EMI z radiatorów kondensatorów i co można z tym zrobić

Wybór odpowiedniego radiatora może pomóc utrzymać Twój system w chłodzie i zapobiec EMI.

Chociaż może to nie być oczywiste, lub większość projektantów może nie pomyśleć, aby to sprawdzić, radiatory mogą generować EMI, gdy są połączone z elementem przełączającym. Jest to powszechny problem w projektowaniu zasilaczy, a także kiedykolwiek radiator jest umieszczony w kontakcie z komponentem, który przełącza przy wysokim poborze prądu i wysokiej częstotliwości. Zmniejszenie EMI pochodzącego od radiatorów wymaga zrównoważenia części przewodzonej i promieniowanej, i istnieje kilka prostych kroków projektowych, które można podjąć, aby to osiągnąć.

EMI pochodzące od radiatorów i pojemność pasożytnicza

Kiedy większość projektantów rozważa wybór radiatora dla komponentów na swojej płytce, prawdopodobnie po prostu kierują się zaleceniami producenta. Mogą użyć radiatora o podobnych wymiarach do tych zalecanych przez producenta, ale wykonanego z materiału o wyższej przewodności cieplnej. W niektórych przypadkach projektanci mogą zdecydować się na środki chłodzenia aktywnego, takie jak wentylator chłodzący, lub (w skrajnych przypadkach) chłodzenie cieczą lub parowaniem. Wszystkie te działania są odpowiednie przy użyciu standardowego komponentu, zwłaszcza gdy producent dostarcza wymagany radiator i wytyczne montażowe.

Od kiedy prędkości CPU osiągnęły 1 GHz i więcej, promieniowane i przewodzone EMI pochodzące od radiatorów zaczęły być bardziej zauważalne, chociaż prawdopodobnie wielu projektantów poza branżą elektroniki mocy i systemów komputerowych tego nie zauważyło. Dzisiaj ogólnie przyjmuje się za pewnik, że radiator powinien być po prostu uziemiony, co rozwiąże problem EMI. W rzeczywistości nie eliminuje to problemu całkowicie, a rozwiązanie problemu wymaga zarządzania pojemnością pasożytniczą.

Oba rodzaje EMI powstają z powodu pasożytniczego sprzężenia pojemnościowego między przełączającym układem scalonym a pobliskim radiatorem. Jeśli przyjrzymy się strukturze układu scalonego z tranzystorami przełączającymi, można od razu zauważyć, jak obudowa układu i wszelkie pasty termoprzewodzące lub materiały interfejsowe tworzą izolacyjny region w kondensatorze. Ta pojemność pasożytnicza odpowiada za indukowanie prądu wspólnego trybu w radiatorze.

Przykład z pionowym radiatorem przyklejonym do tranzystora MOSFET.

To, co stanie się dalej, zależy od tego, czy radiator jest uziemiony, czy nie. Jeśli radiator pozostanie nieuziemiony, wówczas radiator i układ scalony działają jak źródło promieniowanego EMI, ponieważ nie ma łatwej ścieżki powrotnej do ziemi dla prądu sprzężonego pojemnościowo. Prąd będzie pobudzał wiele rezonansów elektromagnetycznych w radiatorze, tworząc zestaw regionów w radiatorze z wysokim prądem i silnym promieniowaniem. To jeden z powodów, dla których radiator zazwyczaj jest domyślnie uziemiony. Jednak silny prąd indukowany w radiatorze i odprowadzany do ziemi może stworzyć źródło przewodzonego EMI w pobliskich obwodach, w zależności od ścieżki powrotnej do ziemi.

Dlaczego promieniowane lub przewodzone EMI od radiatorów nie jest częściej adresowane? Istnieje wiele powodów. Zwykle EMI od radiatorów staje się znaczące w dwóch przypadkach:

• Wysoki pobór prądu podczas przełączania. Jest to jeden z problemów w elektronice mocy, gdzie masywny tranzystor przełącza się w dużym regulatorze przełączającym. Przełączanie na wyższe napięcie w krótszym czasie generuje większy prąd przesunięcia w radiatorze.

• Szybkie przełączanie w procesorze. Procesory pracujące szybciej mogą łatwo generować duży prąd przesunięcia w radiatorze. Mogą również łatwo pobudzać wysokoczęstotliwościowe rezonanse w radiatorze.

W obu przypadkach należy uwzględnić sprzężenie pojemnościowe z radiatorem podczas projektowania zasilacza przełączającego wysokiego napięcia/prądu. Inne zastosowania obejmują moduły zasilania VRM dla GPU i CPU, szczególnie w urządzeniach pracujących przy niskim napięciu.

Zrównoważenie przewodzonego i promieniowanego EMI od radiatorów

Zwykłym rozwiązaniem jest po prostu uziemienie radiatora. To redukuje problem promieniowanego EMI poprzez zwrócenie wspólnego prądu przesunięcia z powrotem do płaszczyzny odniesienia. Wymaga to użycia radiatora z przewodzącym wykończeniem. Jeśli radiator pozostaje niepodłączony, będzie działał jak duża antena dipolowa i może silnie promieniować, gdy zostanie pobudzony rezonans. Jako że przełączający komponent cyfrowy lub MOSFET w zasilaczu ma szerokie spektrum sygnału, w niepodłączonym radiatorze mogą być pobudzane liczne rezonanse, tworząc skomplikowany wzór promieniowania.

Jedną z opcji zmniejszenia promieniowanego EMI od radiatorów jest po prostu użycie mniejszego uziemionego radiatora. Można to następnie uzupełnić małym wentylatorem. Jednak użycie wentylatora wiąże się z własnymi problemami EMI, w zależności od miejsca i sposobu montażu wentylatora. Inną opcją jest użycie uziemionej podkładki termicznej między radiatorem a komponentem. Podkładka termiczna jest następnie przyklejona do komponentu i radiatora za pomocą pasty termoprzewodzącej po obu stronach. Skutecznie tworzy to dwa kondensatory równolegle, co redukuje całkowitą pojemność pasożytniczą. Niektóre dostępne w sprzedaży radiatory będą zawierać tego typu wbudowaną podkładkę termiczną.

Ten nietypowo ukształtowany radiator posiada unikalną strukturę rezonansową i może promieniować na różnych częstotliwościach, szczególnie gdy otrzymuje prąd przesunięcia od przełączającego sygnału cyfrowego.

Pasta termoprzewodząca lub TIM, którego używasz, będzie miała wpływ na pojemność pasożytniczą. Idealnie powinieneś użyć TIM lub pasty o niższej stałej dielektrycznej, ponieważ to dalej zmniejszy pojemność pasożytniczą, niezależnie od metody, którą użyjesz do redukcji EMI.

Narzędzia do projektowania schematów i układu PCB w Altium Designer^® są idealne do definiowania schematu uziemienia dla twojego radiatora w celu zapobiegania EMI. Następnie możesz zdefiniować punkty uziemienia lub otwory montażowe w swoim układzie, a także możesz automatycznie uwzględnić swój radiator jako obiekt mechaniczny w swoim BOM. Możesz również symulować różne aspekty zachowania sygnału za pomocą narzędzi do symulacji po układzie w Altium Designer.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.