¿Cómo combatir el ruido de mi circuito que contamina mi riel de 12V?

Hice un controlador para ventilador de 12V DC. Básicamente es un convertidor DC-DC de dólar controlado por voltaje. Regula el voltaje para el ventilador desde 3V (velocidad más baja, el ventilador consume 60mA @ 3V) a 12V (velocidad máxima, el ventilador consume 240mA @ 12V). Este controlador funciona bien, controla la velocidad del ventilador como se esperaba. Traté de filtrar un poco, pero todavía hay un ruido significativo que contamina mi riel de 12V. ¿Cómo minimizarlo?

Aquí está mi circuito:

SW_SIGNAL es solo una señal PWM, donde el ciclo de trabajo lo establece otro circuito.

El problema está en el punto A. El inductor L1 está destinado a filtrar ese ruido, funciona pero no es tan bueno como esperaba:

Señal en el punto B:

Por lo tanto, el ruido se reduce de 6V pp a 0.6V pp. Pero 0.6V es un ruido enorme.
Está relacionado con la operación del convertidor buck, no con el ventilador en sí. Traté de poner una resistencia de 47Ω 17W en lugar del ventilador y el ruido sigue ahí. Estaba usando sondas de alcance con el contacto de resorte más pequeño para minimizar el bucle.
El ruido desaparece solo en caso de que haya un ciclo de trabajo 100% PWM, lo que es obvio, porque el 100% PWM deja de cambiar.

Inductores que estoy usando:

ACTUALIZACIÓN:
Este es el diseño (la parte superior es el convertidor reductor, el conector del ventilador en el lado izquierdo, la entrada de alimentación de 12V en el lado derecho): utilicé condensadores electrolíticos genéricos. No tengo hoja de datos para ellos.

He agregado condensadores cerámicos de 10uF a C1 y C3.
He aumentado el valor de R2 de 0Ω a 220Ω.
Cambió D4 de US1G a SS12. Mi error, usé US1G originalmente.
Y el ruido fue inferior a 10 mV (se utilizó resistencia en lugar de ventilador).

Después de enchufar el ventilador en lugar de la resistencia de potencia:

ACTUALIZACIÓN2:
Estaba usando una frecuencia de conmutación de 130 kHz en mi circuito. Y los tiempos de subida / caída fueron de 10ns.

Traza amarilla = puerta del transistor de conmutación Q2.
Trazo azul = drenaje de Q2 (tiempo de subida de 10ns).

Cambié la frecuencia a 28kHz (necesitaré usar un inductor más grande debido a este cambio), y aumenté los tiempos de subida / caída a 100ns (lo logré aumentando el valor de la resistencia R2 a 1kΩ).

El ruido disminuyó a 2mV pp.

Es posible que los condensadores 1000uF C1 y C3 no puedan manejar muy bien tales transitorios de conmutación de alta frecuencia . Los límites de valores grandes siempre tienen una respuesta de alta frecuencia muy mala.

Sugiero tratar de reemplazar el 1000uF con condensadores ESR bajos de 47-220 uF y ver cómo funciona. Quizás también coloque un condensador de cerámica (100 nF - 470 nF) en paralelo con ambos.

También sugiero ver este video del EEVBlog de Dave sobre las tapas de derivación, aunque no es exactamente su situación, las no ideales de los condensadores que se explican en este video también se aplican a su problema.

Puede intentar aumentar el valor de R2. Esto disminuirá el dV / dT en la puerta y ralentizará los bordes cuando cambie el mosfet. Por lo general, 10 ohmios es un buen lugar para comenzar, pero es posible que tenga que experimentar.

Agregando a las otras respuestas después de su actualización de diseño de PCB:

Sin un plano de tierra para crear una tierra de baja inductancia, cada pista etiquetada como "GND" tendrá una inductancia bastante alta, aproximadamente 7nH / cm para una pista de 1 mm de ancho.

Por lo tanto, las tapas son ineficientes para filtrar HF, porque los pequeños inductores (también conocidos como trazas) están en serie con las tapas, lo que aumenta su impedancia de HF. Una tapa de cerámica SMD tiene una inductancia mucho menor que un electrolítico, no debido a la magia sino simplemente porque es más pequeña, por lo que será mejor en el desacoplamiento de HF ... sin embargo, la inductancia de las trazas todavía está en serie.

