커패시터 방열판에서 발생하는 EMI와 대처 방법

적절한 방열판을 선택하면 시스템을 시원하게 유지하고 EMI를 방지할 수 있습니다.

분명하지 않거나 대부분의 설계자들이 확인하지 않을 수도 있지만, 방열판은 스위칭 요소에 연결될 때 EMI를 발생시킬 수 있습니다. 이는 전원 공급 장치 설계에서 흔한 문제이며, 방열판이 고전류를 높은 주파수로 스위칭하는 구성 요소와 접촉할 때마다 발생합니다. 방열판에서 EMI를 줄이려면 전도성 및 복사성 부분을 균형있게 조절해야 하며, 이를 위해 몇 가지 간단한 설계 단계를 수행할 수 있습니다.

방열판과 기생 커패시턴스로 인한 EMI

대부분의 설계자들이 보드의 구성 요소에 대한 방열판을 선택할 때 고려하는 것은 아마도 제조업체의 권장 사항을 따르는 것일 겁니다. 제조업체가 권장하는 것과 유사한 크기의 방열판을 사용할 수도 있지만, 열전도율이 더 높은 재료로 만들어진 방열판을 사용할 수도 있습니다. 일부 설계자들은 능동 냉각 조치를 선택할 수도 있습니다. 예를 들어, 냉각 팬이나 (극단적인 경우에는) 액체 또는 증발 냉각 같은 것입니다. 이러한 조치들은 표준화된 구성 요소를 사용할 때, 특히 제조업체가 필요한 방열판과 조립 지침을 제공할 때 적절합니다.

CPU 속도가 1 GHz를 넘어서면서, 방열판에서 발생하는 복사 및 전도 EMI가 더욱 눈에 띄게 되었지만, 이는 전력 전자 및 컴퓨터 시스템 산업 외부의 많은 설계자들에게는 눈치채지 못했을 가능성이 큽니다. 오늘날 일반적으로 방열판을 단순히 접지하면 EMI 문제가 해결될 것이라고 여겨지지만, 실제로는 문제를 완전히 해결하지 못하며, 문제를 해결하기 위해서는 기생 커패시턴스를 관리해야 합니다.

EMI의 두 가지 유형은 스위칭 IC와 인근 방열판 사이의 기생 커패시티브 커플링 때문에 발생합니다. 스위칭 트랜지스터가 있는 집적 회로의 구조를 살펴보면, 칩 패키징과 열전도성 페이스트 또는 인터페이스 재료가 커패시터의 절연 영역을 형성하는 것을 즉시 알 수 있습니다. 이 기생 커패시턴스는 방열판에서 공통 모드 전류를 유도하는 데 책임이 있습니다.

MOSFET에 수직 방열판이 부착된 예시입니다.

다음에 발생하는 일은 방열판이 접지되었는지 여부에 따라 달라집니다. 방열판이 접지되지 않은 상태로 남겨진 경우, 방열판과 칩은 용량성 결합 전류에 대한 접지로의 쉬운 경로가 없기 때문에 방사된 EMI의 원천처럼 작동합니다. 전류는 방열판에서 다중 전자기 공진을 유발하여, 방열판 내에서 고전류 및 강한 방사가 있는 일련의 영역을 생성합니다. 이것이 방열판이 일반적으로 기본적으로 접지되는 이유 중 하나입니다. 그러나 방열판에 유도된 강한 전류가 접지로 전환되면, 접지 반환 경로에 따라 인근 회로에서 전도성 EMI의 원천을 생성할 수 있습니다.

방열판에서 방사되거나 전도되는 EMI가 왜 더 자주 다루어지지 않는가? 여러 가지 이유가 있습니다. 일반적으로 방열판에서의 EMI는 두 가지 경우에 상당합니다:

• 스위칭 시 높은 전류 소모. 이는 대형 스위칭 레귤레이터에서 무거운 트랜지스터가 스위칭하는 전력 전자에서의 한 가지 문제입니다. 더 짧은 시간 내에 더 높은 전압으로 전환하면 방열판에서 더 큰 변위 전류가 생성됩니다.

• 프로세서의 빠른 스위칭. 더 빠르게 작동하는 프로세서는 쉽게 방열판에서 큰 변위 전류를 생성할 수 있습니다. 또한 방열판에서 고주파 공진을 쉽게 유발할 수 있습니다.

두 경우 모두, 고전압/전류 스위칭 전원 공급 장치를 설계할 때 방열판에 대한 용량성 결합을 고려해야 합니다. 다른 응용 프로그램에는 낮은 전압에서 작동하는 장치의 GPU 및 CPU용 VRM이 포함됩니다.

방열판에서 전도성 및 방사성 EMI의 균형 맞추기

일반적인 해결책은 단순히 방열판을 접지하는 것입니다. 이는 공통 모드 변위 전류를 참조 평면으로 다시 반환함으로써 방사된 EMI의 문제를 줄입니다. 이를 위해서는 전도성 마감 처리가 된 방열판을 사용해야 합니다. 방열판이 부유 상태로 남겨지면, 큰 다이폴 안테나처럼 작동하고 공진이 유발될 때 강하게 방사할 수 있습니다. 전원 공급 장치의 스위칭 디지털 구성 요소나 MOSFET은 넓은 신호 스펙트럼을 가지고 있으므로, 부유 상태의 방열판에서 다중 공진이 유발될 수 있어 복잡한 방사 패턴을 생성할 수 있습니다.

방열판에서 방사된 EMI를 줄이는 한 가지 옵션은 단순히 더 작은 접지된 방열판을 사용하는 것입니다. 이는 작은 팬으로 보완될 수 있습니다. 그러나 팬을 사용하면 팬이 어디에 어떻게 설치되었는지에 따라 자체 EMI 문제가 발생할 수 있습니다. 또 다른 옵션은 방열판과 구성 요소 사이에 접지된 열 와셔를 사용하는 것입니다. 열 와셔는 양쪽에 열전도성 페이스트로 구성 요소와 방열판에 접착됩니다. 이는 효과적으로 병렬로 두 개의 커패시터를 생성하여 총 잔류 용량을 줄입니다. 일부 상용 방열판에는 이러한 유형의 내장된 열 와셔가 포함될 수 있습니다.

이 독특한 모양의 히트싱크는 고유한 공진 구조를 가지고 있으며, 특히 스위칭 디지털 신호로부터 변위 전류를 받을 때 다양한 주파수에서 방사할 수 있습니다.

사용하는 열 전도성 재료나 TIM은 누설 커패시턴스를 결정하는 데 역할을 할 것입니다. 이상적으로는 누설 커패시턴스를 더욱 줄이기 위해 저유전 상수를 가진 TIM이나 페이스트를 사용해야 합니다, EMI를 줄이기 위해 사용하는 방법에 관계없이 마찬가지입니다.

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