EMI dai dissipatori di calore dei condensatori e cosa puoi fare al riguardo

Selezionare il dissipatore termico giusto può aiutarti a mantenere fresco il tuo sistema e prevenire l'EMI.

Anche se potrebbe non essere ovvio, o anche se molti progettisti potrebbero non pensarci, i dissipatori termici possono generare EMI quando sono connessi a un elemento di commutazione. Questo è un problema comune nella progettazione di alimentatori, e ogni volta che un dissipatore termico viene posto in contatto con un componente che commuta con un'elevata corrente in alta frequenza. Ridurre l'EMI dai dissipatori termici richiede di bilanciare le parti condotte e irradiate, e ci sono alcuni semplici passaggi di progettazione che puoi seguire per farlo.

EMI da Dissipatori Termici e Capacità Parassita

Quando la maggior parte dei progettisti considera la scelta di un dissipatore termico per i componenti sulla loro scheda, è probabile che semplicemente seguano le raccomandazioni del produttore. Potrebbero utilizzare un dissipatore termico di dimensioni simili a quelle raccomandate dal produttore, ma realizzato con un materiale di maggiore conducibilità termica. In alcuni casi, i progettisti potrebbero optare per misure di raffreddamento attivo, come una ventola di raffreddamento, o (nei casi più estremi) raffreddamento a liquido o evaporativo. Tutti questi interventi sono appropriati quando si utilizza un componente standardizzato, soprattutto quando il produttore fornisce il dissipatore termico richiesto e le linee guida per l'assemblaggio.

Da quando la velocità dei CPU ha raggiunto 1 GHz e oltre, l'EMI irradiata e condotta dai dissipatori termici ha iniziato a diventare più evidente, anche se questo probabilmente è passato inosservato a molti progettisti al di fuori delle industrie dell'elettronica di potenza e dei sistemi informatici. Oggi, è generalmente accettato come un dato di fatto che il dissipatore termico debba semplicemente essere collegato a terra, e che ciò risolverà il problema dell'EMI. In realtà, questo non elimina completamente il problema, e risolverlo richiede la gestione della capacità parassita.

Entrambe le forme di EMI sorgono a causa del coupling capacitivo parassita tra un circuito integrato di commutazione e il dissipatore termico vicino. Se si esamina la struttura di un circuito integrato con transistor di commutazione, si può immediatamente vedere come il packaging del chip e qualsiasi pasta termica o materiale interfaccia formi la regione isolante in un condensatore. Questa capacità parassita è responsabile dell'induzione di una corrente in modo comune nel dissipatore termico.

Esempio con un dissipatore verticale collegato a un MOSFET.

Ciò che accade dopo dipende dal fatto che il dissipatore sia o meno collegato a terra. Se il dissipatore non è collegato a terra, allora il dissipatore e il chip agiscono come una fonte di EMI irradiata, poiché non esiste un percorso facile verso la terra per qualsiasi corrente accoppiata capacitivamente. La corrente ecciterà molteplici risonanze elettromagnetiche nel dissipatore, creando un insieme di regioni nel dissipatore con alta corrente e forte radiazione. Questa è una delle ragioni per cui di solito un dissipatore è collegato a terra per impostazione predefinita. Tuttavia, una forte corrente che viene indotta nel dissipatore e deviata a terra può creare una fonte di EMI condotta nei circuiti vicini, a seconda del percorso di ritorno a terra.

Perché l'EMI irradiata o condotta dai dissipatori non viene affrontata più spesso? Ci sono diverse ragioni. Tipicamente, l'EMI dai dissipatori diventa apprezzabile in due casi:

• Alto consumo di corrente durante la commutazione. Questo è un problema nell'elettronica di potenza, dove un transistor ingombrante commuta in un grande regolatore di commutazione. Passare a una tensione più alta in un periodo di tempo più breve genera una corrente di spostamento più grande nel dissipatore.

• Commutazione veloce in un processore. I processori che funzionano più velocemente possono facilmente generare una grande corrente di spostamento nel dissipatore. Possono anche eccitare facilmente risonanze ad alta frequenza nel dissipatore.

In entrambi i casi, l'accoppiamento capacitivo al dissipatore deve essere considerato quando si progetta un'alimentazione di commutazione ad alta tensione/corrente. Altre applicazioni includono VRM per GPU e CPU, specialmente in dispositivi che funzionano a bassa tensione.

Bilanciamento dell'EMI Condotta e Irradiata dai Dissipatori

La soluzione abituale è semplicemente collegare a terra il dissipatore. Questo riduce il problema dell'EMI irradiata facendo ritornare la corrente di spostamento in modalità comune al piano di riferimento. Ciò richiede l'uso di un dissipatore con una finitura conduttiva. Se il dissipatore è lasciato flottante, agirà come una grande antenna a dipolo e può irradiare fortemente quando viene eccitata una risonanza. Poiché un componente digitale di commutazione o un MOSFET in un'alimentazione ha uno spettro di segnale ampio, possono essere eccitate molteplici risonanze in un dissipatore flottante, producendo un modello di radiazione complicato.

Un'opzione per ridurre l'EMI irradiata dai dissipatori è semplicemente usare un dissipatore più piccolo e collegato a terra. Questo può poi essere completato con un piccolo ventilatore. Tuttavia, l'uso di un ventilatore comporta i propri problemi di EMI, a seconda di dove e come il ventilatore è montato. Un'altra opzione è usare una rondella termica collegata a terra tra il dissipatore e il componente. La rondella termica è poi collegata al componente e al dissipatore con pasta termica su entrambi i lati. Questo crea efficacemente due condensatori in parallelo, riducendo la capacità parassita totale. Alcuni dissipatori disponibili in commercio conterranno questo tipo di rondella termica integrata.

Questo dissipatore di forma insolita ha una struttura di risonanza unica e può irradiare a varie frequenze, specialmente quando riceve una corrente di spostamento da un segnale digitale in commutazione.

La pasta termica o TIM che utilizzi giocherà un ruolo nella determinazione della capacità parassita. Idealmente dovresti usare un TIM o una pasta con una costante dielettrica più bassa poiché ciò ridurrà ulteriormente la capacità parassita, indipendentemente dal metodo che utilizzi per ridurre l'EMI.

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