电磁兼容(EMC)与热设计的矛盾(以PC机为例)
David P. Johns, Alexandra Francois-Saint-Cyr and Fred German, Flomerics, Inc.
简介
在高速数字电子系统中，电磁兼容与热设计的矛盾已十分突出。快速的数字转换扩大了信号带宽的范围，使得电磁泄漏增加。越来越密的元件不仅增加了功耗，还产生了更多的电磁场辐射和热量。
图1：两个不同数字脉冲的波形和频谱图Figure 1: Waveforms and Spectral Plots of 2 Different Digital Pulses
在上图中，我们比较了两个脉冲序列的波形和频谱图。In the figure above, we compare the time waveforms and spectral content of two pulse trains.
脉冲A,图中红线所示，时钟频率为20MHz，上升沿下降沿时间为1nS。脉冲B,图中蓝线所示，时钟频率为40MHz,上升沿下降沿时间为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. 脉冲A,B使用相同的电平，0~3.3伏。Pulses A and B use the same voltage levels, swinging
between 0 and 3.3V. 脉冲B的功耗是脉冲A的两倍（电流较高）。Pulse B also consumes twice the power of Pulse A (the current is higher).
频谱图显示脉冲B的频谱有明显的高频增量。The spectral plot shows Pulse B has significantly increased high-frequency content.
较高密度的IC元件随着电流的增强会消耗更多的功率。Higher-density IC components are consuming greater power with increased current levels.
电流增加就会产生更多的电磁场，电流散失产生更多的热量。这一问题目前仍然存在。工业上的趋势是增加数据传输速率，将尽可能多的晶体管压缩成更小的封装。这将是未来对工程师的更大挑战。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.
电子设备必须符合联邦通讯委员会规定的辐射要求。要减少辐射源需要细致的布局布线。但想在板级消除所有的电磁场是不可能的。造成电磁散失的主要是电缆。如果将电路板密闭，就会带来设计上的矛盾：热设计需要通道使空气流通，而电磁兼容需要一个密闭的环境以防止电磁泄漏。如果频率很高，波长就会与通道口径的尺寸接近，这样会产生回波加剧电磁兼容的问题。
图1 在热效应与电磁效应中所表现出的气孔孔径特性
图1描述了气流的失谐(对高紊流)和电磁波经通风孔的泄漏。即便流通区域的比率很小，不到30%，也会对压降产生很大的影响。增加流通区域的比率就会增加通过板面的电磁散失，对于给定的流通区域，最好是用较多的小口径孔来代替较少的大口径孔。
将热与电磁集成起来建模可使设计方面的矛盾很快就一目了然。本文就用这种方法对Intel Pentium-100PC机进行分析。这种计算机已投放市场很久了，既满足热设计方面的限制又符合FCC的规定。 与现在的标准相比，P100型机的速度和功耗都相对较低。但是，我们假设要对这种机型的处理器进行升级。这就引起了疑问：是否以前在电磁与热方面的设计已对升级留有余地而不需要改变现有结构呢？
基本模型
我们在实验室对这种计算机的电磁辐射情况和温度情况进行测试。
热模型
使用商业CFD软件定义模型。定义足够多的适合测试环境的边界条件。图2是机箱内部示意图。底盘是钢质结构，尺寸为431.8mmx 406.4mm x 152.4mm。主板上可安插各种板卡，如调制解调器，操纵杆和网卡。在测试过程中这些板卡不工作也没有功耗，但可以传导热量。假设板图功耗约2瓦。这一模型所描述的是由连接器和RAM存储器造成的阻碍情况。
图2 奔腾型PC机的内部描述
用两组PQFP作为一套芯片，每组功耗1瓦。这种PQFP的DELPHI简化模型可提供等效的热阻。DELPHI简化模型的一个突出的优点是它能保持边界条件的独立性。
处理器是一个下部有孔的CPGA封装。我们为处理器建立详细模型。在实验过程中， 由于PC机进行高强度运算，因此功耗最多预计可达10瓦。其他器件的总功耗为20瓦。这是这种类型电路板的典型功耗。其余部分如软驱，CD ROM和硬盘会阻碍气流，但没有功耗。电源由轴向风扇冷却，空气从底盘排出。另一轴向风扇面向齿状散热器，使空气流过主板。实验过程中，环境温度为24.5摄氏度。
EMC模型
EMC模型的机械功能与热模型相同。另外还包括电磁性能和导线/孔径等因素。导线通过机箱的前部与塑料面板的复位开关相连，将面板与机箱用螺丝固定在一起，面板后面的金属罩就会紧贴住机箱，这样在复位线周围就形成了电磁屏蔽。
