EMI de disipadores de calor de capacitores y qué puedes hacer al respecto

Seleccionar el disipador de calor adecuado puede ayudarte a mantener tu sistema fresco y prevenir la EMI.

Aunque puede no ser obvio, o aunque la mayoría de los diseñadores no lo consideren, los disipadores de calor pueden generar EMI cuando están conectados a un elemento de conmutación. Este es un problema común en el diseño de fuentes de alimentación, y siempre que un disipador de calor se coloca en contacto con un componente que conmuta con un alto consumo de corriente a alta frecuencia. Reducir la EMI de los disipadores de calor requiere equilibrar las partes conducidas y radiadas, y hay algunos pasos de diseño simples que puedes tomar para hacer esto.

EMI de Disipadores de Calor y Capacitancia Parásita

Cuando la mayoría de los diseñadores consideran elegir un disipador de calor para componentes en su placa, es probable que simplemente sigan las recomendaciones del fabricante. Pueden usar un disipador de calor de tamaño similar al recomendado por el fabricante, pero hecho de un material con mayor conductividad térmica. En algunos casos, los diseñadores podrían optar por medidas de enfriamiento activo, como un ventilador de enfriamiento, o (en casos extremos) enfriamiento líquido o por evaporación. Todos estos cursos de acción son apropiados cuando se utiliza un componente estandarizado, especialmente cuando el fabricante proporciona el disipador de calor requerido y las pautas de ensamblaje.

Desde que las velocidades de CPU alcanzaron 1 GHz y más allá, la EMI radiada y conducida de los disipadores de calor comenzó a ser más notable, aunque esto probablemente pasó desapercibido para muchos diseñadores fuera de las industrias de electrónica de potencia y sistemas informáticos. Hoy en día, generalmente se toma como un hecho que el disipador de calor simplemente debe estar conectado a tierra, y que esto resolverá el problema de la EMI. En realidad, esto no elimina completamente el problema, y resolver el problema requiere gestionar la capacitancia parásita.

Los dos tipos de EMI surgen debido al acoplamiento capacitivo parásito entre un CI de conmutación y el disipador de calor cercano. Si examinas la estructura de un circuito integrado con transistores de conmutación, uno puede ver inmediatamente cómo el empaquetado del chip y cualquier pasta térmica o material de interfaz forma la región aislante en un capacitor. Esta capacitancia parásita es responsable de inducir una corriente de modo común en el disipador de calor.

Ejemplo con un disipador de calor vertical unido a un MOSFET.

Lo que sucede a continuación depende de si el disipador de calor está o no conectado a tierra. Si el disipador de calor se deja sin conectar a tierra, entonces el disipador de calor y el chip actúan como una fuente de EMI radiada, ya que no hay un camino fácil de regreso a tierra para cualquier corriente acoplada capacitivamente. La corriente excitará múltiples resonancias electromagnéticas en el disipador de calor, creando un conjunto de regiones en el disipador de calor con alta corriente y radiación intensa. Esta es una razón por la cual un disipador de calor generalmente se conecta a tierra por defecto. Sin embargo, una corriente fuerte que se induce en el disipador de calor y se desvía a tierra puede crear una fuente de EMI conducida en circuitos cercanos, dependiendo del camino de retorno a tierra.

¿Por qué no se aborda más a menudo la EMI radiada o conducida de los disipadores de calor? Hay varias razones. Típicamente, la EMI de un disipador de calor se vuelve apreciable en dos casos:

• Alto consumo de corriente al conmutar. Este es un problema en la electrónica de potencia, donde un transistor voluminoso conmuta en un regulador de conmutación grande. Conmutar a un voltaje más alto en un período de tiempo más corto genera una corriente de desplazamiento más grande en el disipador de calor.

• Conmutación rápida en un procesador. Los procesadores que funcionan más rápido pueden generar fácilmente una gran corriente de desplazamiento en el disipador de calor. También pueden excitar fácilmente resonancias de alta frecuencia en el disipador de calor.

En ambos casos, el acoplamiento capacitivo al disipador de calor debe considerarse al diseñar una fuente de alimentación de conmutación de alta tensión/corriente. Otras aplicaciones incluyen VRMs para GPUs y CPUs, especialmente en dispositivos que funcionan a baja tensión.

Equilibrando la EMI Conducida y Radiada de los Disipadores de Calor

La solución habitual es simplemente conectar a tierra el disipador de calor. Esto reduce el problema de la EMI radiada al devolver la corriente de desplazamiento de modo común de vuelta al plano de referencia. Esto requiere usar un disipador de calor con un acabado conductivo. Si el disipador de calor se deja flotando, actuará como una gran antena dipolo y puede irradiar fuertemente cuando se excita una resonancia. Como un componente digital de conmutación o MOSFET en una fuente de alimentación tiene un espectro de señal amplio, múltiples resonancias pueden ser excitadas en un disipador de calor flotante, produciendo un patrón de radiación complicado.

Una opción para reducir la EMI radiada de los disipadores de calor es simplemente usar un disipador de calor más pequeño y conectado a tierra. Esto puede complementarse con un pequeño ventilador. Sin embargo, usar un ventilador conlleva sus propios problemas de EMI, dependiendo de dónde y cómo se monte el ventilador. Otra opción es usar una arandela térmica conectada a tierra entre el disipador de calor y el componente. La arandela térmica se une entonces al componente y al disipador de calor con pasta térmica en ambos lados. Esto efectivamente crea dos capacitores en paralelo, lo que reduce la capacitancia parásita total. Algunos disipadores de calor disponibles comercialmente contendrán este tipo de arandela térmica integrada.

Este disipador de calor de forma extraña tiene una estructura de resonancia única y puede radiar en una variedad de frecuencias, especialmente cuando recibe una corriente de desplazamiento de una señal digital conmutada.

La pasta térmica o TIM que utilices jugará un papel en la determinación de la capacitancia parásita. Idealmente, deberías usar un TIM o pasta con una constante dieléctrica más baja ya que esto reducirá aún más la capacitancia parásita, sin importar qué método utilices para reducir la EMI.

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