電磁兼容(EMC)與熱設(shè)計(jì)的矛盾(以PC機(jī)為例)
David P. Johns, Alexandra Francois-Saint-Cyr and Fred German, Flomerics, Inc.
簡(jiǎn)介
在高速數(shù)字電子系統(tǒng)中，電磁兼容與熱設(shè)計(jì)的矛盾已十分突出?？焖俚臄?shù)字轉(zhuǎn)換擴(kuò)大了信號(hào)帶寬的范圍，使得電磁泄漏增加。越來(lái)越密的元件不僅增加了功耗，還產(chǎn)生了更多的電磁場(chǎng)輻射和熱量。
圖1：兩個(gè)不同數(shù)字脈沖的波形和頻譜圖Figure 1: Waveforms and Spectral Plots of 2 Different Digital Pulses
在上圖中，我們比較了兩個(gè)脈沖序列的波形和頻譜圖。In the figure above, we compare the time waveforms and spectral content of two pulse trains.
脈沖A,圖中紅線(xiàn)所示，時(shí)鐘頻率為20MHz，上升沿下降沿時(shí)間為1nS。脈沖B,圖中藍(lán)線(xiàn)所示，時(shí)鐘頻率為40MHz,上升沿下降沿時(shí)間為0.5nS。Pulse A, the red trace, has a 20MHz clock and 1nS rise/fall time. Pulse B, the blue trace, has a
40 MHz clock and a 0.5nS rise/fall time. 脈沖A,B使用相同的電平，0~3.3伏。Pulses A and B use the same voltage levels, swinging
between 0 and 3.3V. 脈沖B的功耗是脈沖A的兩倍（電流較高）。Pulse B also consumes twice the power of Pulse A (the current is higher).
頻譜圖顯示脈沖B的頻譜有明顯的高頻增量。The spectral plot shows Pulse B has significantly increased high-frequency content.
較高密度的IC元件隨著電流的增強(qiáng)會(huì)消耗更多的功率。Higher-density IC components are consuming greater power with increased current levels.
電流增加就會(huì)產(chǎn)生更多的電磁場(chǎng)，電流散失產(chǎn)生更多的熱量。這一問(wèn)題目前仍然存在。工業(yè)上的趨勢(shì)是增加數(shù)據(jù)傳輸速率，將盡可能多的晶體管壓縮成更小的封裝。這將是未來(lái)對(duì)工程師的更大挑戰(zhàn)。Increased currents are generating increased electromagnetic fields and dissipation of the currents
is generating greater heat. The problem is not going away. The trend in the industry is to increase
data rates and compact more transistors into smaller packages. This will present even greater
challenges to design Engineers in the future.
電子設(shè)備必須符合聯(lián)邦通訊委員會(huì)規(guī)定的輻射要求。要減少輻射源需要細(xì)致的布局布線(xiàn)。但想在板級(jí)消除所有的電磁場(chǎng)是不可能的。造成電磁散失的主要是電纜。如果將電路板密閉，就會(huì)帶來(lái)設(shè)計(jì)上的矛盾：熱設(shè)計(jì)需要通道使空氣流通，而電磁兼容需要一個(gè)密閉的環(huán)境以防止電磁泄漏。如果頻率很高，波長(zhǎng)就會(huì)與通道口徑的尺寸接近，這樣會(huì)產(chǎn)生回波加劇電磁兼容的問(wèn)題。