对这一系统进行周密的建模和测试，使其可以验证前面板传导及辐射两方面的性能。内置通风孔半径2mm，厚度为1mm。PC机的机箱后边沿向尾部折进1cm，用螺丝将四角及中部与后底盘固定，这就形成了两条17cm长的狭缝。沿缝处没有电接触。另外还有14个PCI狭缝，每条长9.8cm，缝宽0.5mm。
用近场磁针来探测主板上电磁感应强度最强的位置。令人惊讶的是磁场集中在IC电路周围，连线轨迹周围的磁场几乎不存在。轨迹场被它们在接地板上的映像逐渐消除，IC管脚的映像是附加的。在电磁模型中，电压脉冲加在IC电路与接地板之间的短导线上。频谱连续，因此宽带辐射可以很简单的从单一的计算推出。
基本热模型测试结果
将一个热电偶连在散热器基座的上表面上以测量其温度。测得的实际温度为51.7摄氏度，基本模拟温度为53摄氏度。仿真散热器的表面温度分布如图3所示。CBGA晶片上的结温为59摄氏度低于设计所限定的温度85摄氏度。
图3 散热器的表面温度
基本EMC模型测试结果
对机箱内部和外部3米处的电磁场进行取样。PC机周围的辐射电场如图4所示。辐射峰值在频率为133，390，825和900 兆赫的点上。频谱显示出的PC机的宽带响应是连续的。但实际上PC机产生的辐射频率源自时钟频率及其谐波，频谱是离散的。Intel开发者指南为奔腾型处理器提供了电方面的数据。定义P100型机的时钟频率为33兆赫，上升沿及下降沿延迟时间分别为0.15ns和1.5ns。
图4 脉冲频谱以及相应的数字频谱
在图4中,模拟时宽带频谱被时钟频谱加倍。将试验结果与在无回波响应腔中取得的测试数据进行对比。尽管复位线没有采取屏蔽措施，辐射仍在FCC的B类限制范围之内（由216兆赫至960兆赫的允许最多衰减量为46dBuV/m）。由于在模型中沿缝处没有电接触，因此模拟时辐射可能扩大到700兆赫以上。
电磁模型的建立使其表面电流和场变得很直观。这对于判定辐射峰值为何会出现在某些频率上是非常重要的，如图5所示。
图5 133兆赫和825兆赫频率的电流及电场分布图
EMC模拟在系统周围提供了一个半径为3米的柱状扫描区域。这是仿照FCC EMC测试标准设计的。图6中的扫描区域显示了高速的极化辐射。狭缝是产生这一辐射的根源。
图6 825兆赫频率下，PC机周围的柱状扫描模拟图
假设的升级
用一种新型的时钟频率为原来两倍的IC代替P100型处理器，脉冲的上升下降时间是原来的一半，功耗是原来的两倍。
在热方面，由于设备的操作功率为20瓦我们要考虑结合处的升温情况。芯片组的驱动功率也相应的提高到每片两瓦。试验结果如图7所示，结温升至81摄氏度，很接近最高限制温度（85摄氏度）了。我们发现芯片组也有类似的效应，它的结温已达到临界温度100摄氏度。EMC仿真结果如图8所示，辐射已明显增加，最显著的高达700兆赫，场强目前超过65dBuV/m。
图7 升级系统的温度剖面图
图8 基本模型和升级系统的辐射模拟图
现有的设计已不能满足热方面及EMC方面的需要。热设计可以通过使用新型的有更大表面积的散热器来得到改进，但价格较高并且会加剧电磁方面问题的恶化。散热器会产生潜在的天线效应，共振频率依其物理尺寸而定。我们可以增加内置通风孔的流通面比率，但这将使电磁辐射更加恶化。
为了改善EMC设计，我们在狭缝处使用隔离电磁干扰的垫片并将铁氧体或旁路电容过滤器应用于复位导线。这不利于热设计。也许我们可以在处理器和芯片组上放置一个电磁屏蔽罩，但这很显然会对热性能产生影响。不过，也许我们可以在这个屏蔽罩的顶部或侧面开孔使空气可以通过这些孔来流通（如图9所示）。这种想法值得试一试。
9 对处理器和芯片组应用电磁屏蔽的模拟图
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表1 升级后以及加电磁屏蔽后的热模拟结果
表1的数字结果显示芯片组的结温略有增加，超出了设计的临界温度。另一方面，处理器的温度已有所下降，这主要由于有孔的电磁屏蔽罩为处理器和散热片之间提供了更多的通路。而芯片却因没有与屏蔽罩接触而不能借助这些通路进行散热。用一块镀镍层的铜片来构成传导路径的想法很有趣，我们可以看看这是否可以改善散热性能。关闭在芯片正上方的电磁屏蔽罩上的开孔。令人吃惊，表1中的数据结果显示的芯片结温变得更高！处理器的热量扩散到屏蔽罩中使芯片更热。而且，电磁屏蔽罩周围及上方的空气对流也不充分。
图10 是电磁模拟结果，它在很大程度上减少了辐射。这一模型假设电磁屏蔽罩的侧面与主板的接地面之间有连续的电接触。这是所谓“最好的情况”。可以通过改进这种模型以检测非连续接地的情况并可确定最佳接处点。
图10 对处理器和芯片组屏蔽后的辐射
EMC设计有很大的冗余量，要求可以放宽，这就为热设计工程师提供了更多的设计空间。也许在电磁屏蔽罩上可以放置一个效率更高的散热器使热设计达到标准。由于散热片是通过电磁屏蔽罩接地的，或许我们可以避免发生电磁共振。这就留给读者来思索吧。
结论
本文叙述了当今电子设计的一个典型的矛盾，即热设计与EMC设计的矛盾。我们验证了一台奔腾型PC机的电磁辐射情况及它的热性能。通过假设对这台PC机的升级，我们看到EMC与热设计是多麽的富有挑战性。对热与EMC进行集成建模可以帮助工程师更快地找出设计方案，最终减少设备过热和验证失败的风险。
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