Como combater o ruído do meu circuito poluindo meu trilho de 12V?

Eu fiz um controlador para ventilador de 12V DC. É basicamente um conversor DC-DC controlado por tensão. Ele regula a tensão do ventilador de 3V (velocidade mais baixa, o ventilador consome 60mA a 3V) a 12V (velocidade máxima, o ventilador consome 240mA a 12V). Este controlador funciona bem, controla a velocidade do ventilador conforme o esperado. Tentei fazer alguma filtragem, mas ainda há algum ruído significativo poluindo meu trilho de 12V. Como minimizá-lo?

Aqui está o meu circuito:

SW_SIGNAL é apenas um sinal PWM, onde o ciclo de trabalho é definido por outro circuito.

O problema está no ponto A. O indutor L1 destina-se a filtrar esse ruído; ele funciona, mas não é tão bom quanto eu esperava:

Sinal no ponto B:

Portanto, o ruído é reduzido de 6V pp para 0,6V pp. Mas 0,6V é um ruído enorme.
Está relacionado à operação do conversor buck, não à própria ventoinha. Tentei colocar um resistor de 47Ω 17W em vez do ventilador e o ruído ainda está lá. Eu estava usando sondas de escopo com o menor contato de mola para minimizar o loop.
O ruído desaparece apenas no caso de haver um ciclo de trabalho 100% PWM, o que é óbvio, porque 100% PWM para de alternar.

Indutores que estou usando:

ATUALIZAÇÃO:
Este é o layout (a parte superior é o conversor buck, o conector do ventilador no lado esquerdo, a entrada de energia de 12V no lado direito): usei capacitores eletrolíticos genéricos. Não tenho folha de dados para eles.

Adicionei capacitores de cerâmica de 10uF a C1 e C3.
Aumentei o valor de R2 de 0Ω para 220Ω.
D4 alterado de US1G para SS12. Meu erro, eu usei US1G originalmente.
E o ruído ficou abaixo de 10mV (resistor foi usado em vez de ventilador).

Depois de conectar o ventilador em vez do resistor de energia:

UPDATE2:
Eu estava usando a frequência de comutação de 130kHz no meu circuito. E os tempos de subida / descida foram 10ns.

Traço amarelo = porta do transistor de comutação Q2.
Traço azul = dreno do Q2 (10ns de subida).

Alterei a frequência para 28kHz (precisarei usar um indutor maior por causa dessa alteração) e aumentei o tempo de subida / descida para 100ns (consegui isso aumentando o valor do resistor R2 para 1kΩ).

O ruído diminuiu para 2mV pp.

Os capacitores de 1000uF C1 e C3 podem não ser capazes de lidar com esses transientes de comutação de alta frequência muito bem. Limites de grande valor sempre têm uma resposta de alta frequência muito ruim.

Sugiro tentar substituir o 1000uF por capacitores ESR baixos de 47 - 220 uF e ver como isso acontece. Talvez também coloque um capacitor de cerâmica (100 nF - 470 nF) em paralelo com ambos.

Eu também sugiro assistir a este vídeo do EEVBlog de Dave sobre limites de desvio, embora não seja exatamente a sua situação, as não idealidades dos capacitores explicadas neste vídeo também se aplicam ao seu problema.

Você pode tentar aumentar o valor de R2. Isso diminuirá o dV / dT no portão e diminuirá as bordas quando o mosfet mudar. 10 ohms geralmente é um bom lugar para começar, mas você pode ter que experimentar.

Adicionando às outras respostas após a atualização do layout da PCB:

Sem um plano de terra para criar um solo de baixa indutância, todas as faixas rotuladas "GND" terão uma indutância bastante alta, cerca de 7nH / cm para uma faixa de 1 mm de largura.

Assim, as tampas são ineficientes na filtragem da HF, porque poucos indutores (também conhecidos como traços) estão em série com as tampas, aumentando sua impedância à HF. Uma tampa de cerâmica SMD tem uma indutância muito menor do que uma eletrolítica, não devido à magia, mas simplesmente porque é menor, por isso será melhor no desacoplamento por HF ... no entanto, a indutância dos traços ainda é em série.

