Les interférences électromagnétiques (EMI) provenant des dissipateurs thermiques des condensateurs et ce que vous pouvez faire pour y remédier

Choisir le bon dissipateur thermique peut vous aider à garder votre système au frais et à prévenir l'EMI.

Bien que cela puisse ne pas être évident, ou que la plupart des concepteurs ne pensent pas à vérifier, les dissipateurs thermiques peuvent générer de l'EMI lorsqu'ils sont connectés à un élément de commutation. C'est un problème courant dans la conception des alimentations électriques, et chaque fois qu'un dissipateur thermique est placé en contact avec un composant qui commute avec un courant élevé à haute fréquence. Réduire l'EMI provenant des dissipateurs thermiques nécessite d'équilibrer les parties conduites et rayonnées, et il existe quelques étapes de conception simples que vous pouvez prendre pour y parvenir.

EMI provenant des dissipateurs thermiques et capacité parasite

Lorsque la plupart des concepteurs envisagent de choisir un dissipateur thermique pour les composants sur leur carte, il est probable qu'ils se contentent simplement de suivre les recommandations du fabricant. Ils peuvent utiliser un dissipateur thermique de taille similaire à celle recommandée par le fabricant, mais fabriqué à partir d'un matériau ayant une meilleure conductivité thermique. Dans certains cas, les concepteurs pourraient opter pour des mesures de refroidissement actif, comme un ventilateur de refroidissement, ou (dans des cas extrêmes) un refroidissement liquide ou par évaporation. Toutes ces actions sont appropriées lors de l'utilisation d'un composant standardisé, surtout lorsque le fabricant fournit le dissipateur thermique et les directives d'assemblage nécessaires.

Depuis que les vitesses des CPU ont atteint 1 GHz et au-delà, l'EMI rayonnée et conduite provenant des dissipateurs thermiques a commencé à devenir plus notable, bien que cela soit probablement passé inaperçu pour de nombreux concepteurs en dehors des industries de l'électronique de puissance et des systèmes informatiques. Aujourd'hui, il est généralement admis que le dissipateur thermique doit simplement être mis à la terre, et que cela résoudra le problème de l'EMI. En réalité, cela n'élimine pas complètement le problème, et résoudre le problème nécessite de gérer la capacité parasite.

Les deux types d'EMI résultent d'un couplage capacitif parasite entre un CI de commutation et le dissipateur thermique à proximité. Si vous examinez la structure d'un circuit intégré avec des transistors de commutation, on peut immédiatement voir comment l'emballage du chip et tout matériau d'interface thermique ou pâte forme la région isolante d'un condensateur. Cette capacité parasite est responsable de l'induction d'un courant de mode commun dans le dissipateur thermique.

Exemple avec un dissipateur thermique vertical collé à un MOSFET.

Ce qui se passe ensuite dépend de si le dissipateur thermique est mis à la terre ou non. Si le dissipateur thermique n'est pas mis à la terre, alors le dissipateur et la puce agissent comme une source d'EMI rayonnée, car il n'y a pas de chemin facile de retour à la terre pour tout courant couplé capacitivement. Le courant va exciter de multiples résonances électromagnétiques dans le dissipateur, créant un ensemble de régions dans le dissipateur avec un courant élevé et une forte radiation. C'est une raison pour laquelle un dissipateur thermique est généralement mis à la terre par défaut. Cependant, un courant fort qui est induit dans le dissipateur et dévié vers la terre peut créer une source d'EMI conduite dans les circuits à proximité, dépendant du chemin de retour à la terre.

Pourquoi l'EMI rayonnée ou conduite provenant des dissipateurs thermiques n'est-elle pas plus souvent abordée ? Il y a plusieurs raisons. Typiquement, l'EMI provenant d'un dissipateur devient appréciable dans deux cas :

• Fort courant lors de la commutation. C'est un problème dans l'électronique de puissance, où un transistor volumineux commute dans un régulateur de commutation de grande taille. Passer à une tension plus élevée dans un laps de temps plus court génère un courant de déplacement plus important dans le dissipateur.

• Commutation rapide dans un processeur. Les processeurs qui fonctionnent plus rapidement peuvent facilement générer un grand courant de déplacement dans le dissipateur. Ils peuvent également exciter facilement des résonances de haute fréquence dans le dissipateur.

Dans les deux cas, le couplage capacitif au dissipateur doit être pris en compte lors de la conception d'une alimentation électrique commutée de haute tension/courant. D'autres applications incluent les VRM pour les GPU et CPU, surtout dans les dispositifs qui fonctionnent à basse tension.

Équilibrage de l'EMI Conduite et Rayonnée des Dissipateurs Thermiques

La solution habituelle est de simplement mettre le dissipateur à la terre. Cela réduit le problème de l'EMI rayonnée en renvoyant le courant de déplacement en mode commun vers le plan de référence. Cela nécessite d'utiliser un dissipateur avec une finition conductrice. Si le dissipateur est laissé flottant, il agira comme une grande antenne dipôle et peut rayonner fortement lorsqu'une résonance est excitée. Comme un composant numérique commutant ou un MOSFET dans une alimentation a un large spectre de signal, de multiples résonances peuvent être excitées dans un dissipateur flottant, produisant un motif de radiation compliqué.

Une option pour réduire l'EMI rayonnée des dissipateurs est de simplement utiliser un dissipateur plus petit mis à la terre. Cela peut ensuite être complété avec un petit ventilateur. Cependant, l'utilisation d'un ventilateur apporte ses propres problèmes d'EMI, dépendant de où et comment le ventilateur est monté. Une autre option est d'utiliser une rondelle thermique mise à la terre entre le dissipateur et le composant. La rondelle thermique est ensuite liée au composant et au dissipateur avec de la pâte thermique des deux côtés. Cela crée effectivement deux condensateurs en parallèle, ce qui réduit la capacité parasite totale. Certains dissipateurs disponibles dans le commerce contiendront ce type de rondelle thermique intégrée.

Ce dissipateur thermique de forme étrange possède une structure de résonance unique et peut rayonner à diverses fréquences, en particulier lorsqu'il reçoit un courant de déplacement d'un signal numérique commutant.

La pâte thermique ou TIM que vous utilisez jouera un rôle dans la détermination de la capacité parasite. Vous devriez idéalement utiliser un TIM ou une pâte avec une constante diélectrique plus faible car cela réduira davantage la capacité parasite, peu importe la méthode que vous utilisez pour réduire l'EMI.

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