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技術(shù)專(zhuān)題
電路設計散熱器的EMI及其對策
雖然可能并不明顯，或者雖然大多數設計人員可能不想檢查，但將散熱器連接到開(kāi)關(guān)元件時(shí)，它們可能會(huì )產(chǎn)生EMI。這是電源設計中的常見(jiàn)問(wèn)題，每當散熱器與高頻開(kāi)關(guān)的組件接觸時(shí)，該組件就會(huì )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(guò)一些簡(jiǎn)單的設計步驟來(lái)做到這一點(diǎn)。
散熱器的EMI和寄生電容
當大多數設計人員考慮為板上的組件選擇散熱器時(shí)，很可能他們只是遵從制造商的建議。他們可能會(huì )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(huì )選擇主動(dòng)冷卻措施，例如冷卻風(fēng)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(shí)，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(shí)。
自從CPU速度達到1 GHz或更高，散熱器的輻射和傳導EMI開(kāi)始變得更加明顯，盡管電力電子和計算機系統行業(yè)之外的許多設計人員都沒(méi)有注意到這一點(diǎn)。如今，通常認為散熱器應簡(jiǎn)單接地，這將解決EMI問(wèn)題。實(shí)際上，這不能完全消除問(wèn)題，解決問(wèn)題需要管理寄生電容。
由于開(kāi)關(guān)IC和附近的散熱器之間存在寄生電容耦合，因此會(huì )產(chǎn)生兩種EMI。如果檢查帶有開(kāi)關(guān)晶體管的集成電路的結構，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(lái)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(lái)源，因為對于任何容性耦合電流來(lái)說(shuō)，都不存在返回地面的簡(jiǎn)便途徑。電流將激發(fā)散熱器中的多個(gè)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移到地面的強電流會(huì )在附近的電路中產(chǎn)生傳導EMI的來(lái)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(huì )變得很明顯：
切換時(shí)消耗大電流。這是功率電子學(xué)中的一個(gè)問(wèn)題，其中大晶體管在大型開(kāi)關(guān)調節器中開(kāi)關(guān)。在較短的時(shí)間內切換到較高的電壓會(huì )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(kāi)關(guān)電源時(shí)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(jiǎn)單地將散熱器接地。通過(guò)將共模位移電流返回到參考平面，可以減少輻射EMI的問(wèn)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(gè)大的偶極天線(xiàn)一樣工作，并且在激發(fā)共振時(shí)會(huì )強烈輻射。由于電源中的開(kāi)關(guān)數字組件或MOSFET具有較寬的信號頻譜，因此在浮動(dòng)散熱器中會(huì )激發(fā)多個(gè)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(jiǎn)單地使用較小的接地散熱器。然后可以用一個(gè)小風(fēng)扇補充。但是，使用風(fēng)扇會(huì )引起自身的EMI問(wèn)題，具體取決于風(fēng)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(gè)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(lèi)型的內置熱墊圈。
這種奇形的散熱器具有獨特的諧振結構，并且可以在各種頻率下輻射，特別是當它從開(kāi)關(guān)數字信號接收位移電流時(shí)。
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(wú)論使用哪種方法來(lái)降低EMI，都應使用介電常數較低的TIM或漿料，因為這將進(jìn)一步減小雜散電容。