コンデンサのヒートシンクからのEMIとその対策方法

適切なヒートシンクを選択することで、システムを冷却し、EMIを防ぐことができます.

明らかではないかもしれませんが、また、ほとんどの設計者がチェックするとは思わないかもしれませんが、ヒートシンクはスイッチング要素に接続されている場合、EMIを発生させることがあります。これは電源設計における一般的な問題であり、特にヒートシンクが高電流を引き出し、高周波でスイッチングするコンポーネントと接触する場合に発生します。ヒートシンクからのEMIを減らすには、導電部分と放射部分のバランスを取る必要があり、これを行うためのいくつかの簡単な設計手順があります。

ヒートシンクと寄生容量からのEMI

ほとんどの設計者が基板上のコンポーネント用にヒートシンクを選択することを考えるとき、彼らはおそらく単にメーカーの推奨に従うだけです。彼らはメーカーが推奨するサイズと同様のヒートシンクを使用するかもしれませんが、熱伝導率が高い材料で作られたものを選ぶかもしれません。設計者の中には、アクティブ冷却対策、例えば冷却ファン、または（極端な場合には）液体冷却や蒸発冷却を選択する人もいます。これらの対策は、特にメーカーが必要なヒートシンクと組み立てガイドラインを提供している場合、標準化されたコンポーネントを使用する際に適切です。

CPUの速度が1 GHzを超えて以来、ヒートシンクからの放射および導電EMIがより目立つようになりましたが、これは電力電子およびコンピュータシステム業界外の多くの設計者には気づかれなかった可能性があります。今日では、一般的にヒートシンクは単に接地されるべきであり、これがEMIの問題を解決するとされています。実際には、これだけでは問題を完全に解決するわけではなく、問題を解決するには寄生容量を管理する必要があります。

EMIの両方のタイプは、スイッチングICと近くのヒートシンクとの間の寄生容量結合によって生じます。スイッチングトランジスタを持つ集積回路の構造を調べると、チップパッケージと任意の熱伝導ペーストやインターフェース材料がキャパシタの絶縁領域を形成しているのがすぐにわかります。この寄生容量がヒートシンクに共通モード電流を誘導する責任があります。

MOSFETに垂直ヒートシンクが接着された例。

次に何が起こるかは、ヒートシンクが接地されているかどうかによります。ヒートシンクが接地されていない場合、ヒートシンクとチップは容量結合電流の地面への容易な戻り道がないため、放射されたEMIの源として機能します。電流はヒートシンク内の複数の電磁共鳴を励起し、高電流と強い放射を持つヒートシンク内の一連の領域を作り出します。これは、ヒートシンクが通常デフォルトで接地される理由の一つです。しかし、ヒートシンクに誘導された強い電流が地面に向けて偏向されると、グラウンドリターンパスに応じて、近くの回路で伝導EMIの源を作り出す可能性があります。

なぜヒートシンクからの放射または伝導EMIがより頻繁に対処されないのでしょうか？その理由はいくつかあります。通常、ヒートシンクからのEMIが顕著になるのは以下の二つの場合です：

• スイッチング時の高電流。 これは、大きなスイッチングレギュレータで大型トランジスタがスイッチングする電力電子工学における一つの問題です。より短い時間でより高い電圧にスイッチングすると、ヒートシンク内のより大きな変位電流が生成されます。

• プロセッサの高速スイッチング。 より高速に動作するプロセッサは、ヒートシンク内に大きな変位電流を簡単に生成することができます。また、ヒートシンク内の高周波共鳴を容易に励起することもできます。

どちらの場合も、高電圧/電流のスイッチング電源を設計する際には、ヒートシンクへの容量結合を考慮する必要があります。他のアプリケーションには、低電圧で動作するデバイスのGPUやCPUのためのVRMが含まれます。

ヒートシンクからの伝導および放射EMIのバランス

通常の解決策は、単純にヒートシンクを接地することです。これにより、共通モード変位電流を参照平面に戻すことで、放射EMIの問題が軽減されます。これには、導電性の仕上げを持つヒートシンクを使用する必要があります。ヒートシンクが浮遊している場合、それは大きなダイポールアンテナのように振る舞い、共鳴が励起されると強く放射することができます。電源内のスイッチングデジタルコンポーネントやMOSFETは広い信号スペクトルを持っているため、浮遊しているヒートシンクでは複数の共鳴が励起され、複雑な放射パターンが生成される可能性があります。

ヒートシンクからの放射EMIを減らす一つの方法は、単純に小さな接地されたヒートシンクを使用することです。これは、小型のファンで補完することができます。しかし、ファンの使用は、ファンがどこにどのように取り付けられているかに応じて、独自のEMI問題を引き起こす可能性があります。もう一つの選択肢は、ヒートシンクとコンポーネントの間に接地された熱ワッシャーを使用することです。その後、熱ワッシャーは両側に熱ペーストを使用してコンポーネントとヒートシンクに接着されます。これにより、実質的に並列に2つのコンデンサが作成され、全体の漂遊容量が減少します。一部の市販のヒートシンクには、このタイプの内蔵熱ワッシャーが含まれています。

この奇妙な形状のヒートシンクは独特の共鳴構造を持ち、特にスイッチングデジタル信号から変位電流を受け取ると、様々な周波数で放射することができます。

使用する熱伝導ペーストまたはTIMは、漂遊容量を決定する上で役割を果たします。理想的には、漂遊容量をさらに減少させるために、低い誘電率を持つTIMまたはペーストを使用すべきです。EMIを減少させる方法に関係なく。

Altium Designer^®の回路図設計およびPCBレイアウトツールは、EMIを防ぐためのヒートシンクの接地スキームを定義するのに理想的です。レイアウトで接地点または取り付け穴を定義し、BOMにヒートシンクを機械オブジェクトとして自動的に含めることができます。Altium Designerのポストレイアウトシミュレーションツールを使用して、信号動作のさまざまな側面をシミュレートすることもできます。

今すぐ無料トライアルのAltium Designerをダウンロードして、業界最高のレイアウト、シミュレーション、生産計画ツールについてもっと学びましょう。今日Altiumの専門家に相談して、さらに詳しく学びましょう。