陳家敏 / 上海機(jī)動(dòng)車檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司

0 引言

隨著芯片集成度與速率不斷的提高，大量技術(shù)含量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電器設(shè)備得到了應(yīng)用，但產(chǎn)生的電磁騷擾也越發(fā)嚴(yán)重。對(duì)于高功率和高頻率的芯片，一般會(huì)安裝散熱器。隨著芯片功率的提高，導(dǎo)致時(shí)鐘信號(hào)波長(zhǎng)與散熱器幾何尺寸相比擬，當(dāng)高頻信號(hào)與散熱器產(chǎn)生耦合，散熱器作為輻射天線會(huì)增大芯片的輻射，產(chǎn)生的電磁干擾也越來(lái)越嚴(yán)重。同時(shí)，由于地平面與散熱器之間寄生電容的存在，也會(huì)使散熱器作為一個(gè)輻射天線對(duì)外進(jìn)行騷擾，導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品無(wú)法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，需要對(duì)散熱器的電磁輻射進(jìn)行研究，以尋求對(duì)應(yīng)的輻射抑制措施。

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)散熱器的電磁兼容問(wèn)題進(jìn)行了研究。1991年，Lee等學(xué)者提出了FDTD法分析散熱器的電磁特性，表面散熱器確實(shí)會(huì)增加輻射強(qiáng)度[1]。1994年，Brench等學(xué)者對(duì)不同的散熱器激勵(lì)源進(jìn)行研究[2]。1999年，Ryan等學(xué)者對(duì)不同形狀的散熱器進(jìn)行研究，同時(shí)指出在中間位置輻射最小[3]。2001年，IBM公司提出采用接地的方法降低電磁干擾[4]。2002年，李蓉等學(xué)者提出并不是接地點(diǎn)越多，電磁輻射抑制效果越明顯[5]。2004年，A.Damiano等學(xué)者將散熱器等效為電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究[6]。

本文建立散熱器的模型，從各個(gè)方面對(duì)比分析散熱器的電磁輻射特性，抑制電磁騷擾，同時(shí)搭建電磁輻射試驗(yàn)裝置，對(duì)比優(yōu)化前后的芯片散熱器對(duì)電機(jī)的影響，直觀驗(yàn)證散熱器優(yōu)化的影響。

1 散熱器模型

本文主要以鋁制散熱器為研究對(duì)象，如圖1所示，散熱器的具體參數(shù)為底座高度b=6 mm，長(zhǎng)度為L(zhǎng)且平行于X軸放置，鰭葉高度設(shè)為a=30 mm，厚度為d=1.2 mm，個(gè)數(shù)為N=9。

圖1 散熱器模型

散熱器的激勵(lì)電壓依賴其表面積累的電荷量Q，地板與散熱器之間的電壓和電容分別為U和C。

利用散熱器的時(shí)變電流可以對(duì)輻射進(jìn)行研究，散熱器類比于有限導(dǎo)體上的單極子天線，當(dāng)其波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于短偶極天線長(zhǎng)度L且距離r遠(yuǎn)大于短偶極天線長(zhǎng)度L，此時(shí)短偶極天線的電場(chǎng)輻射近似為[7]

式中：I——偶極天線上的激勵(lì)電流；

Z——波阻抗 ；

k——傳播常數(shù)

對(duì)于兩個(gè)疊加的短偶極天線的電場(chǎng)輻射為

由式（3）可知，影響電磁發(fā)射的因素除了各相關(guān)材料的理化參數(shù)，即結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)等。因此，形成磁場(chǎng)與作用場(chǎng)的各結(jié)構(gòu)參數(shù)的匹配和優(yōu)化設(shè)計(jì)是研制散熱器成功的關(guān)鍵。由于散熱器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單等效于兩根平行導(dǎo)線最大發(fā)射公式，只能定性分析，需要結(jié)合數(shù)值法和試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

2 散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)電磁輻射的影響

2.1 散熱器形狀優(yōu)化

保持散熱器面積不變，選擇三個(gè)不同形狀的散熱器進(jìn)行研究，利用ANSYS進(jìn)行仿真計(jì)算，如圖2所示為長(zhǎng)方形、正方形和圓形散熱器對(duì)電磁輻射的影響。

圖2 散熱器形狀對(duì)輻射的影響

從圖2中可以明顯看出，在大部分頻段，長(zhǎng)方形散熱器的電磁輻射最高，圓形散熱器的電磁輻射最低。不過(guò)從散熱的角度看，圓形或正方形制成的散熱器較為理想，可以有效散熱。因此，宜采用圓形散熱器，可以獲得更好的散熱效果和電磁兼容性。

