電磁兼容(EMC)與熱設計的矛盾(以PC機為例)
David P. Johns, Alexandra Francois-Saint-Cyr and Fred German, Flomerics, Inc.
簡介
在高速數字電子系統中，電磁兼容與熱設計的矛盾已十分突出。快速的數字轉換擴大了信號帶寬的范圍，使得電磁泄漏增加。越來越密的元件不僅增加了功耗，還產生了更多的電磁場輻射和熱量。
圖1：兩個不同數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,圖中紅線所示，時鐘頻率為20MHz，上升沿下降沿時間為1nS。脈沖B,圖中藍線所示，時鐘頻率為40MHz,上升沿下降沿時間為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會消耗更多的功率。Higher-density IC components are consuming greater power with increased current levels.
電流增加就會產生更多的電磁場，電流散失產生更多的熱量。這一問題目前仍然存在。工業上的趨勢是增加數據傳輸速率，將盡可能多的晶體管壓縮成更小的封裝。這將是未來對工程師的更大挑戰。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.
電子設備必須符合聯邦通訊委員會規定的輻射要求。要減少輻射源需要細致的布局布線。但想在板級消除所有的電磁場是不可能的。造成電磁散失的主要是電纜。如果將電路板密閉，就會帶來設計上的矛盾：熱設計需要通道使空氣流通，而電磁兼容需要一個密閉的環境以防止電磁泄漏。如果頻率很高，波長就會與通道口徑的尺寸接近，這樣會產生回波加劇電磁兼容的問題。
圖1 在熱效應與電磁效應中所表現出的氣孔孔徑特性
圖1描述了氣流的失諧(對高紊流)和電磁波經通風孔的泄漏。即便流通區域的比率很小，不到30%，也會對壓降產生很大的影響。增加流通區域的比率就會增加通過板面的電磁散失，對于給定的流通區域，最好是用較多的小口徑孔來代替較少的大口徑孔。
將熱與電磁集成起來建模可使設計方面的矛盾很快就一目了然。本文就用這種方法對Intel Pentium-100PC機進行分析。這種計算機已投放市場很久了，既滿足熱設計方面的限制又符合FCC的規定。 與現在的標準相比，P100型機的速度和功耗都相對較低。但是，我們假設要對這種機型的處理器進行升級。這就引起了疑問：是否以前在電磁與熱方面的設計已對升級留有余地而不需要改變現有結構呢？
基本模型
我們在實驗室對這種計算機的電磁輻射情況和溫度情況進行測試。
熱模型
使用商業CFD軟件定義模型。定義足夠多的適合測試環境的邊界條件。圖2是機箱內部示意圖。底盤是鋼質結構，尺寸為431.8mmx 406.4mm x 152.4mm。主板上可安插各種板卡，如調制解調器，操縱桿和網卡。在測試過程中這些板卡不工作也沒有功耗，但可以傳導熱量。假設板圖功耗約2瓦。這一模型所描述的是由連接器和RAM存儲器造成的阻礙情況。
圖2 奔騰型PC機的內部描述
用兩組PQFP作為一套芯片，每組功耗1瓦。這種PQFP的DELPHI簡化模型可提供等效的熱阻。DELPHI簡化模型的一個突出的優點是它能保持邊界條件的獨立性。
處理器是一個下部有孔的CPGA封裝。我們為處理器建立詳細模型。在實驗過程中， 由于PC機進行高強度運算，因此功耗最多預計可達10瓦。其他器件的總功耗為20瓦。這是這種類型電路板的典型功耗。其余部分如軟驅，CD ROM和硬盤會阻礙氣流，但沒有功耗。電源由軸向風扇冷卻，空氣從底盤排出。另一軸向風扇面向齒狀散熱器，使空氣流過主板。實驗過程中，環境溫度為24.5攝氏度。
EMC模型
EMC模型的機械功能與熱模型相同。另外還包括電磁性能和導線/孔徑等因素。導線通過機箱的前部與塑料面板的復位開關相連，將面板與機箱用螺絲固定在一起，面板后面的金屬罩就會緊貼住機箱，這樣在復位線周圍就形成了電磁屏蔽。
對這一系統進行周密的建模和測試，使其可以驗證前面板傳導及輻射兩方面的性能。內置通風孔半徑2mm，厚度為1mm。PC機的機箱后邊沿向尾部折進1cm，用螺絲將四角及中部與后底盤固定，這就形成了兩條17cm長的狹縫。沿縫處沒有電接觸。另外還有14個PCI狹縫，每條長9.8cm，縫寬0.5mm。
用近場磁針來探測主板上電磁感應強度最強的位置。令人驚訝的是磁場集中在IC電路周圍，連線軌跡周圍的磁場幾乎不存在。軌跡場被它們在接地板上的映像逐漸消除，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線上。頻譜連續，因此寬帶輻射可以很簡單的從單一的計算推出。
基本熱模型測試結果
