如何消除我的电路产生的噪音污染我的 12V 电源轨?

电器工程 力量 筛选 噪音
2022-01-03 08:00:43

我为 12V DC 风扇制作了一个控制器。它基本上是一个由电压控制的降压 DC-DC 转换器。它将风扇的电压从 3V(最低速度,风扇消耗 60mA @ 3V)调节到 12V(全速,风扇消耗 240mA @ 12V)。该控制器运行良好,它可以按预期控制风扇速度。我试图进行一些过滤,但仍然有一些明显的噪声污染了我的 12V 电源轨。如何最小化它?

这是我的电路:
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SW_SIGNAL 只是一个 PWM 信号,占空比由其他电路设置。

问题出在 A 点。电感 L1 旨在过滤该噪声,它可以工作,但不如我预期的那么好:
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B点信号:
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因此噪声从 6V pp 降低到 0.6V pp。但 0.6V 是巨大的噪声。
它与降压转换器的运行有关,与风扇本身无关。我试着用一个 47Ω 17W 的电阻代替风扇,噪音仍然存在。我使用具有最小弹簧触点的示波器探头来最小化环路。
只有在 100% PWM 占空比的情况下噪声才会消失,这是显而易见的,因为 100% PWM 停止切换。

我正在使用的电感器:
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更新:
这是布局(上部是降压转换器,左侧是风扇连接器,右侧是 12V 电源输入): 我使用了通用电解电容器。我没有他们的数据表。
在此处输入图像描述 在此处输入图像描述 在此处输入图像描述

我在 C1 和 C3 上添加了 10uF 陶瓷电容器。
我将 R2 的值从 0Ω 增加到 220Ω。
将 D4 从 US1G 更改为 SS12。我的错误,我最初使用的是US1G。
并且噪音低于 10mV(使用电阻器代替风扇)。

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在我插入风扇而不是功率电阻后:
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UPDATE2:
我在电路中使用了 130kHz 的开关频率。上升/下降时间为 10ns。

黄色迹线 = 开关晶体管 Q2 的栅极。
蓝色迹线 = Q2 的漏极(10ns 上升时间)。 在此处输入图像描述

我将频率更改为 28kHz(由于此更改,我将需要使用更大的电感器),并将上升/下降时间增加到 100ns(我通过将电阻器 R2 的值增加到 1kΩ 来实现)。

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噪声降至 2mV pp。

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4个回答

1000uF 电容器 C1 和 C3 可能无法很好地处理这种高频开关瞬态。大容量电容的高频响应总是很差。

我建议尝试用47 - 220 uF 的低 ESR电容器替换 1000uF,看看效果如何。也许还可以将一个陶瓷电容器 (100 nF - 470 nF) 与两者并联。

我还建议观看 Dave 的 EEVBlog关于旁路电容的视频,虽然不完全是您的情况,但此视频中解释的电容器的非理想情况也适用于您的问题。

您可以尝试增加 R2 的值。这将降低栅极上的 dV/dT 并在 mosfet 切换时减慢边缘。10 欧姆通常是一个不错的起点,但您可能需要进行试验。

在您的 PCB 布局更新后添加到其他答案:

如果没有接地层来创建低电感接地,则每条标有“GND”的走线都将具有相当高的电感,对于 1 毫米宽的走线,电感约为 7nH/cm。

因此,电容在过滤 HF 方面效率低下,因为很少有电感器(也称为走线)与电容串联,从而增加了它们的 HF 阻抗。SMD 陶瓷电容的电感比电解电容低得多,这不是因为魔法,而是因为它更小,所以它在 HF 去耦方面会更好……但是走线的电感仍然是串联的。

此外,由于您的 GND 中有快速 di/dt 电流,因此沿 GND 走线的电位会随处变化。记住:

e=L di/dt

di = 100mA,dt = 20ns(快速开关 FET),L=6nH/cm,因此 e=每 10nH 的迹线电感约 50mV……不完全是“低噪声”。

...因此,在这种没有接地层的 PCB 上,当涉及大电流时,通常无法测量任何东西,因为信号形状会根据您探测接地的位置而发生很大变化。

正如您所注意到的,解决方案是在一开始就在 yoru 电路中没有任何 HF 和高 di/dt 电流,这是通过使用电阻器减慢 FET 开关来实现的。

如果你的 PWM 足够慢(比如 30 kHz),开关损耗无论如何都会非常小。

这样做的额外好处是不会将高 di/dt 脉冲发送到风扇线中,从而防止它们充当天线并在整个地方辐射噪声,这将是构建宽带无线电干扰器的绝佳方式……

甚至不要认为 L3 和 C5 会做任何事情:这些电感器的自谐振频率通常很低(查看数据表),这意味着在感兴趣的噪声频率下,它们是电容器。您的 100µF 输出电容也是电感器。而且所有的走线都是电感,尤其是地,这意味着输出“GND”上的电压不是0V,但也会有一些高频噪声,这也会在你的电线上增加一些高频共模噪声。

同样,如果您多路复用 LED 或扫描矩阵键盘,请不要使用边缘为 5ns 的驱动器!这些基本上是巨大的天线。无论开关频率如何,具有 5-10ns 上升时间的方波信号都会在 1-10 MHz 以上产生令人讨厌的谐波。

所以......除非你想要额外的效率,否则总是尽可能慢地切换!避免 EMI 问题是一个很好的经验法则。

通常,您不会使用与风扇相同的电源来运行敏感的电子设备。

更常见的是,控制电子设备以 5V 运行。因此,您需要一个稳压器(如果您想要非常低的纹波,可以使用线性稳压器)将 12V 降至 5V。除非 12V 电源降至 7V 左右,否则您仍将拥有坚如磐石的 5V 电源。