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技术专题
电路设计散热器的EMI及其对策
虽然可能并不明显，或者虽然大多数设计人员可能不想检查，但将散热器连接到开关元件时，它们可能会产生EMI。这是电源设计中的常见问题，每当散热器与高频开关的组件接触时，该组件就会消耗大量电流。要降低散热器的EMI，需要平衡传导和辐射部分，您可以通过一些简单的设计步骤来做到这一点。
散热器的EMI和寄生电容
当大多数设计人员考虑为板上的组件选择散热器时，很可能他们只是遵从制造商的建议。他们可能会使用与制造商建议的尺寸相似的散热器，但散热器应采用导热率更高的材料制成。在某些情况下，设计人员可能会选择主动冷却措施，例如冷却风扇或（在极端情况下）液体或蒸发冷却。当使用标准化组件时，所有这些措施均适用，特别是在制造商提供所需的散热器和装配准则时。
自从CPU速度达到1 GHz或更高，散热器的辐射和传导EMI开始变得更加明显，尽管电力电子和计算机系统行业之外的许多设计人员都没有注意到这一点。如今，通常认为散热器应简单接地，这将解决EMI问题。实际上，这不能完全消除问题，解决问题需要管理寄生电容。
由于开关IC和附近的散热器之间存在寄生电容耦合，因此会产生两种EMI。如果检查带有开关晶体管的集成电路的结构，则可以立即看到芯片封装以及任何导热膏或界面材料如何形成电容器中的绝缘区域。该寄生电容负责在散热器中感应出共模电流。
垂直散热器连接到MOSFET的示例。
接下来发生的情况取决于散热器是否接地。如果散热器未接地，则散热器和芯片的作用就像是辐射EMI的来源，因为对于任何容性耦合电流来说，都不存在返回地面的简便途径。电流将激发散热器中的多个电磁谐振，从而在散热器中形成一组具有高电流和强辐射的区域。这是散热器默认默认接地的原因之一。但是，取决于接地回路的路径，在散热器中感应并转移到地面的强电流会在附近的电路中产生传导EMI的来源。
为什么散热器的辐射或传导EMI不能得到更多解决？有很多原因。通常，在两种情况下，散热器的EMI会变得很明显：
切换时消耗大电流。这是功率电子学中的一个问题，其中大晶体管在大型开关调节器中开关。在较短的时间内切换到较高的电压会在散热器中产生较大的位移电流。
在处理器中快速切换。运行速度更快的处理器很容易在散热器中产生大的位移电流。它们还可以轻松激发散热器中的高频共振。
在这两种情况下，设计高电压/电流开关电源时都需要考虑到散热器的电容耦合。其他应用包括用于GPU和CPU的VRM，特别是在低电压运行的设备中。
平衡散热器的传导和辐射EMI
通常的解决方案是简单地将散热器接地。通过将共模位移电流返回到参考平面，可以减少辐射EMI的问题。这需要使用具有导电涂层的散热器。如果散热器悬空，它将像一个大的偶极天线一样工作，并且在激发共振时会强烈辐射。由于电源中的开关数字组件或MOSFET具有较宽的信号频谱，因此在浮动散热器中会激发多个谐振，从而产生复杂的辐射图。
减少散热器辐射EMI的一种方法是简单地使用较小的接地散热器。然后可以用一个小风扇补充。但是，使用风扇会引起自身的EMI问题，具体取决于风扇的安装位置和安装方式。另一种选择是在散热器和组件之间使用接地的热垫圈。然后将热垫圈贴在组件和散热器上，两面都贴上导热膏。这有效地创建了两个并联的电容器，从而减小了总杂散电容。一些市售的散热器将包含这种类型的内置热垫圈。
这种奇形的散热器具有独特的谐振结构，并且可以在各种频率下辐射，特别是当它从开关数字信号接收位移电流时。
您使用的导热膏或TIM将在确定杂散电容中起作用。理想情况下，无论使用哪种方法来降低EMI，都应使用介电常数较低的TIM或浆料，因为这将进一步减小杂散电容。