圖1 在熱效應(yīng)與電磁效應(yīng)中所表現(xiàn)出的氣孔孔徑特性
圖1描述了氣流的失諧(對(duì)高紊流)和電磁波經(jīng)通風(fēng)孔的泄漏。即便流通區(qū)域的比率很小，不到30%，也會(huì)對(duì)壓降產(chǎn)生很大的影響。增加流通區(qū)域的比率就會(huì)增加通過(guò)板面的電磁散失，對(duì)于給定的流通區(qū)域，最好是用較多的小口徑孔來(lái)代替較少的大口徑孔。
將熱與電磁集成起來(lái)建?？墒乖O(shè)計(jì)方面的矛盾很快就一目了然。本文就用這種方法對(duì)Intel Pentium-100PC機(jī)進(jìn)行分析。這種計(jì)算機(jī)已投放市場(chǎng)很久了，既滿(mǎn)足熱設(shè)計(jì)方面的限制又符合FCC的規(guī)定。 與現(xiàn)在的標(biāo)準(zhǔn)相比，P100型機(jī)的速度和功耗都相對(duì)較低。但是，我們假設(shè)要對(duì)這種機(jī)型的處理器進(jìn)行升級(jí)。這就引起了疑問(wèn)：是否以前在電磁與熱方面的設(shè)計(jì)已對(duì)升級(jí)留有余地而不需要改變現(xiàn)有結(jié)構(gòu)呢？
基本模型
我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室對(duì)這種計(jì)算機(jī)的電磁輻射情況和溫度情況進(jìn)行測(cè)試。
熱模型
使用商業(yè)CFD軟件定義模型。定義足夠多的適合測(cè)試環(huán)境的邊界條件。圖2是機(jī)箱內(nèi)部示意圖。底盤(pán)是鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)，尺寸為431.8mmx 406.4mm x 152.4mm。主板上可安插各種板卡，如調(diào)制解調(diào)器，操縱桿和網(wǎng)卡。在測(cè)試過(guò)程中這些板卡不工作也沒(méi)有功耗，但可以傳導(dǎo)熱量。假設(shè)板圖功耗約2瓦。這一模型所描述的是由連接器和RAM存儲(chǔ)器造成的阻礙情況。
圖2 奔騰型PC機(jī)的內(nèi)部描述
用兩組PQFP作為一套芯片，每組功耗1瓦。這種PQFP的DELPHI簡(jiǎn)化模型可提供等效的熱阻。DELPHI簡(jiǎn)化模型的一個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)是它能保持邊界條件的獨(dú)立性。
處理器是一個(gè)下部有孔的CPGA封裝。我們?yōu)樘幚砥鹘⒃敿?xì)模型。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中， 由于PC機(jī)進(jìn)行高強(qiáng)度運(yùn)算，因此功耗最多預(yù)計(jì)可達(dá)10瓦。其他器件的總功耗為20瓦。這是這種類(lèi)型電路板的典型功耗。其余部分如軟驅(qū)，CD ROM和硬盤(pán)會(huì)阻礙氣流，但沒(méi)有功耗。電源由軸向風(fēng)扇冷卻，空氣從底盤(pán)排出。另一軸向風(fēng)扇面向齒狀散熱器，使空氣流過(guò)主板。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，環(huán)境溫度為24.5攝氏度。
EMC模型
EMC模型的機(jī)械功能與熱模型相同。另外還包括電磁性能和導(dǎo)線(xiàn)/孔徑等因素。導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)機(jī)箱的前部與塑料面板的復(fù)位開(kāi)關(guān)相連，將面板與機(jī)箱用螺絲固定在一起，面板后面的金屬罩就會(huì)緊貼住機(jī)箱，這樣在復(fù)位線(xiàn)周?chē)托纬闪穗姶牌帘巍?/p>