Além disso, como você tem correntes di / dt rápidas em seu GND, o potencial ao longo dos traços de GND varia em todo o lugar. Lembrar:

e = L di / dt

di = 100mA, dt = 20ns (FET de comutação rápida), L = 6nH por cm, portanto e = cerca de 50mV por 10nH de indutância de traço ... não exatamente "baixo ruído".

... assim, em uma placa de circuito impresso sem um plano de aterramento, quando estão envolvidas altas correntes de gorduras, geralmente é impossível medir qualquer coisa, porque a forma do sinal muda muito dependendo de onde você sonda o solo.

Como você notou, a solução é não ter nenhuma HF e altas correntes di / dt no circuito yoru, e isso é conseguido diminuindo a velocidade da chave FET com um resistor.

Se o seu PWM for lento o suficiente (por exemplo, 30 kHz), as perdas de comutação serão muito pequenas de qualquer maneira.

Isso tem o benefício extra de não enviar pulsos de di / dt altos para os fios do ventilador, o que os impede de atuar como antenas e irradiar ruídos por todo o lugar, o que seria uma excelente maneira de criar um rádio jammer de banda larga ...

Nem pense que L3 e C5 farão qualquer coisa: a frequência auto-ressonante desses indutores é geralmente bastante baixa (verifique a folha de dados), o que significa que nas frequências de ruído de interesse são capacitores. Sua tampa de saída de 100µF também é um indutor. E todos os traços são indutores, especialmente o terra, o que significa que a tensão na saída "GND" não é 0V, mas também terá algum ruído de alta frequência, isso também adicionará algum ruído de modo comum de alta frequência em seus fios.

Da mesma forma, se você multiplexar LEDs ou digitalizar um teclado matricial, não use um driver com bordas de 5ns! Estas são basicamente antenas enormes. Um sinal quadrado com tempo de subida de 5-10ns terá harmônicos desagradáveis ​​acima de 1-10 MHz, independentemente da frequência de comutação.

Então ... a menos que você queira essa% extra de eficiência, sempre mude o mais devagar possível! É uma boa regra geral evitar problemas de EMI.

Normalmente, você não usaria seus eletrônicos sensíveis com a mesma fonte de alimentação que o ventilador.

Geralmente, a eletrônica de controle é executada em 5V. Então você teria um regulador (um regulador linear, se você quiser uma ondulação realmente baixa) diminuindo os 12V para 5V. A menos que a fonte de 12V caia em torno de 7V, você ainda terá uma fonte sólida de 5V.

Remova o diodo D2. Isso mata a filtragem que acontece quando o mosfet é desligado.

Isso requer que o capacitor C3 seja grande o suficiente para absorver o pico.

Há algum tempo, enfrentei esse problema com um gabinete RAID. Ele tinha um circuito como este - helicóptero do lado superior, FET, diodo, etc. Comutava a cerca de 30KHz. O resultado foi um monte de ruído PWM sendo jogado no caos de + 12V nas unidades de disco.

Este circuito mostrado tenta se comportar como um controlador buck, mas não é realmente necessário para isso.

Enfim, aqui está o que eu fiz para o helicóptero 'mau':

1. Coloque a tampa em série com o motor. Mais sobre isso daqui a pouco.
2. Ligue o FET na tampa.

Parece loucura, mas funciona. A combinação cap / FET atua como um tipo de resistência variável que modula a corrente do ventilador e, portanto, sua velocidade.

Quando o FET está desligado, a tampa carrega através do motor. Quando está ligada, a tampa descarrega através do FET e o motor é puxado para a tensão do trilho. O que isso faz é localizar o loop transiente de alta corrente no FET e no limite.

Você descobrirá que pode se livrar da maior parte de sua filtragem e até reduzir o tamanho da tampa para, digamos, 33uF ou mais.