將一個熱電偶連在散熱器基座的上表面上以測量其溫度。測得的實際溫度為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晶片上的結溫為59攝氏度低于設計所限定的溫度85攝氏度。
圖3 散熱器的表面溫度
基本EMC模型測試結果
對機箱內部和外部3米處的電磁場進行取樣。PC機周圍的輻射電場如圖4所示。輻射峰值在頻率為133，390，825和900 兆赫的點上。頻譜顯示出的PC機的寬帶響應是連續的。但實際上PC機產生的輻射頻率源自時鐘頻率及其諧波，頻譜是離散的。Intel開發者指南為奔騰型處理器提供了電方面的數據。定義P100型機的時鐘頻率為33兆赫，上升沿及下降沿延遲時間分別為0.15ns和1.5ns。
圖4 脈沖頻譜以及相應的數字頻譜
在圖4中,模擬時寬帶頻譜被時鐘頻譜加倍。將試驗結果與在無回波響應腔中取得的測試數據進行對比。盡管復位線沒有采取屏蔽措施，輻射仍在FCC的B類限制范圍之內（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有電接觸，因此模擬時輻射可能擴大到700兆赫以上。
電磁模型的建立使其表面電流和場變得很直觀。這對于判定輻射峰值為何會出現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分布圖
EMC模擬在系統周圍提供了一個半徑為3米的柱狀掃描區域。這是仿照FCC EMC測試標準設計的。圖6中的掃描區域顯示了高速的極化輻射。狹縫是產生這一輻射的根源。
圖6 825兆赫頻率下，PC機周圍的柱狀掃描模擬圖
假設的升級
用一種新型的時鐘頻率為原來兩倍的IC代替P100型處理器，脈沖的上升下降時間是原來的一半，功耗是原來的兩倍。
在熱方面，由于設備的操作功率為20瓦我們要考慮結合處的升溫情況。芯片組的驅動功率也相應的提高到每片兩瓦。試驗結果如圖7所示，結溫升至81攝氏度，很接近最高限制溫度（85攝氏度）了。我們發現芯片組也有類似的效應，它的結溫已達到臨界溫度100攝氏度。EMC仿真結果如圖8所示，輻射已明顯增加，最顯著的高達700兆赫，場強目前超過65dBuV/m。
圖7 升級系統的溫度剖面圖
圖8 基本模型和升級系統的輻射模擬圖
現有的設計已不能滿足熱方面及EMC方面的需要。熱設計可以通過使用新型的有更大表面積的散熱器來得到改進，但價格較高并且會加劇電磁方面問題的惡化。散熱器會產生潛在的天線效應，共振頻率依其物理尺寸而定。我們可以增加內置通風孔的流通面比率，但這將使電磁輻射更加惡化。
為了改善EMC設計，我們在狹縫處使用隔離電磁干擾的墊片并將鐵氧體或旁路電容過濾器應用于復位導線。這不利于熱設計。也許我們可以在處理器和芯片組上放置一個電磁屏蔽罩，但這很顯然會對熱性能產生影響。不過，也許我們可以在這個屏蔽罩的頂部或側面開孔使空氣可以通過這些孔來流通（如圖9所示）。這種想法值得試一試。
9 對處理器和芯片組應用電磁屏蔽的模擬圖
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表1 升級后以及加電磁屏蔽后的熱模擬結果
表1的數字結果顯示芯片組的結溫略有增加，超出了設計的臨界溫度。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。而芯片卻因沒有與屏蔽罩接觸而不能借助這些通路進行散熱。用一塊鍍鎳層的銅片來構成傳導路徑的想法很有趣，我們可以看看這是否可以改善散熱性能。關閉在芯片正上方的電磁屏蔽罩上的開孔。令人吃驚，表1中的數據結果顯示的芯片結溫變得更高！處理器的熱量擴散到屏蔽罩中使芯片更熱。而且，電磁屏蔽罩周圍及上方的空氣對流也不充分。
圖10 是電磁模擬結果，它在很大程度上減少了輻射。這一模型假設電磁屏蔽罩的側面與主板的接地面之間有連續的電接觸。這是所謂“最好的情況”。可以通過改進這種模型以檢測非連續接地的情況并可確定最佳接處點。
圖10 對處理器和芯片組屏蔽后的輻射
EMC設計有很大的冗余量，要求可以放寬，這就為熱設計工程師提供了更多的設計空間。也許在電磁屏蔽罩上可以放置一個效率更高的散熱器使熱設計達到標準。由于散熱片是通過電磁屏蔽罩接地的，或許我們可以避免發生電磁共振。這就留給讀者來思索吧。
結論
本文敘述了當今電子設計的一個典型的矛盾，即熱設計與EMC設計的矛盾。我們驗證了一臺奔騰型PC機的電磁輻射情況及它的熱性能。通過假設對這臺PC機的升級，我們看到EMC與熱設計是多麼的富有挑戰性。對熱與EMC進行集成建模可以幫助工程師更快地找出設計方案，最終減少設備過熱和驗證失敗的風險。
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