電(diàn)路设计散热器的EMI及其对策

2020-10-28

虽然可(kě)能(néng)并不明显，或者虽然大多(duō)数设计人员可(kě)能(néng)不想检查，但将散热器连接到开关元件时，它们可(kě)能(néng)会产生EMI。这是電(diàn)源设计中的常见问题，每当散热器与高频开关的组件接触时，该组件就会消耗大量電(diàn)流。要降低散热器的EMI，需要平衡传导和辐射部分(fēn)，您可(kě)以通过一些简单的设计步骤来做到这一点。

散热器的EMI和寄生電(diàn)容

当大多(duō)数设计人员考虑為(wèi)板上的组件选择散热器时，很(hěn)可(kě)能(néng)他(tā)们只是遵从制造商(shāng)的建议。他(tā)们可(kě)能(néng)会使用(yòng)与制造商(shāng)建议的尺寸相似的散热器，但散热器应采用(yòng)导热率更高的材料制成。在某些情况下，设计人员可(kě)能(néng)会选择主动冷却措施，例如冷却风扇或（在极端情况下）液體(tǐ)或蒸发冷却。当使用(yòng)标准化组件时，所有(yǒu)这些措施均适用(yòng)，特别是在制造商(shāng)提供所需的散热器和装配准则时。

自从CPU速度达到1 GHz或更高，散热器的辐射和传导EMI开始变得更加明显，尽管電(diàn)力電(diàn)子和计算机系统行业之外的许多(duō)设计人员都没有(yǒu)注意到这一点。如今，通常认為(wèi)散热器应简单接地，这将解决EMI问题。实际上，这不能(néng)完全消除问题，解决问题需要管理(lǐ)寄生電(diàn)容。

由于开关IC和附近的散热器之间存在寄生電(diàn)容耦合，因此会产生两种EMI。如果检查带有(yǒu)开关晶體(tǐ)管的集成電(diàn)路的结构，则可(kě)以立即看到芯片封装以及任何导热膏或界面材料如何形成電(diàn)容器中的绝缘區(qū)域。该寄生電(diàn)容负责在散热器中感应出共模電(diàn)流。

垂直散热器连接到MOSFET的示例。

接下来发生的情况取决于散热器是否接地。如果散热器未接地，则散热器和芯片的作用(yòng)就像是辐射EMI的来源，因為(wèi)对于任何容性耦合電(diàn)流来说，都不存在返回地面的简便途径。電(diàn)流将激发散热器中的多(duō)个電(diàn)磁谐振，从而在散热器中形成一组具有(yǒu)高電(diàn)流和强辐射的區(qū)域。这是散热器默认默认接地的原因之一。但是，取决于接地回路的路径，在散热器中感应并转移到地面的强電(diàn)流会在附近的電(diàn)路中产生传导EMI的来源。

為(wèi)什么散热器的辐射或传导EMI不能(néng)得到更多(duō)解决？有(yǒu)很(hěn)多(duō)原因。通常，在两种情况下，散热器的EMI会变得很(hěn)明显：

切换时消耗大電(diàn)流。这是功率電(diàn)子學(xué)中的一个问题，其中大晶體(tǐ)管在大型开关调节器中开关。在较短的时间内切换到较高的電(diàn)压会在散热器中产生较大的位移電(diàn)流。

在处理(lǐ)器中快速切换。运行速度更快的处理(lǐ)器很(hěn)容易在散热器中产生大的位移電(diàn)流。它们还可(kě)以轻松激发散热器中的高频共振。

在这两种情况下，设计高電(diàn)压/電(diàn)流开关電(diàn)源时都需要考虑到散热器的電(diàn)容耦合。其他(tā)应用(yòng)包括用(yòng)于GPU和CPU的VRM，特别是在低電(diàn)压运行的设备中。

平衡散热器的传导和辐射EMI

通常的解决方案是简单地将散热器接地。通过将共模位移電(diàn)流返回到参考平面，可(kě)以减少辐射EMI的问题。这需要使用(yòng)具有(yǒu)导電(diàn)涂层的散热器。如果散热器悬空，它将像一个大的偶极天線(xiàn)一样工作，并且在激发共振时会强烈辐射。由于電(diàn)源中的开关数字组件或MOSFET具有(yǒu)较宽的信号频谱，因此在浮动散热器中会激发多(duō)个谐振，从而产生复杂的辐射图。

减少散热器辐射EMI的一种方法是简单地使用(yòng)较小(xiǎo)的接地散热器。然后可(kě)以用(yòng)一个小(xiǎo)风扇补充。但是，使用(yòng)风扇会引起自身的EMI问题，具體(tǐ)取决于风扇的安装位置和安装方式。另一种选择是在散热器和组件之间使用(yòng)接地的热垫圈。然后将热垫圈贴在组件和散热器上，两面都贴上导热膏。这有(yǒu)效地创建了两个并联的電(diàn)容器，从而减小(xiǎo)了总杂散電(diàn)容。一些市售的散热器将包含这种类型的内置热垫圈。

这种奇形的散热器具有(yǒu)独特的谐振结构，并且可(kě)以在各种频率下辐射，特别是当它从开关数字信号接收位移電(diàn)流时。

您使用(yòng)的导热膏或TIM将在确定杂散電(diàn)容中起作用(yòng)。理(lǐ)想情况下，无论使用(yòng)哪种方法来降低EMI，都应使用(yòng)介電(diàn)常数较低的TIM或浆料，因為(wèi)这将进一步减小(xiǎo)杂散電(diàn)容。