如何消除电路污染12V电源轨的噪声?


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我做了一个12V DC风扇的控制器。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,风扇在3V时汲取60mA)调节到12V(全速,风扇在12V时汲取240mA)。该控制器运行良好,可以按预期控制风扇速度。我试图进行一些滤波,但是仍然有一些严重的噪声污染我的12V电源轨。如何将其最小化?

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。电感器L1旨在过滤该噪声,它可以工作,但效果不如我预期:
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B点的信号:
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因此,噪声从6V pp降低到0.6V pp。但是0.6V是巨大的噪声。
它与降压转换器的操作有关,与风扇本身无关。我尝试放置一个47Ω17W的电阻器代替风扇,并且噪声仍然存在。我使用弹簧接触最小的示波器探头来最大程度地减少环路。
仅当存在100%PWM占空比时,噪声才消失,这很明显,因为100%PWM停止开关。

我使用的电感器:
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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。
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我在C1和C3中添加了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,我最初使用US1G。
噪声降至10mV以下(使用电阻代替风扇)。

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在我插入风扇而不是电源电阻后:
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UPDATE2:
我在电路中使用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(上升时间10ns)。 在此处输入图片说明

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),并且将上升/下降时间增加至100ns(我通过将电阻R2的值增加至1kΩ实现了此目的)。

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噪声降低到2mV pp。

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请张贴一张布局图,电容器仅在电感较低时才对HF滤波有效,这在很大程度上取决于布局。另外,请提供瓶盖数据表(如果它们是通用瓶盖,请这么说)
peufeu

@peufeu我已经添加了这些更新。
Chupacabras

附带问题,您正在使用什么cad软件?
肖恩87年

@ Sean87这是KiCad
Chupacabras

Olde学校补充说可以有所帮助。从Vin到ground_in进行上限,然后进行R系列的两个阶段,将齐纳二极管接地,跨齐纳二极管进行上限。与Vin相关的接地用作grounn,因此Vin /接地回路最小。第二齐纳二极管比第一齐纳二极管稍小。您当然会在每个串联R /齐纳管上损失一些Vin,因此您无法使用全部电源。使用例如TL431或类似器件可实现精确的齐纳电压。我们很久以前就在电信环境中使用过这种技术来处理来自50 V in的杂讯-在您的情况下,它可以反向工作,但应该/可能有用。可以用lashup形式轻松尝试,看看是否值得使用。
罗素·麦克马洪

Answers:


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1000uF电容器C1和C3可能无法处理如此高的频率很好开关瞬变。较大的上限始终具有非常差的高频响应。

我建议尝试用47-220 uF的低ESR电容器代替1000uF,然后看看效果如何。也许还放陶瓷并联电容器(100 nF-470 nF)。

我还建议您观看戴夫(Dave)的EEVBlog上有关旁路电容的视频,尽管不完全符合您的情况,但此视频中介绍的电容器的非理想性也适用于您的问题。


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钽电容器可以代替铝电解电容器使用。或者,采用强力方法:不断增加容量,以递减的数量级直到噪声消失。100uF,10uF,1uF,100nF,...
多项式

我在C1和C3中添加了10uF陶瓷,这对很多帮助很大。只是这一变化将噪声从600mV pp降低到50mV pp
Chupacabras 17-10-9

优秀!现在您知道了那些1000uF电容在高频和抑制脉冲方面有多糟糕。
Bimpelrekkie

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好吧,正如我在之前的评论中所写,这些上限并没有减少噪音。我忘了在加帽之前我换了D4。很奇怪,因为我在那里有US1G。噪声为600mV。然后我将其更改为SS12,噪声降至100mV。之后,我加了电容,噪声降至43mV。我没想到二极管的改变会带来如此大的变化。
Chupacabras

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SS12(显然)是一个慢得多的二极管。快速切换总是引入更多的杂散信号。使用或添加不同的电容器仍然是一个好主意。也许您的10uF电容的ESR值不低,所以它们对于高频而言还不够好。
Bimpelrekkie '17

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您可以尝试增加R2的值。当MOSFET切换时,这将降低栅极的dV / dT并减慢边缘。10欧姆通常是一个不错的起点,但是您可能必须尝试一下。


尽管这是一个好建议,但必须注意,MOSFET不会由于开关时功耗增加而过热。
Manu3l0us

是的,它有助于降低噪音。我必须检查Q2的温度。
Chupacabras

我测试了它,让它运行了30分钟。Q2仍然很冷,根本没有温暖。所以应该没问题:)
Chupacabras 17-10-9

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在PCB布局更新后添加其他答案:

如果没有接地层来形成低电感接地,则每个标有“ GND”的走线都将具有很高的电感,对于1mm宽的走线,约为7nH / cm。

因此,电容帽在过滤HF方面效率不高,因为很少有电感器(也称为走线)与电容帽串联,从而增加了其HF阻抗。SMD陶瓷电容的电感要比电解电容低得多,这不是由于魔术,而是因为它较小,因此在HF去耦时会更好...但是走线的电感仍然串联。

