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技術(shù)專題
電路設計散熱器的EMI及其對策
雖然可能并不明顯，或者雖然大多數(shù)設計人員可能不想檢查，但將散熱器連接到開關(guān)元件時，它們可能會產(chǎn)生EMI。這是電源設計中的常見問題，每當散熱器與高頻開關(guān)的組件接觸時，該組件就會消耗大量電流。要降低散熱器的EMI，需要平衡傳導和輻射部分，您可以通過一些簡單的設計步驟來做到這一點。
散熱器的EMI和寄生電容
當大多數(shù)設計人員考慮為板上的組件選擇散熱器時，很可能他們只是遵從制造商的建議。他們可能會使用與制造商建議的尺寸相似的散熱器，但散熱器應采用導熱率更高的材料制成。在某些情況下，設計人員可能會選擇主動冷卻措施，例如冷卻風扇或（在極端情況下）液體或蒸發(fā)冷卻。當使用標準化組件時，所有這些措施均適用，特別是在制造商提供所需的散熱器和裝配準則時。
自從CPU速度達到1 GHz或更高，散熱器的輻射和傳導EMI開始變得更加明顯，盡管電力電子和計算機系統(tǒng)行業(yè)之外的許多設計人員都沒有注意到這一點。如今，通常認為散熱器應簡單接地，這將解決EMI問題。實際上，這不能完全消除問題，解決問題需要管理寄生電容。
由于開關(guān)IC和附近的散熱器之間存在寄生電容耦合，因此會產(chǎn)生兩種EMI。如果檢查帶有開關(guān)晶體管的集成電路的結(jié)構(gòu)，則可以立即看到芯片封裝以及任何導熱膏或界面材料如何形成電容器中的絕緣區(qū)域。該寄生電容負責在散熱器中感應出共模電流。
垂直散熱器連接到MOSFET的示例。
接下來發(fā)生的情況取決于散熱器是否接地。如果散熱器未接地，則散熱器和芯片的作用就像是輻射EMI的來源，因為對于任何容性耦合電流來說，都不存在返回地面的簡便途徑。電流將激發(fā)散熱器中的多個電磁諧振，從而在散熱器中形成一組具有高電流和強輻射的區(qū)域。這是散熱器默認默認接地的原因之一。但是，取決于接地回路的路徑，在散熱器中感應并轉(zhuǎn)移到地面的強電流會在附近的電路中產(chǎn)生傳導EMI的來源。
為什么散熱器的輻射或傳導EMI不能得到更多解決？有很多原因。通常，在兩種情況下，散熱器的EMI會變得很明顯：
切換時消耗大電流。這是功率電子學中的一個問題，其中大晶體管在大型開關(guān)調(diào)節(jié)器中開關(guān)。在較短的時間內(nèi)切換到較高的電壓會在散熱器中產(chǎn)生較大的位移電流。
在處理器中快速切換。運行速度更快的處理器很容易在散熱器中產(chǎn)生大的位移電流。它們還可以輕松激發(fā)散熱器中的高頻共振。
在這兩種情況下，設計高電壓/電流開關(guān)電源時都需要考慮到散熱器的電容耦合。其他應用包括用于GPU和CPU的VRM，特別是在低電壓運行的設備中。
平衡散熱器的傳導和輻射EMI
通常的解決方案是簡單地將散熱器接地。通過將共模位移電流返回到參考平面，可以減少輻射EMI的問題。這需要使用具有導電涂層的散熱器。如果散熱器懸空，它將像一個大的偶極天線一樣工作，并且在激發(fā)共振時會強烈輻射。由于電源中的開關(guān)數(shù)字組件或MOSFET具有較寬的信號頻譜，因此在浮動散熱器中會激發(fā)多個諧振，從而產(chǎn)生復雜的輻射圖。
減少散熱器輻射EMI的一種方法是簡單地使用較小的接地散熱器。然后可以用一個小風扇補充。但是，使用風扇會引起自身的EMI問題，具體取決于風扇的安裝位置和安裝方式。另一種選擇是在散熱器和組件之間使用接地的熱墊圈。然后將熱墊圈貼在組件和散熱器上，兩面都貼上導熱膏。這有效地創(chuàng)建了兩個并聯(lián)的電容器，從而減小了總雜散電容。一些市售的散熱器將包含這種類型的內(nèi)置熱墊圈。
這種奇形的散熱器具有獨特的諧振結(jié)構(gòu)，并且可以在各種頻率下輻射，特別是當它從開關(guān)數(shù)字信號接收位移電流時。
您使用的導熱膏或TIM將在確定雜散電容中起作用。理想情況下，無論使用哪種方法來降低EMI，都應使用介電常數(shù)較低的TIM或漿料，因為這將進一步減小雜散電容。