ЭМП от радиаторов конденсаторов и что с этим можно сделать

Выбор подходящего радиатора может помочь сохранить прохладу вашей системы и предотвратить ЭМП.

Хотя это может быть не очевидно, или большинство конструкторов, возможно, не думают проверить, радиаторы могут генерировать ЭМП, когда они подключены к переключающему элементу. Это общая проблема при проектировании источников питания, и всякий раз, когда радиатор устанавливается в контакт с компонентом, который переключается с высоким потреблением тока на высокой частоте. Уменьшение ЭМП от радиаторов требует балансировки проводимой и излучаемой частей, и есть несколько простых шагов проектирования, которые вы можете предпринять для этого.

ЭМП от радиаторов и паразитная емкость

Когда большинство конструкторов рассматривают выбор радиатора для компонентов на своей плате, вероятно, они просто следуют рекомендациям производителя. Они могут использовать радиатор с размером, аналогичным рекомендованному производителем, но из материала с более высокой теплопроводностью. В некоторых случаях конструкторы могут выбрать активные меры охлаждения, такие как вентилятор охлаждения, или (в крайних случаях) жидкостное или испарительное охлаждение. Все эти меры подходят при использовании стандартизированного компонента, особенно когда производитель предоставляет необходимый радиатор и руководства по сборке.

С тех пор, как скорость процессоров достигла 1 ГГц и выше, излучаемый и проводимый ЭМП от радиаторов стал более заметным, хотя многие конструкторы вне индустрии электропитания и компьютерных систем, возможно, этого не заметили. Сегодня общепринято, что радиатор просто должен быть заземлен, и это решит проблему ЭМП. На самом деле, это не полностью устраняет проблему, и для решения проблемы требуется управление паразитной емкостью.

Оба вида ЭМП возникают из-за паразитной емкостной связи между переключающим ИС и близлежащим радиатором. Если рассмотреть структуру интегральной схемы с переключающимися транзисторами, можно сразу увидеть, как корпус чипа и любой термопаста или интерфейсный материал формируют изоляционный регион в конденсаторе. Эта паразитная емкость отвечает за индукцию общего режима тока в радиаторе.

Пример с вертикальным радиатором, прикрепленным к MOSFET.

Что происходит дальше, зависит от того, заземлен радиатор или нет. Если радиатор оставить незаземленным, то радиатор и чип будут действовать как источник излучаемых электромагнитных помех (EMI), поскольку для любого емкостно связанного тока нет простого пути обратно к земле. Ток будет возбуждать множество электромагнитных резонансов в радиаторе, создавая набор областей в радиаторе с высоким током и сильным излучением. Это одна из причин, по которой радиатор обычно заземляется по умолчанию. Однако сильный ток, индуцированный в радиаторе и отведенный на землю, может создать источник проводимых электромагнитных помех в близлежащих цепях, в зависимости от пути возврата тока к земле.

Почему излучаемые или проводимые EMI от радиаторов не рассматриваются чаще? Существует ряд причин. Как правило, EMI от радиаторов становится заметным в двух случаях:

• Высокий ток при коммутации. Это одна из проблем в силовой электронике, где массивный транзистор коммутирует в большом коммутационном регуляторе. Переключение на более высокое напряжение за более короткий период времени генерирует больший смещенный ток в радиаторе.

• Быстрое переключение в процессоре. Процессоры, работающие быстрее, могут легко генерировать большой смещенный ток в радиаторе. Они также могут легко возбудить высокочастотные резонансы в радиаторе.

В обоих случаях емкостная связь с радиатором должна учитываться при проектировании высоковольтного/токового коммутационного источника питания. Другие применения включают в себя модули регуляторов напряжения (VRM) для GPU и CPU, особенно в устройствах, работающих на низком напряжении.

Балансировка проводимых и излучаемых EMI от радиаторов

Обычное решение заключается в простом заземлении радиатора. Это уменьшает проблему излучаемых EMI, возвращая общий смещенный ток обратно на опорную плоскость. Это требует использования радиатора с проводящим покрытием. Если радиатор оставить плавающим, он будет действовать как большая дипольная антенна и может сильно излучать, когда возбуждается резонанс. Поскольку переключающий цифровой компонент или MOSFET в источнике питания имеют широкий спектр сигналов, в плавающем радиаторе могут быть возбуждены множественные резонансы, создавая сложный узор излучения.

Один из вариантов уменьшения излучаемых EMI от радиаторов - это просто использование меньшего заземленного радиатора. Это затем может быть дополнено небольшим вентилятором. Однако использование вентилятора влечет за собой свои проблемы с EMI, в зависимости от того, где и как установлен вентилятор. Другой вариант - использование заземленной тепловой шайбы между радиатором и компонентом. Тепловая шайба затем прикрепляется к компоненту и радиатору с теплопроводящей пастой с обеих сторон. Это эффективно создает два конденсатора параллельно, что уменьшает общую паразитную емкость. Некоторые коммерчески доступные радиаторы будут содержать такую встроенную тепловую шайбу.

Этот необычной формы радиатор имеет уникальную резонансную структуру и может излучать на различных частотах, особенно когда он получает смещающий ток от переключающегося цифрового сигнала.

Термопаста или TIM, которую вы используете, будет играть роль в определении паразитной емкости. Идеально использовать TIM или пасту с более низкой диэлектрической постоянной, так как это еще больше снизит паразитную емкость, независимо от того, какой метод вы используете для уменьшения ЭМП.

Инструменты для схемотехнического проектирования и размещения печатных плат в Altium Designer^® идеально подходят для определения схемы заземления для вашего радиатора, чтобы предотвратить ЭМП. Затем вы можете определить точки заземления или отверстия для монтажа на вашей плате, и вы можете автоматически включить ваш радиатор как механический объект в ваш BOM. Вы также можете симулировать различные аспекты поведения сигнала с помощью инструментов постпроектировочного моделирования в Altium Designer.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для размещения, моделирования и планирования производства. Обратитесь к эксперту Altium сегодня, чтобы узнать больше.