2.2 鰭葉方向?qū)椛涞挠绊?/h3>

保持其他參數(shù)不變，改變鰭葉方向，與原方向垂直放置，得到的輻射結(jié)果如圖3所示。

圖3 鰭葉方向?qū)椛涞挠绊?/p>

由圖3可知，在改變方向后，僅對(duì)1.5 GHz之前和5 GHz之后的頻率較原方案有所改善，影響較小。

2.3 鰭葉數(shù)量對(duì)輻射的影響

為研究鰭葉數(shù)量對(duì)電磁輻射的影響，分別對(duì)5、9和13個(gè)鰭葉進(jìn)行研究，如圖4所示。

圖4 鰭葉數(shù)目對(duì)輻射的影響

當(dāng)散熱器的總體結(jié)構(gòu)不變時(shí)，散熱器的鰭葉數(shù)量變化即鰭間距的變化，采取不同的鰭葉數(shù)量對(duì)輻射進(jìn)行研究，從仿真結(jié)果可以看出當(dāng)鰭葉數(shù)量增加時(shí)，可以改善頻率在5 GHz附近的輻射。

2.4 鰭葉高度對(duì)輻射的影響

鰭葉高度在一定程度上也會(huì)影響電磁輻射，因此，針對(duì)20 mm、30 mm、40 mm高度的鰭葉進(jìn)行輻射騷擾研究，如圖5所示，即不同鰭葉高度對(duì)電磁輻射的影響。

圖5 鰭葉高度對(duì)輻射的影響

改變鰭葉高度，得到當(dāng)鰭葉高度為20 mm時(shí)，總體上輻射較原來(lái)的有所改善。隨著高度的增加，輻射也會(huì)增加，同時(shí)也帶來(lái)了質(zhì)量的增加，但高度過(guò)低也會(huì)影響散熱效能，因此，散熱器的鰭葉的高度不宜增加過(guò)多。

2.5 片狀鰭與針狀散熱器對(duì)輻射的影響

目前各廠家散熱器的鰭葉形狀各異，因此，需要對(duì)鰭葉形狀進(jìn)行研究。圖6所示為片狀散熱器、針狀散熱器和片狀和針狀各一半的混合散熱器在0.1～6 GHz時(shí)的電磁輻射。

圖6 鰭葉形狀對(duì)輻射的影響

從圖6中可以看出，針狀散熱器較片狀散熱器在2 GHz以下時(shí)波動(dòng)較大，在4.6 GHz有一個(gè)較大的反射，總體上優(yōu)于片狀散熱器?；旌系纳崞鬏^針狀散熱器在0.1～6 GHz有明顯的降低。三種形狀散熱器產(chǎn)生的電磁輻射雖然有一定差別, 但區(qū)別不大，混合散熱器較優(yōu)。

2.6 接地點(diǎn)位置對(duì)輻射的影響

為研究不同的接地方式對(duì)散熱器電磁輻射的影響，本文對(duì)不同個(gè)數(shù)的接地點(diǎn)產(chǎn)生的電磁輻射進(jìn)行研究，圖7為不同接地方式的俯視圖，圖8為0、1、2和4個(gè)接地點(diǎn)對(duì)電磁輻射的影響結(jié)果。

圖7 接地方式

圖8 接地點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)輻射的影響

隨著接地點(diǎn)的增加，輻射的抑制效果也越來(lái)越好。當(dāng)接地點(diǎn)越接近耦合源時(shí)，耦合環(huán)路大小就會(huì)減小越明顯，使噪聲不再通過(guò)散熱器輻射至空間，趨向于從低阻抗的接地點(diǎn)流回地平面，從而實(shí)現(xiàn)減小電磁輻射的目的。

3 散熱器發(fā)射試驗(yàn)

對(duì)于仿真結(jié)果需要進(jìn)行驗(yàn)證，為更直觀地驗(yàn)證芯片散熱器的優(yōu)化效果，本文針對(duì)某電機(jī)中的芯片進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，如圖9所示。

圖9 電機(jī)電磁輻射試驗(yàn)臺(tái)

基于對(duì)散熱器輻射的仿真研究，對(duì)電機(jī)中的散熱器進(jìn)行改進(jìn)，完成輻射測(cè)試，優(yōu)化前后的測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10 測(cè)試結(jié)果對(duì)比

對(duì)比前后兩次的測(cè)試結(jié)果，優(yōu)化后的峰值和平均值確實(shí)較優(yōu)化前有所改善，尤其在1 GHz以上頻段電磁輻射大幅降低，證明了對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化確實(shí)能有效地降低電磁輻射。

4 結(jié)語(yǔ)

建立仿真模型，分析了幾種參數(shù)對(duì)電磁輻射的影響程度，比較了三種形狀的散熱器，在大部分頻段，長(zhǎng)方形散熱器的電磁輻射最高，圓形散熱器的電磁輻射最低。宜采用圓形散熱器，可以獲得更好的散熱效果和電磁兼容性。鰭葉方向?qū)﹄姶泡椛溆绊懖淮?。?dāng)鰭葉數(shù)量增加時(shí)，可以改善頻率在5 GHz附近的輻射。針狀散熱器較片狀散熱器更優(yōu)，但區(qū)別不大，混合散熱器較優(yōu)。隨著接地點(diǎn)的增加，輻射的抑制效果也越來(lái)越好。針對(duì)某電機(jī)進(jìn)行搭建測(cè)試試驗(yàn)，優(yōu)化后的峰值和平均值確實(shí)較優(yōu)化前有所改善，證明了對(duì)散熱器進(jìn)行優(yōu)化確實(shí)能有效地降低電磁輻射，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。