Come combattere il rumore proveniente dal mio circuito che inquina la mia guida a 12V?

Ho realizzato un controller per ventola 12V DC. È fondamentalmente un convertitore buck-cc buck controllato dalla tensione. Regola la tensione per la ventola da 3 V (velocità più bassa, la ventola assorbe 60 mA a 3 V) a 12 V (velocità massima, la ventola assorbe 240 mA a 12 V). Questo controller funziona bene, controlla la velocità della ventola come previsto. Ho provato a fare un po 'di filtraggio ma c'è ancora del rumore significativo che inquina la mia guida da 12V. Come minimizzarlo?

Ecco il mio circuito:

SW_SIGNAL è solo un segnale PWM, in cui il duty cycle è impostato da un altro circuito.

Il problema è al punto A. L'induttore L1 è pensato per filtrare quel rumore, funziona ma non è così buono come mi aspettavo:

Segnale al punto B:

Quindi il rumore viene abbassato da 6 V pp fino a 0,6 V pp. Ma 0,6 V è un rumore enorme.
È correlato al funzionamento del convertitore buck, non alla ventola stessa. Ho provato a mettere una resistenza da 47Ω 17W invece della ventola e il rumore è ancora lì. Stavo usando sonde con il minimo contatto a molla per ridurre al minimo il circuito.
Il rumore scompare solo nel caso in cui vi sia un duty cycle PWM al 100%, ciò che è ovvio, perché il PWM al 100% interrompe la commutazione.

Induttori che sto usando:

AGGIORNAMENTO:
Questo è il layout (la parte superiore è il convertitore buck, il connettore della ventola sul lato sinistro, l'ingresso di alimentazione 12V sul lato destro): ho usato condensatori elettrolitici generici. Non ho un foglio dati per loro.

Ho aggiunto condensatori ceramici da 10uF a C1 e C3.
Ho aumentato il valore di R2 da 0Ω a 220Ω.
Modificato D4 da US1G a SS12. Errore mio, ho usato US1G in origine.
E il rumore è andato sotto i 10mV (è stata usata la resistenza al posto della ventola).

Dopo aver collegato la ventola anziché la resistenza di alimentazione:

AGGIORNAMENTO2:
Stavo usando la frequenza di commutazione 130kHz nel mio circuito. E i tempi di salita / discesa sono stati di 10 ns.

Traccia gialla = gate del transistor di commutazione Q2.
Traccia blu = drenaggio di Q2 (tempo di salita di 10 ns).

Ho cambiato la frequenza a 28kHz (dovrò usare un induttore più grande a causa di questo cambiamento) e ho aumentato i tempi di salita / discesa a 100 ns (l'ho raggiunto aumentando il valore del resistore R2 a 1 kΩ).

Il rumore è diminuito fino a 2mV pp.

I condensatori 1000uF C1 e C3 potrebbero non essere in grado di gestire molto bene transitori di commutazione ad alta frequenza . I limiti di valore elevato hanno sempre una risposta ad alta frequenza molto negativa.

Suggerisco di provare a sostituire il 1000uF con condensatori a basso ESR di 47 - 220 uF e vedere come va. Forse posizionare anche un condensatore ceramico (100 nF - 470 nF) in parallelo con entrambi.

Suggerisco anche di guardare questo video da EEVBlog di Dave sui limiti di bypass, anche se non esattamente la tua situazione, le non idealità dei condensatori spiegate in questo video si applicano anche al tuo problema.

Potresti provare ad aumentare il valore di R2. Ciò ridurrà il dV / dT sul gate e rallenterà i bordi quando il mosfet cambia. 10 ohm è in genere un buon punto di partenza, ma potrebbe essere necessario sperimentare.

Aggiunta alle altre risposte dopo l'aggiornamento del layout del PCB:

Senza un piano di massa per creare un terreno a bassa induttanza, ogni traccia etichettata "GND" avrà un'induttanza piuttosto elevata, circa 7 nH / cm per una traccia larga 1 mm.

Pertanto i cappucci sono inefficienti nel filtrare HF, poiché piccoli induttori (noti anche come tracce) sono in serie con i cappucci, aumentando la loro impedenza HF. Un cappuccio in ceramica SMD ha un'induttanza molto più bassa di un elettrolitico, non a causa della magia ma semplicemente perché è più piccolo, quindi sarà meglio al disaccoppiamento HF ... tuttavia l'induttanza delle tracce è ancora in serie.

