Nhiễu EMI từ Tản Nhiệt Tụ Điện và Cách Khắc Phục

Chọn đúng tản nhiệt có thể giúp bạn giữ hệ thống mát mẻ và ngăn chặn EMI.

Mặc dù có thể không rõ ràng, hoặc hầu hết các nhà thiết kế có thể không nghĩ đến việc kiểm tra, tản nhiệt có thể tạo ra EMI khi chúng được kết nối với một phần tử chuyển mạch. Đây là một vấn đề phổ biến trong thiết kế nguồn điện, và bất cứ khi nào một tản nhiệt được đặt tiếp xúc với một linh kiện chuyển đổi với dòng điện cao ở tần số cao. Giảm EMI từ tản nhiệt đòi hỏi cân bằng giữa phần dẫn và phát xạ, và có một số bước thiết kế đơn giản bạn có thể thực hiện để làm điều này.

EMI từ Tản Nhiệt và Điện Dung Nhiễm

Khi hầu hết các nhà thiết kế xem xét chọn một tản nhiệt cho các linh kiện trên bảng mạch của họ, có lẽ họ chỉ đơn giản tuân theo khuyến nghị của nhà sản xuất. Họ có thể sử dụng một tản nhiệt có kích thước tương tự như được nhà sản xuất khuyến nghị, nhưng được làm từ vật liệu có độ dẫn nhiệt cao hơn. Trong một số trường hợp, các nhà thiết kế có thể chọn các biện pháp làm mát chủ động, như quạt làm mát, hoặc (trong trường hợp cực đoan) làm mát bằng chất lỏng hoặc bay hơi. Tất cả những biện pháp này đều phù hợp khi sử dụng một linh kiện tiêu chuẩn, đặc biệt là khi nhà sản xuất cung cấp tản nhiệt và hướng dẫn lắp ráp cần thiết.

Từ khi tốc độ CPU đạt 1 GHz trở lên, nhiễu xạ và nhiễu dẫn từ tản nhiệt bắt đầu trở nên dễ nhận biết hơn, mặc dù điều này có lẽ đã không được nhiều nhà thiết kế bên ngoài ngành điện tử công suất và hệ thống máy tính chú ý. Ngày nay, nói chung được coi là nguyên tắc rằng tản nhiệt chỉ đơn giản cần được nối đất, và điều này sẽ giải quyết vấn đề EMI. Trên thực tế, điều này không hoàn toàn loại bỏ vấn đề, và giải quyết vấn đề đòi hỏi quản lý điện dung nhiễm.

Cả hai loại EMI đều phát sinh do sự ghép nối điện dung nhiễm giữa một IC chuyển mạch và tản nhiệt gần đó. Nếu bạn xem xét cấu trúc của một mạch tích hợp với các transistor chuyển mạch, người ta có thể ngay lập tức thấy cách đóng gói chip và bất kỳ chất dẫn nhiệt hoặc vật liệu giao diện nào tạo thành khu vực cách điện trong một tụ điện. Điện dung nhiễm này chịu trách nhiệm gây ra dòng điện chung cho tản nhiệt.

Ví dụ với một tản nhiệt dọc được gắn vào một MOSFET.

Những gì xảy ra tiếp theo phụ thuộc vào việc tản nhiệt có được nối đất hay không. Nếu tản nhiệt không được nối đất, tản nhiệt và chip sẽ hoạt động như một nguồn phát ra EMI dạng bức xạ, vì không có đường trở lại đất dễ dàng cho dòng điện được ghép nối tụ điện. Dòng điện sẽ kích thích nhiều cộng hưởng điện từ trong tản nhiệt, tạo ra một tập hợp các khu vực trong tản nhiệt với dòng điện cao và bức xạ mạnh. Đây là một lý do tản nhiệt thường được nối đất mặc định. Tuy nhiên, một dòng điện mạnh được kích thích trong tản nhiệt và chuyển hướng xuống đất có thể tạo ra một nguồn EMI dẫn trong các mạch lân cận, tùy thuộc vào đường trở lại đất.