對(duì)這一系統(tǒng)進(jìn)行周密的建模和測(cè)試，使其可以驗(yàn)證前面板傳導(dǎo)及輻射兩方面的性能。內(nèi)置通風(fēng)孔半徑2mm，厚度為1mm。PC機(jī)的機(jī)箱后邊沿向尾部折進(jìn)1cm，用螺絲將四角及中部與后底盤(pán)固定，這就形成了兩條17cm長(zhǎng)的狹縫。沿縫處沒(méi)有電接觸。另外還有14個(gè)PCI狹縫，每條長(zhǎng)9.8cm，縫寬0.5mm。
用近場(chǎng)磁針來(lái)探測(cè)主板上電磁感應(yīng)強(qiáng)度最強(qiáng)的位置。令人驚訝的是磁場(chǎng)集中在IC電路周?chē)?，連線(xiàn)軌跡周?chē)拇艌?chǎng)幾乎不存在。軌跡場(chǎng)被它們?cè)诮拥匕迳系挠诚裰饾u消除，IC管腳的映像是附加的。在電磁模型中，電壓脈沖加在IC電路與接地板之間的短導(dǎo)線(xiàn)上。頻譜連續(xù)，因此寬帶輻射可以很簡(jiǎn)單的從單一的計(jì)算推出。
基本熱模型測(cè)試結(jié)果
將一個(gè)熱電偶連在散熱器基座的上表面上以測(cè)量其溫度。測(cè)得的實(shí)際溫度為51.7攝氏度，基本模擬溫度為53攝氏度。仿真散熱器的表面溫度分布如圖3所示。CBGA晶片上的結(jié)溫為59攝氏度低于設(shè)計(jì)所限定的溫度85攝氏度。
圖3 散熱器的表面溫度
基本EMC模型測(cè)試結(jié)果
對(duì)機(jī)箱內(nèi)部和外部3米處的電磁場(chǎng)進(jìn)行取樣。PC機(jī)周?chē)妮椛潆妶?chǎng)如圖4所示。輻射峰值在頻率為133，390，825和900 兆赫的點(diǎn)上。頻譜顯示出的PC機(jī)的寬帶響應(yīng)是連續(xù)的。但實(shí)際上PC機(jī)產(chǎn)生的輻射頻率源自時(shí)鐘頻率及其諧波，頻譜是離散的。Intel開(kāi)發(fā)者指南為奔騰型處理器提供了電方面的數(shù)據(jù)。定義P100型機(jī)的時(shí)鐘頻率為33兆赫，上升沿及下降沿延遲時(shí)間分別為0.15ns和1.5ns。
圖4 脈沖頻譜以及相應(yīng)的數(shù)字頻譜
在圖4中,模擬時(shí)寬帶頻譜被時(shí)鐘頻譜加倍。將試驗(yàn)結(jié)果與在無(wú)回波響應(yīng)腔中取得的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。盡管復(fù)位線(xiàn)沒(méi)有采取屏蔽措施，輻射仍在FCC的B類(lèi)限制范圍之內(nèi)（由216兆赫至960兆赫的允許最多衰減量為46dBuV/m）。由于在模型中沿縫處沒(méi)有電接觸，因此模擬時(shí)輻射可能擴(kuò)大到700兆赫以上。
電磁模型的建立使其表面電流和場(chǎng)變得很直觀。這對(duì)于判定輻射峰值為何會(huì)出現(xiàn)在某些頻率上是非常重要的，如圖5所示。
圖5 133兆赫和825兆赫頻率的電流及電場(chǎng)分布圖
EMC模擬在系統(tǒng)周?chē)峁┝艘粋€(gè)半徑為3米的柱狀掃描區(qū)域。這是仿照FCC EMC測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的。圖6中的掃描區(qū)域顯示了高速的極化輻射。狹縫是產(chǎn)生這一輻射的根源。
圖6 825兆赫頻率下，PC機(jī)周?chē)闹鶢顠呙枘M圖
假設(shè)的升級(jí)
用一種新型的時(shí)鐘頻率為原來(lái)兩倍的IC代替P100型處理器，脈沖的上升下降時(shí)間是原來(lái)的一半，功耗是原來(lái)的兩倍。
在熱方面，由于設(shè)備的操作功率為20瓦我們要考慮結(jié)合處的升溫情況。芯片組的驅(qū)動(dòng)功率也相應(yīng)的提高到每片兩瓦。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，結(jié)溫升至81攝氏度，很接近最高限制溫度（85攝氏度）了。我們發(fā)現(xiàn)芯片組也有類(lèi)似的效應(yīng)，它的結(jié)溫已達(dá)到臨界溫度100攝氏度。EMC仿真結(jié)果如圖8所示，輻射已明顯增加，最顯著的高達(dá)700兆赫，場(chǎng)強(qiáng)目前超過(guò)65dBuV/m。
