EMI de Dissipadores de Calor de Capacitores e O Que Você Pode Fazer a Respeito

Selecionar o dissipador de calor correto pode ajudá-lo a manter seu sistema refrigerado e prevenir EMI.

Embora possa não ser óbvio, ou enquanto a maioria dos projetistas talvez não pense em verificar, dissipadores de calor podem gerar EMI quando estão conectados a um elemento de comutação. Esse é um problema comum no design de fontes de alimentação, e sempre que um dissipador de calor é colocado em contato com um componente que comuta com alta corrente em alta frequência. Reduzir EMI de dissipadores de calor requer equilibrar as partes conduzidas e irradiadas, e existem alguns passos simples de design que você pode tomar para fazer isso.

EMI de Dissipadores de Calor e Capacitância Parasita

Quando a maioria dos projetistas considera escolher um dissipador de calor para componentes em sua placa, é provável que simplesmente sigam as recomendações do fabricante. Eles podem usar um dissipador de calor de tamanho similar ao recomendado pelo fabricante, mas feito de um material com maior condutividade térmica. Em alguns casos, projetistas podem optar por medidas de refrigeração ativa, como um ventilador de refrigeração, ou (em casos extremos) refrigeração líquida ou por evaporação. Todas essas ações são apropriadas quando se usa um componente padronizado, especialmente quando o fabricante fornece o dissipador de calor e as diretrizes de montagem necessárias.

Desde que as velocidades de CPU alcançaram 1 GHz e além, EMI irradiada e conduzida de dissipadores de calor começou a se tornar mais notável, embora isso provavelmente tenha passado despercebido por muitos projetistas fora das indústrias de eletrônica de potência e sistemas de computadores. Hoje, geralmente é aceito como verdade que o dissipador de calor deve simplesmente ser aterrado, e que isso resolverá o problema de EMI. Na realidade, isso não elimina completamente o problema, e resolver o problema requer gerenciar a capacitância parasita.

Ambos os tipos de EMI surgem devido ao acoplamento capacitivo parasita entre um CI de comutação e o dissipador de calor próximo. Se você examinar a estrutura de um circuito integrado com transistores de comutação, pode-se imediatamente ver como a embalagem do chip e qualquer pasta térmica ou material de interface forma a região isolante em um capacitor. Essa capacitância parasita é responsável por induzir uma corrente de modo comum no dissipador de calor.

Exemplo com um dissipador de calor vertical ligado a um MOSFET.

O que acontece a seguir depende se o dissipador de calor está ou não aterrado. Se o dissipador de calor for deixado sem aterramento, então o dissipador de calor e o chip atuam como uma fonte de EMI irradiada, pois não há um caminho fácil de volta para a terra para qualquer corrente acoplada capacitivamente. A corrente excitará múltiplas ressonâncias eletromagnéticas no dissipador de calor, criando um conjunto de regiões no dissipador de calor com alta corrente e forte radiação. Esta é uma razão pela qual um dissipador de calor geralmente é aterrado por padrão. No entanto, uma corrente forte que é induzida no dissipador de calor e desviada para a terra pode criar uma fonte de EMI conduzida em circuitos próximos, dependendo do caminho de retorno à terra.

Por que a EMI irradiada ou conduzida de dissipadores de calor não é mais abordada? Existem várias razões. Tipicamente, a EMI de um dissipador de calor torna-se apreciável em dois casos:

• Alto consumo de corrente ao comutar. Este é um problema em eletrônica de potência, onde um transistor volumoso comuta em um grande regulador de comutação. Comutar para uma voltagem mais alta em um período de tempo mais curto gera uma corrente de deslocamento maior no dissipador de calor.

• Comutação rápida em um processador. Processadores que funcionam mais rápido podem facilmente gerar uma grande corrente de deslocamento no dissipador de calor. Eles também podem facilmente excitar ressonâncias de alta frequência no dissipador de calor.

Em ambos os casos, o acoplamento capacitivo ao dissipador de calor precisa ser considerado ao projetar uma fonte de alimentação de comutação de alta tensão/corrente. Outras aplicações incluem VRMs para GPUs e CPUs, especialmente em dispositivos que funcionam em baixa voltagem.

Equilibrando EMI Conduzida e Irradiada de Dissipadores de Calor

A solução usual é simplesmente aterrar o dissipador de calor. Isso reduz o problema da EMI irradiada ao retornar a corrente de deslocamento de modo comum de volta ao plano de referência. Isso requer o uso de um dissipador de calor com acabamento condutivo. Se o dissipador de calor for deixado flutuante, ele atuará como uma grande antena dipolo e pode irradiar fortemente quando uma ressonância é excitada. Como um componente digital de comutação ou MOSFET em uma fonte de alimentação possui um espectro de sinal amplo, múltiplas ressonâncias podem ser excitadas em um dissipador de calor flutuante, produzindo um padrão de radiação complicado.

Uma opção para reduzir a EMI irradiada de dissipadores de calor é simplesmente usar um dissipador de calor aterrado menor. Isso pode então ser complementado com um pequeno ventilador. No entanto, usar um ventilador traz seus próprios problemas de EMI, dependendo de onde e como o ventilador é montado. Outra opção é usar uma arruela térmica aterrada entre o dissipador de calor e o componente. A arruela térmica é então ligada ao componente e ao dissipador de calor com pasta térmica dos dois lados. Isso efetivamente cria dois capacitores em paralelo, o que reduz a capacitância parasita total. Alguns dissipadores de calor disponíveis comercialmente conterão esse tipo de arruela térmica integrada.

Este dissipador de calor de forma estranha possui uma estrutura de ressonância única e pode irradiar em uma variedade de frequências, especialmente quando recebe uma corrente de deslocamento de um sinal digital comutador.

A pasta térmica ou TIM que você usa desempenhará um papel na determinação da capacitância parasita. Idealmente, você deve usar um TIM ou pasta com menor constante dielétrica, pois isso reduzirá ainda mais a capacitância parasita, independentemente do método que você usar para reduzir a EMI.

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