Además, dado que tiene corrientes di / dt rápidas en su GND, el potencial a lo largo de las trazas de GND variará en todo el lugar. Recuerda:

e = L di / dt

di = 100mA, dt = 20ns (FET de conmutación rápida), L = 6nH por cm, por lo tanto e = aproximadamente 50mV por 10nH de inductancia de traza ... no exactamente "bajo ruido".

... por lo tanto, en un PCB sin un plano de tierra, cuando están involucradas grasas con altas corrientes, generalmente es imposible medir nada, porque la forma de la señal cambiará mucho dependiendo de dónde se detecte el suelo.

Como notó, la solución es no tener HF y altas corrientes de di / dt en el circuito de yoru para empezar, y esto se logra al ralentizar la conmutación FET con una resistencia.

Si su PWM es lo suficientemente lento (por ejemplo, 30 kHz), las pérdidas de conmutación serán muy pequeñas de todos modos.

Esto tiene el beneficio adicional de no enviar pulsos altos de di / dt a los cables del ventilador, lo que les impide actuar como antenas y emitir ruido por todo el lugar, lo que sería una excelente manera de construir un bloqueador de radio de banda ancha ...

Ni siquiera piense que L3 y C5 harán algo: la frecuencia de auto-resonancia de estos inductores suele ser bastante baja (consulte la hoja de datos), lo que significa que, a las frecuencias de ruido de interés, son condensadores. Además, su límite de salida de 100 µF es un inductor. Y todas las trazas son inductores, especialmente la tierra, lo que significa que el voltaje en la salida "GND" no es 0 V, pero también tendrá algo de ruido de HF, esto también agregará algo de ruido de modo común de HF en sus cables.

Del mismo modo, si multiplexa LED o escanea un teclado matricial, ¡no use un controlador con bordes 5ns! Estas son básicamente antenas enormes. Una señal cuadrada con un tiempo de subida de 5-10ns tendrá armónicos desagradables por encima de 1-10 MHz sin importar la frecuencia de conmutación.

Entonces, a menos que desee ese% extra de eficiencia, ¡siempre cambie lo más lento que pueda! Es una buena regla general evitar los problemas de EMI.

Por lo general, no utilizaría sus dispositivos electrónicos sensibles con la misma fuente de alimentación que el ventilador.

Más habitualmente, la electrónica de control funciona a 5V. Entonces, tendría un regulador (un regulador lineal si desea una ondulación realmente baja) que reduzca los 12V a 5V. A menos que el suministro de 12V caiga hasta alrededor de 7V, aún tendrá un suministro de 5V sólido como una roca.

Retire el diodo D2. Eso mata el filtrado que ocurre cuando el mosfet se apaga.

Esto requiere que el condensador C3 sea lo suficientemente grande como para absorber el pico.

Enfrenté este problema hace un tiempo con un gabinete RAID. Tenía un circuito como este: chopper FET de alto lado, diodo, etc. Cambiaba a unos 30 kHz. El resultado fue una gran cantidad de ruido PWM que fue lanzado a los estragos de +12 V en las unidades de disco.

Este circuito mostrado intenta comportarse como un controlador de dinero, pero no es realmente necesario para esto.

De todos modos, esto es lo que hice para el helicóptero 'malvado':

1. Ponga la tapa en serie con el motor. Más sobre esto en un momento.
2. Conecte el FET a través de la tapa.

Suena loco pero funciona. El combo cap / FET actúa como una especie de resistencia variable que modula la corriente del ventilador y, por lo tanto, su velocidad.

Cuando el FET está apagado, la tapa se carga a través del motor. Cuando está encendido, la tapa se descarga a través del FET y el motor se eleva hasta el voltaje del riel. Lo que esto hace es localizar el bucle transitorio de alta corriente al FET y al límite.

Descubrirá que puede deshacerse de la mayor parte de su filtrado e incluso reducir el tamaño de la tapa a, por ejemplo, 33 uF más o menos.