Tại sao EMI dạng bức xạ hoặc dẫn từ tản nhiệt không được giải quyết thường xuyên hơn? Có một số lý do. Thông thường, EMI từ tản nhiệt trở nên đáng kể trong hai trường hợp:

• Dòng điện cao khi chuyển đổi. Đây là một vấn đề trong điện tử công suất, nơi một transistor cồng kềnh chuyển đổi trong một bộ điều chỉnh chuyển mạch lớn. Chuyển sang một điện áp cao hơn trong một khoảng thời gian ngắn hơn tạo ra một dòng điện dịch chuyển lớn hơn trong tản nhiệt.

• Chuyển đổi nhanh trong một bộ xử lý. Các bộ xử lý chạy nhanh hơn có thể dễ dàng tạo ra một dòng điện dịch chuyển lớn trong tản nhiệt. Chúng cũng có thể dễ dàng kích thích các cộng hưởng tần số cao trong tản nhiệt.

Trong cả hai trường hợp, việc ghép nối tụ điện với tản nhiệt cần được xem xét khi thiết kế một nguồn cung cấp điện chuyển mạch công suất/tần số cao. Các ứng dụng khác bao gồm VRMs cho GPU và CPU, đặc biệt là trong các thiết bị chạy ở điện áp thấp.

Cân bằng EMI dẫn và bức xạ từ tản nhiệt

Giải pháp thường thấy là đơn giản chỉ cần nối đất tản nhiệt. Điều này giảm bớt vấn đề EMI dạng bức xạ bằng cách trả lại dòng điện dịch chuyển chế độ chung về mặt phẳng tham chiếu. Điều này đòi hỏi sử dụng một tản nhiệt với lớp phủ dẫn điện. Nếu tản nhiệt để lơ lửng, nó sẽ hoạt động như một ăng-ten dipole lớn và có thể bức xạ mạnh khi một cộng hưởng được kích thích. Khi một thành phần số chuyển đổi hoặc MOSFET trong một nguồn cung cấp điện có một phổ tín hiệu rộng, nhiều cộng hưởng có thể được kích thích trong tản nhiệt lơ lửng, tạo ra một mô hình bức xạ phức tạp.

Một lựa chọn để giảm EMI dạng bức xạ từ tản nhiệt là đơn giản chỉ cần sử dụng một tản nhiệt nhỏ hơn đã được nối đất. Sau đó, điều này có thể được bổ sung với một quạt nhỏ. Tuy nhiên, việc sử dụng quạt mang lại những vấn đề EMI riêng của nó, tùy thuộc vào nơi và cách quạt được lắp đặt. Một lựa chọn khác là sử dụng một miếng rửa nhiệt được nối đất giữa tản nhiệt và thành phần. Miếng rửa nhiệt sau đó được gắn vào thành phần và tản nhiệt với keo tản nhiệt ở cả hai mặt. Điều này hiệu quả tạo ra hai tụ điện song song, giảm tổng dung lượng tụ điện lạc đường. Một số tản nhiệt có sẵn trên thị trường sẽ chứa loại miếng rửa nhiệt tích hợp này.

Tản nhiệt hình dạng lạ này có cấu trúc cộng hưởng độc đáo và có thể phát ra ở nhiều tần số khác nhau, đặc biệt khi nó nhận được dòng điện dịch chuyển từ tín hiệu số chuyển mạch.

Keo tản nhiệt hoặc TIM bạn sử dụng sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc xác định dung kháng lạc. Lý tưởng nhất, bạn nên sử dụng TIM hoặc keo có hằng số điện môi thấp hơn vì điều này sẽ giảm thêm dung kháng lạc, bất kể bạn sử dụng phương pháp nào để giảm EMI.

Công cụ thiết kế sơ đồ và bố trí PCB trong Altium Designer^® là lý tưởng để xác định một kế hoạch tiếp đất cho tản nhiệt của bạn nhằm ngăn chặn EMI. Sau đó, bạn có thể xác định các điểm tiếp đất hoặc lỗ gắn trên bố trí của mình, và bạn có thể bao gồm tản nhiệt của mình như một đối tượng cơ khí trong BOM của mình một cách tự động. Bạn cũng có thể mô phỏng các khía cạnh khác nhau của hành vi tín hiệu với công cụ mô phỏng sau bố trí trong Altium Designer.

Bây giờ bạn có thể tải về bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ bố trí, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium hôm nay để tìm hiểu thêm.