圖7 升級(jí)系統(tǒng)的溫度剖面圖
圖8 基本模型和升級(jí)系統(tǒng)的輻射模擬圖
現(xiàn)有的設(shè)計(jì)已不能滿(mǎn)足熱方面及EMC方面的需要。熱設(shè)計(jì)可以通過(guò)使用新型的有更大表面積的散熱器來(lái)得到改進(jìn)，但價(jià)格較高并且會(huì)加劇電磁方面問(wèn)題的惡化。散熱器會(huì)產(chǎn)生潛在的天線(xiàn)效應(yīng)，共振頻率依其物理尺寸而定。我們可以增加內(nèi)置通風(fēng)孔的流通面比率，但這將使電磁輻射更加惡化。
為了改善EMC設(shè)計(jì)，我們?cè)讵M縫處使用隔離電磁干擾的墊片并將鐵氧體或旁路電容過(guò)濾器應(yīng)用于復(fù)位導(dǎo)線(xiàn)。這不利于熱設(shè)計(jì)。也許我們可以在處理器和芯片組上放置一個(gè)電磁屏蔽罩，但這很顯然會(huì)對(duì)熱性能產(chǎn)生影響。不過(guò)，也許我們可以在這個(gè)屏蔽罩的頂部或側(cè)面開(kāi)孔使空氣可以通過(guò)這些孔來(lái)流通（如圖9所示）。這種想法值得試一試。
9 對(duì)處理器和芯片組應(yīng)用電磁屏蔽的模擬圖
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表1 升級(jí)后以及加電磁屏蔽后的熱模擬結(jié)果
表1的數(shù)字結(jié)果顯示芯片組的結(jié)溫略有增加，超出了設(shè)計(jì)的臨界溫度。另一方面，處理器的溫度已有所下降，這主要由于有孔的電磁屏蔽罩為處理器和散熱片之間提供了更多的通路。而芯片卻因沒(méi)有與屏蔽罩接觸而不能借助這些通路進(jìn)行散熱。用一塊鍍鎳層的銅片來(lái)構(gòu)成傳導(dǎo)路徑的想法很有趣，我們可以看看這是否可以改善散熱性能。關(guān)閉在芯片正上方的電磁屏蔽罩上的開(kāi)孔。令人吃驚，表1中的數(shù)據(jù)結(jié)果顯示的芯片結(jié)溫變得更高！處理器的熱量擴(kuò)散到屏蔽罩中使芯片更熱。而且，電磁屏蔽罩周?chē)吧戏降目諝鈱?duì)流也不充分。
圖10 是電磁模擬結(jié)果，它在很大程度上減少了輻射。這一模型假設(shè)電磁屏蔽罩的側(cè)面與主板的接地面之間有連續(xù)的電接觸。這是所謂“最好的情況”。可以通過(guò)改進(jìn)這種模型以檢測(cè)非連續(xù)接地的情況并可確定最佳接處點(diǎn)。
圖10 對(duì)處理器和芯片組屏蔽后的輻射
EMC設(shè)計(jì)有很大的冗余量，要求可以放寬，這就為熱設(shè)計(jì)工程師提供了更多的設(shè)計(jì)空間。也許在電磁屏蔽罩上可以放置一個(gè)效率更高的散熱器使熱設(shè)計(jì)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。由于散熱片是通過(guò)電磁屏蔽罩接地的，或許我們可以避免發(fā)生電磁共振。這就留給讀者來(lái)思索吧。
結(jié)論
本文敘述了當(dāng)今電子設(shè)計(jì)的一個(gè)典型的矛盾，即熱設(shè)計(jì)與EMC設(shè)計(jì)的矛盾。我們驗(yàn)證了一臺(tái)奔騰型PC機(jī)的電磁輻射情況及它的熱性能。通過(guò)假設(shè)對(duì)這臺(tái)PC機(jī)的升級(jí)，我們看到EMC與熱設(shè)計(jì)是多麼的富有挑戰(zhàn)性。對(duì)熱與EMC進(jìn)行集成建?？梢詭椭こ處煾斓卣页鲈O(shè)計(jì)方案，最終減少設(shè)備過(guò)熱和驗(yàn)證失敗的風(fēng)險(xiǎn)。
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