Inoltre, poiché hai correnti di / dt veloci nel tuo GND, il potenziale lungo le tracce GND varierà dappertutto. Ricorda:

e = L di / dt

di = 100mA, dt = 20ns (FET a commutazione rapida), L = 6nH per cm, quindi e = circa 50mV per 10nH di induttanza in traccia ... non esattamente "a basso rumore".

... quindi su un PCB di questo tipo senza un piano di massa, quando sono coinvolti grassi ad alta corrente, di solito è impossibile misurare qualsiasi cosa, poiché la forma del segnale cambierà molto a seconda di dove viene sondata la terra.

Come hai notato, la soluzione non è di avere HF e correnti di / dt elevate nel circuito yoru, e ciò si ottiene rallentando la commutazione FET con un resistore.

Se il tuo PWM è abbastanza lento (diciamo, 30 kHz) le perdite di commutazione saranno comunque molto piccole.

Ciò ha l'ulteriore vantaggio di non inviare impulsi di / dt alti nei fili della ventola, il che impedisce loro di agire come antenne e irradiare rumore in tutto il luogo, il che sarebbe un modo eccellente per costruire un jammer radio a banda larga ...

Non pensare nemmeno che L3 e C5 facciano nulla: la frequenza autorisonante di questi induttori è generalmente piuttosto bassa (controlla la scheda tecnica), il che significa che alle frequenze di rumore di interesse sono condensatori. Anche il cappuccio di uscita da 100 µF è un induttore. E tutte le tracce sono induttori, in particolare la terra, il che significa che la tensione sull'uscita "GND" non è 0 V, ma avrà anche un po 'di rumore HF, questo aggiungerà anche un po' di rumore di modo comune HF sui tuoi fili.

Allo stesso modo, se si eseguono LED multiplex o si esegue la scansione di una tastiera a matrice, non utilizzare un driver con bordi 5ns! Queste sono fondamentalmente enormi antenne. Un segnale quadrato con tempo di salita di 5-10ns avrà cattive armoniche molto al di sopra di 1-10 MHz, indipendentemente dalla frequenza di commutazione.

Quindi ... a meno che tu non voglia quella percentuale in più di efficienza, passa sempre il più lentamente possibile! È una buona regola empirica per evitare problemi EMI.

In genere non si scarica l'elettronica sensibile dallo stesso alimentatore della ventola.

Più di solito, l'elettronica di controllo funziona a 5V. Quindi avresti un regolatore (un regolatore lineare se vuoi un'increspatura davvero bassa) che porta i 12V a 5V. A meno che l'alimentazione a 12V non scenda fino a circa 7V, avrai comunque un'alimentazione a 5V solida come una roccia.

Rimuovere il diodo D2. Ciò uccide il filtro che si verifica quando il mosfet si spegne.

Ciò richiede che il condensatore C3 sia abbastanza grande da assorbire il picco.

Ho affrontato questo problema qualche tempo fa con un contenitore RAID. Aveva un circuito come questo: FET selettore high-side, diodo, ecc. Commutava a circa 30KHz. Il risultato è stato un sacco di rumore PWM che veniva espulso sul disordine che creava + 12V sulle unità disco.

Questo circuito mostrato tenta di comportarsi come un controller buck, ma non è davvero necessario per questo.

Comunque, ecco cosa ho fatto per l'elicottero "cattivo":

1. Mettere il cappuccio in serie con il motore. Altro su questo tra un po '.
2. Collegare il FET attraverso il cappuccio.

Sembra pazzo, ma funziona. La combinazione cap / FET funge da tipo di resistenza variabile che modula la corrente della ventola e quindi la sua velocità.

Quando il FET è spento, il cappuccio si carica attraverso il motore. Quando è acceso, il cappuccio si scarica attraverso il FET e il motore viene tirato fino alla tensione della rotaia. Ciò che fa è localizzare il loop transitorio ad alta corrente su FET e cap.

Scoprirai che puoi sbarazzarti della maggior parte dei tuoi filtri e persino ridurre le dimensioni del tappo a, diciamo, a 33 uF circa.