減少PCB中的冷卻風(fēng)扇電噪聲

2021-04-16

減少PCB中的冷卻風(fēng)扇電噪聲

誰(shuí)沒(méi)有打開(kāi)PC或筆記本電腦并仔細查看其風(fēng)扇和散熱器？如果您使用的是高速組件，高頻組件或電源組件，則需要設計某種冷卻策略以消除這些組件的熱量。除非要使用核選件并安裝蒸發(fā)冷卻裝置或建造水冷卻系統，否則在使用冷卻風(fēng)扇時(shí)，將以最小的外形尺寸獲得最佳效果。最好將風(fēng)扇添加到散熱器上以幫助對流傳熱。

風(fēng)扇電氣噪聲和輻射EMI

無(wú)論使用哪種方法冷卻系統，或者正在構建冷卻系統，都需要考慮一些特定的EMI / EMC點(diǎn)，具體取決于驅動(dòng)風(fēng)扇的方法。

交流駕駛

交流驅動(dòng)風(fēng)扇很少用于緊湊型系統中，因為如果沒(méi)有頻率控制就無(wú)法進(jìn)行速度控制，并且這些系統通常在高交流電壓下運行。因此，它們很可能在工業(yè)系統中被發(fā)現。這些風(fēng)扇會(huì )在基頻和高次諧波處產(chǎn)生明顯的傳導EMI（共模和差模），然后通過(guò)電源/地線(xiàn)傳播。通?？梢酝ㄟ^(guò)共模過(guò)濾（LC網(wǎng)絡(luò )），隨后的差分過(guò)濾（另一個(gè)LC網(wǎng)絡(luò )）和串聯(lián)的RC過(guò)濾器將其除去。

直流驅動(dòng)

盡管直流風(fēng)扇看上去似乎無(wú)電噪聲，但它們的確會(huì )產(chǎn)生聲音和電噪聲。不同類(lèi)型的風(fēng)扇會(huì )產(chǎn)生自己的EMI類(lèi)型，從而難以通過(guò)EMC測試。由于用于吸引和排斥轉子的旋轉磁體，即使是直流電動(dòng)機也將產(chǎn)生EMI，在換向過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生強烈的開(kāi)關(guān)噪聲。DC風(fēng)扇產(chǎn)生的EMI通常僅限于風(fēng)扇電源線(xiàn)中的傳導EMI（對于2線(xiàn)DC風(fēng)扇）。風(fēng)扇的電噪聲通常會(huì )注入到公共接地中，并再次出現在驅動(dòng)風(fēng)扇的任何放大器的輸出處。

簡(jiǎn)單的單軸直流冷卻風(fēng)扇

這并不是說(shuō)DC風(fēng)扇不會(huì )產(chǎn)生輻射EMI，但是由于來(lái)自永磁體和定子繞組的磁場(chǎng)（UMF）的限制，輻射EMI的頻率與轉速相同。UMF實(shí)際上在某種程度上存在于所有風(fēng)扇中，但是處理UMF的第一步是制造商的責任。一些制造商會(huì )在風(fēng)扇中放置一個(gè)薄的鋼制外殼，以在至少兩個(gè)安裝平面中抑制UMF。這意味著(zhù)輻射EMI很大程度上取決于風(fēng)扇的方向。

UMF輻射的EMI會(huì )在附近的高電感電路中感應出低頻紋波電流。較大的風(fēng)扇通常需要更強的磁場(chǎng)來(lái)驅動(dòng)，因此，在給定的轉速下，它們將表現出更強的EMI。但是，即使在數千RPM的轉速下，此輻射EMI的頻率也只會(huì )在數百Hz的范圍內。

PWM驅動(dòng)

PWM驅動(dòng)的風(fēng)扇通過(guò)改變占空比和PWM信號來(lái)提供速度控制。通過(guò)PWM驅動(dòng)，您正在使用占空比變化的開(kāi)關(guān)MOSFET或其他電路。請注意，速度控制是通過(guò)設置適當的占空比和脈沖頻率來(lái)提供的。這實(shí)際上非常重要，因為在極低脈沖頻率的極端情況下，當PWM信號為低電平時(shí)，風(fēng)扇可能會(huì )減速到停止。如果PWM信號非?？欤ǜ哳l），則在嘗試過(guò)快驅動(dòng)風(fēng)扇時(shí)，會(huì )由于混疊效應而聽(tīng)到一些有趣的噪聲。

對于PWM驅動(dòng)的風(fēng)扇，大多數PWM驅動(dòng)器會(huì )在高達MHz范圍的高頻下產(chǎn)生共模噪聲。使用PWM驅動(dòng)的感應電動(dòng)機會(huì )通過(guò)電源線(xiàn)在附近的電路中以傳導EMI的形式感應共模噪聲，這可能會(huì )影響您的EMC等級。這種風(fēng)扇驅動(dòng)在需要速度控制的計算機中更為常見(jiàn)。請注意，這還需要使用溫度控制和速度調節電路以確保風(fēng)扇保持穩定的速度，以便控制器可以根據需要增加/減少占空比。

小號imple單軸DC冷卻風(fēng)扇

請注意，由于過(guò)沖/振鈴，PWM電路本身也會(huì )產(chǎn)生傳導EMI。應該對此進(jìn)行平滑或過(guò)濾，但是在向風(fēng)扇的輸入端添加旁路電容器或鐵氧體磁珠之前，應檢查風(fēng)扇制造商的準則。我已經(jīng)看到解決此問(wèn)題的建議，包括建立一個(gè)LC濾波器，一個(gè)帶阻濾波器以消除振鈴信號，在輸出端使用一個(gè)RC濾波器。無(wú)論如何，請確保您的過(guò)濾策略滿(mǎn)足制造商的建議。

如果PWM信號的上升時(shí)間很快，那么您可能會(huì )遇到與開(kāi)關(guān)電源類(lèi)似的問(wèn)題，在開(kāi)關(guān)電源中，開(kāi)關(guān)信號會(huì )在附近的某些電路中引起串擾。如果使用大電流PWM信號驅動(dòng)大型風(fēng)扇，則PWM信號的開(kāi)關(guān)動(dòng)作可能會(huì )導致附近數字電路的非自愿開(kāi)關(guān)。不管PWM脈沖序列的頻率或占空比如何，都會(huì )發(fā)生這種情況。此時(shí)，您應該考慮為PWM電路添加一些屏蔽。

選擇風(fēng)扇并降低風(fēng)扇的電子噪音

由于傳導EMI是設計使用風(fēng)扇的系統時(shí)要解決的主要因素，因此您需要設計某種方法來(lái)解決這種噪聲。如果要采取濾波策略，則應該花一些時(shí)間來(lái)確定需要濾波的頻率。就我個(gè)人而言，我會(huì )花時(shí)間訂購一些風(fēng)扇，并使用示波器在用于敏感組件的原型或評估板上進(jìn)行測試。雖然您可能不希望在某些風(fēng)扇上花100元，等幾天讓他們收到郵件，但這總比忽略噪聲源和重新設計電路板的一部分要好。