidak mengirim pulsa di / dt tinggi ke kabel kipas, yang mencegah mereka dari bertindak sebagai antena dan memancarkan suara di semua tempat, yang akan menjadi cara terbaik untuk membangun jammer radio ...

Bahkan jangan berpikir L3 dan C5 akan melakukan apa-apa: frekuensi resonansi diri dari induktor ini biasanya cukup rendah (periksa lembar data) yang berarti pada frekuensi kebisingan yang menarik, mereka adalah kapasitor. Tutup keluaran 100μF Anda adalah sebuah induktor. Dan semua jejaknya adalah induktor, terutama ground, yang berarti tegangan pada output "GND" bukan 0V, tetapi akan memiliki beberapa noise HF juga, ini juga akan menambahkan beberapa noise mode umum HF pada kabel Anda.

Demikian juga, jika Anda multiplex LED atau memindai keyboard matriks, jangan gunakan driver dengan 5ns edge! Ini pada dasarnya adalah antena besar. Sinyal persegi dengan waktu kenaikan 5-10ns akan memiliki cara harmonik yang buruk di atas 1-10 MHz, tidak peduli frekuensi switching.

Jadi ... kecuali jika Anda ingin% ekstra dalam efisiensi, selalu beralih selambat yang Anda bisa lolos! Ini adalah aturan praktis yang baik untuk menghindari masalah EMI.

— peufeu
sumber

Terima kasih atas jawaban Anda yang berharga. Saya membuat sirkuit ini menjadi satu sisi (lebih mudah untuk membuatnya untuk saya), dan saya tahu itu terlihat jelek. Apakah Anda yakin pesawat darat akan membuat perbedaan? Track tebal 1mm memiliki 7nH / cm, tetapi track tebal 10mm memiliki 3nH / cm. Rangkaian saya bekerja dengan frekuensi switching 130kHz. Alasan untuk itu bukan efisiensi, tetapi ukuran switching inductor. Ketika saya menurunkan frekuensi dari 130kHz ke 30kHz saya akan membutuhkan 4x induktor yang lebih besar (jika tidak maka akan jenuh). Anda benar pada waktu naik / turun. Saya mengubah waktu musim gugur dari 10ns ke 100ns, dan suara pergi ke 2mV hal.

— Chupacabras

Induktansi pesawat jauh lebih rendah daripada jejak (jangan gunakan kalkulator konduktor datar, itu tidak akan bekerja di pesawat). Bagaimanapun, beralih lebih lambat adalah solusi terbaik dalam kasus Anda. Anda juga bisa menggunakan dua sisi, jika Anda ingin mengetsa sendiri, cukup alokasikan seluruh sisi belakang untuk tanah, bor tanah vias dan taruh sedikit kawat di dalamnya ... itu akan berhasil.

— peufeu

Ya, saya etsa sendiri. Ironisnya adalah bahwa dua versi pertama saya memiliki zona GND di kedua sisi. Saya tidak ingat alasannya. Mungkin saatnya untuk mengembalikannya kembali :)

— Chupacabras

Ya, tembaga gratis

— peufeu

Tujuan saya adalah menggunakan frekuensi setinggi mungkin (dan waktu naik setajam mungkin), jadi saya bisa menggunakan induktor sekecil mungkin. Saya benar-benar tidak menyadari bahwa itu akan memiliki efek negatif yang Anda jelaskan. Sayang sekali saya tidak bisa menandai beberapa jawaban yang diterima. Ada beberapa jawaban yang pantas untuk itu :)

— Chupacabras

1

Biasanya Anda tidak akan menjalankan elektronik sensitif Anda dari catu daya yang sama seperti kipas.

Lebih biasanya, kontrol elektronik berjalan pada 5V. Jadi, Anda akan memiliki regulator (regulator linier jika Anda ingin riak sangat rendah) melangkah 12V ke 5V. Kecuali jika pasokan 12V turun sejauh sekitar 7V, Anda masih akan memiliki persediaan 5V yang solid.

— Graham
sumber

Ya, saya akan menggunakan regulator linier, persis seperti yang Anda tulis. Tapi saya pikir beberapa riak akan berhasil. Regulator linier tidak ideal. Itu sebabnya saya ingin meminimalkan riak sebanyak mungkin.

— Chupacabras

@Chupacabras Beberapa riak akan berhasil, tentu saja. Apakah itu penting bagi Anda akan bergantung pada seberapa bebas riak kebutuhan Anda. Untuk elektronik digital, Anda perlu riak tingkat gila sebelum membuat perbedaan, jadi untuk sirkuit digital murni Anda pada dasarnya bisa melupakannya. Itu penting untuk analog sekalipun - dalam hal ini Anda dapat mempertimbangkan menggunakan beberapa tahap regulatori, mungkin dari 12V ke 9V dan kemudian ke 5V (dengan asumsi sisi analog berjalan pada 5V). Periksa juga PSRR regulator - ada yang lebih baik dari yang lain.

— Graham

0

Hapus diode D2. Itu membunuh penyaringan yang terjadi ketika MOSFET dimatikan.

Ini mensyaratkan bahwa kapasitor C3 cukup besar untuk menyerap lonjakan.

— ratchet freak
sumber

1

Saya menghapus D2, itu tidak berpengaruh pada kebisingan.

— Chupacabras

0

Saya menghadapi masalah ini beberapa waktu yang lalu dengan kandang RAID. Itu sirkuit seperti ini - FET chopper sisi tinggi, dioda, dll. Ia beralih sekitar 30KHz. Hasilnya adalah banyak suara PWM yang ditendang ke + 12V mendatangkan malapetaka pada disk drive.

Rangkaian ini menunjukkan upaya untuk berperilaku seperti pengendali uang, tetapi sebenarnya tidak perlu untuk ini.

Ngomong-ngomong, inilah yang saya lakukan untuk helikopter 'jahat':

Pasang tutup seri dengan motor. Lebih lanjut tentang ini dalam sedikit.
Masukkan FET melewati tutupnya.

Kedengarannya gila, tetapi berhasil. Kombo tutup / FET bertindak sebagai semacam resistensi variabel yang memodulasi arus kipas, dan dengan demikian kecepatannya.

Saat FET mati, tutup mengisi melalui motor. Ketika menyala, tutupnya keluar melalui FET dan motor ditarik ke tegangan rel. Apa yang dilakukan adalah melokalkan loop transien arus tinggi ke FET dan tutup.

Anda akan menemukan bahwa Anda dapat menghilangkan sebagian besar pemfilteran, dan bahkan mengurangi ukuran tutupnya menjadi, katakanlah, 33 uF atau lebih.

— hacktastical
sumber