此外,由于您的GND中有快速的di / dt电流,因此GND走线上的电势会在整个地方变化。记得:

e = L di / dt

di = 100mA,dt = 20ns(快速开关FET),每厘米L = 6nH,因此每10nH迹线电感e =约50mV ...不完全是“低噪声”。

...因此,在没有接地层的PCB​​上,当涉及到大电流时,通常无法测量任何东西,因为信号形状会根据您探查接地的位置而发生很大变化。

如您所见,解决方案是一开始就不要在yoru电路中产生任何HF和高di / dt电流,这是通过减慢FET的电阻开关来实现的。

如果您的PWM足够慢(例如30 kHz),则开关损耗将非常小。

这具有不向风扇导线发送高di / dt脉冲的额外好处,这可以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法...

甚至不要以为L3和C5会做任何事情:这些电感器的自谐振频率通常很低(请参见数据表),这意味着在感兴趣的噪声频率下,它们是电容器。同样,您的100µF输出电容是一个电感。而且所有走线都是电感器,尤其是接地线,这意味着输出“ GND”上的电压不为0V,但也会有一些HF噪声,这也会在您的导线上增加一些HF共模噪声。

同样,如果复用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。不管开关频率如何,上升时间为5-10ns的方波信号都会在1-10 MHz以上产生有害的谐波。

所以...除非您希望获得额外的%效率,否则请始终尽可能缓慢地切换!避免EMI问题是一个很好的经验法则。


感谢您的宝贵答复。我将此电路做成单面的(对我来说更简单),我知道它看起来很丑。您确定地平面会有所作为吗?1mm厚的磁道为7nH / cm,但是10mm厚的磁道为3nH / cm。我的电路工作在130kHz的开关频率下。其原因不是效率,而是开关电感器的尺寸。当我将频率从130kHz降低到30kHz时,我将需要4倍大的电感器(否则它将饱和)。您在上升/下降时间是正确的。我改变下降时间为10ns,从为100ns,噪声去2mV的第
卓柏卡布拉

平面的电感远低于走线(不要使用扁平导体计算器,它在平面上不起作用)。无论如何,切换速度较慢是您情况下的最佳解决方案。您也可以使用双面,如果您想自己蚀刻它,只需将整个背面分配到地面,钻出接地过孔,并在其中插入一点导线即可。
peufeu

是的,我自己蚀刻。具有讽刺意味的是,我的前两个版本的两侧都有GND区。我不记得原因了。现在可能是将其退回的时间了:)
Chupacabras

是的,铜是免费的
peufeu

我的目标是使用尽可能高的频率(和尽可能快的上升时间),因此我可以使用最小的电感器。我绝对没有意识到它会产生您所解释的负面影响。可惜我不能将多个答案标记为已接受。有多个答案值得提出:)
Chupacabras 17-10-11

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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。

通常,控制电子设备以5V运行。因此,您将拥有一个稳压器(如果您要真正降低纹波,则为线性稳压器),可将12V降至5V。除非12V电源下降到7V左右,否则您将拥有坚如磐石的5V电源。


是的,正如您所写,我将使用线性稳压器。但是我认为会逐渐消除一些涟漪。线性稳压器并不理想。这就是为什么我想尽可能减少波纹。
Chupacabras

@Chupacabras当然会产生一些涟漪。这对您而言是否重要,将取决于您的电源需要无波动的程度。对于数字电子产品,您需要先达到疯狂的波动水平,然后才能产生变化,因此对于纯数字电路,您基本上可以将其忽略。不过,对于模拟而言,这确实很重要-在这种情况下,您可以考虑使用多个稳压器级,可能从12V降至9V,然后再降至5V(假设模拟端以5V运行)。还要检查监管机构的PSRR-有些比其他的要好。
格雷厄姆

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拆下二极管D2。这消除了MOSFET关闭时发生的过滤。

这要求电容器C3足够大以吸收尖峰。


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我删除了D2,它对噪音没有影响。
Chupacabras

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不久前,我在使用RAID机柜时遇到了这个问题。它具有这样的电路-高端斩波FET,二极管等。它的开关频率约为30KHz。结果是许多PWM噪声被踢到+ 12V磁盘驱动器上,造成严重破坏。

所示电路试图表现出像降压控制器一样的功能,但这并不是必须的。

无论如何,这是我为“邪恶”菜刀所做的工作:

  1. 戴上帽子 与电动机串联。对此有更多的了解。
  2. 将FET跨接在帽上。

听起来很疯狂,但确实有效。电容/ FET组合起可变电阻的作用,可调节风扇电流,从而调节其速度。

当FET关闭时,电容通过电动机充电。开启时,电容通过FET放电,电机上拉至电源电压。这样做是将大电流瞬态环路定位到FET和电容。

您会发现您可以摆脱大部分过滤条件,甚至可以将电容帽的大小减小到33uF左右。

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