EMI von Kondensator-Kühlkörpern und was Sie dagegen tun können

Die richtige Auswahl eines Kühlkörpers kann Ihnen helfen, Ihr System kühl zu halten und EMI zu verhindern.

Obwohl es vielleicht nicht offensichtlich ist oder die meisten Designer nicht daran denken zu überprüfen, können Kühlkörper EMI erzeugen, wenn sie mit einem Schaltelement verbunden sind. Dies ist ein häufiges Problem im Design von Stromversorgungen und immer dann, wenn ein Kühlkörper in Kontakt mit einer Komponente gebracht wird, die bei hohem Stromverbrauch mit hoher Frequenz schaltet. Die Reduzierung von EMI von Kühlkörpern erfordert ein Gleichgewicht zwischen den geleiteten und abgestrahlten Anteilen, und es gibt einige einfache Designschritte, die Sie unternehmen können, um dies zu erreichen.

EMI von Kühlkörpern und parasitäre Kapazität

Wenn die meisten Designer die Auswahl eines Kühlkörpers für Komponenten auf ihrer Platine in Betracht ziehen, gehen sie wahrscheinlich einfach nach den Empfehlungen des Herstellers. Sie könnten einen Kühlkörper ähnlicher Größe wie vom Hersteller empfohlen verwenden, aber aus einem Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit. In einigen Fällen könnten Designer sich für aktive Kühlmaßnahmen entscheiden, wie einen Kühlventilator oder (in extremen Fällen) flüssige oder Verdunstungskühlung. Alle diese Maßnahmen sind angemessen, wenn ein standardisiertes Bauteil verwendet wird, insbesondere wenn der Hersteller die erforderlichen Kühlkörper und Montagerichtlinien bereitstellt.

Seitdem die CPU-Geschwindigkeiten 1 GHz und darüber erreicht haben, begannen abgestrahlte und geleitete EMI von Kühlkörpern bemerkbarer zu werden, obwohl dies wahrscheinlich von vielen Designern außerhalb der Leistungselektronik- und Computersystemindustrien unbemerkt blieb. Heute wird allgemein angenommen, dass der Kühlkörper einfach geerdet werden sollte, und dass dies das Problem der EMI lösen würde. In Wirklichkeit eliminiert dies das Problem nicht vollständig, und die Lösung des Problems erfordert das Management der parasitären Kapazität.

Beide Arten von EMI entstehen durch parasitäre kapazitive Kopplung zwischen einem schaltenden IC und dem nahegelegenen Kühlkörper. Wenn man die Struktur eines integrierten Schaltkreises mit schaltenden Transistoren untersucht, kann man sofort sehen, wie das Chipgehäuse und jedes Wärmeleitpaste oder Schnittstellenmaterial die isolierende Region eines Kondensators bildet. Diese parasitäre Kapazität ist verantwortlich für das Induzieren eines gemeinsamen Modusstroms im Kühlkörper.

Beispiel mit einem vertikalen Kühlkörper, der an einem MOSFET angebracht ist.

Was als Nächstes passiert, hängt davon ab, ob der Kühlkörper geerdet ist oder nicht. Wenn der Kühlkörper nicht geerdet ist, dann wirken der Kühlkörper und der Chip wie eine Quelle von abgestrahlter elektromagnetischer Interferenz (EMI), da es keinen einfachen Weg zurück zur Erde für einen kapazitiv gekoppelten Strom gibt. Der Strom wird mehrere elektromagnetische Resonanzen im Kühlkörper anregen, wodurch ein Satz von Regionen im Kühlkörper mit hohem Strom und starker Strahlung entsteht. Das ist einer der Gründe, warum ein Kühlkörper normalerweise standardmäßig geerdet wird. Ein starker im Kühlkörper induzierter Strom, der zur Erde abgeleitet wird, kann jedoch eine Quelle von geleiteter EMI in benachbarten Schaltkreisen erzeugen, abhängig vom Rückkehrpfad zur Erde.

Warum wird abgestrahlte oder geleitete EMI von Kühlkörpern nicht öfter angesprochen? Es gibt eine Reihe von Gründen. Typischerweise wird EMI von einem Kühlkörper in zwei Fällen spürbar:

• Hoher Stromverbrauch beim Schalten. Dies ist ein Problem in der Leistungselektronik, bei der ein sperriger Transistor in einem großen Schaltregler schaltet. Das Umschalten auf eine höhere Spannung in kürzerer Zeit erzeugt einen größeren Verschiebungsstrom im Kühlkörper.

• Schnelles Schalten in einem Prozessor. Prozessoren, die schneller laufen, können leicht einen großen Verschiebungsstrom im Kühlkörper erzeugen. Sie können auch leicht hohe Frequenzresonanzen im Kühlkörper anregen.

In beiden Fällen muss die kapazitive Kopplung an den Kühlkörper berücksichtigt werden, wenn man ein Hochspannungs-/Hochstrom-Schaltnetzteil entwirft. Weitere Anwendungen umfassen VRMs für GPUs und CPUs, insbesondere in Geräten, die mit niedriger Spannung betrieben werden.

Ausgleich von geleiteter und abgestrahlter EMI von Kühlkörpern

Die übliche Lösung besteht einfach darin, den Kühlkörper zu erden. Dies reduziert das Problem der abgestrahlten EMI, indem der gemeinsame Verschiebungsstrom zurück zur Referenzebene geleitet wird. Dies erfordert die Verwendung eines Kühlkörpers mit leitfähiger Oberfläche. Wenn der Kühlkörper schwebend gelassen wird, wirkt er wie eine große Dipolantenne und kann stark strahlen, wenn eine Resonanz angeregt wird. Da eine schaltende digitale Komponente oder ein MOSFET in einem Netzteil ein breites Signalspektrum hat, können mehrere Resonanzen in einem schwebenden Kühlkörper angeregt werden, was ein kompliziertes Strahlungsmuster erzeugt.

Eine Möglichkeit, die abgestrahlte EMI von Kühlkörpern zu reduzieren, besteht einfach darin, einen kleineren geerdeten Kühlkörper zu verwenden. Dies kann dann mit einem kleinen Ventilator ergänzt werden. Die Verwendung eines Ventilators bringt jedoch eigene EMI-Probleme mit sich, abhängig davon, wo und wie der Ventilator montiert ist. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung einer geerdeten Wärmeleitunterlegscheibe zwischen dem Kühlkörper und der Komponente. Die Wärmeleitunterlegscheibe wird dann mit Wärmeleitpaste auf beiden Seiten an die Komponente und den Kühlkörper gebunden. Dies schafft effektiv zwei parallel geschaltete Kondensatoren, was die gesamte Streukapazität reduziert. Einige kommerziell erhältliche Kühlkörper enthalten diesen Typ einer integrierten Wärmeleitunterlegscheibe.

Dieser ungewöhnlich geformte Kühlkörper besitzt eine einzigartige Resonanzstruktur und kann auf einer Vielzahl von Frequenzen strahlen, insbesondere wenn er einen Verschiebungsstrom von einem schaltenden digitalen Signal erhält.

Die Wärmeleitpaste oder TIM, die Sie verwenden, spielt eine Rolle bei der Bestimmung der Streukapazität. Idealerweise sollten Sie eine TIM oder Paste mit niedrigerer Dielektrizitätskonstante verwenden, da dies die Streukapazität weiter reduzieren wird, unabhängig davon, welche Methode Sie zur Reduzierung von EMI verwenden.

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