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陈家敏 / 上海机动车检测认证技术研究中心有限公司
随着芯片集成度与速率不断的提高，大量技术含量高、结构复杂的电器设备得到了应用，但产生的电磁骚扰也越发严重。对于高功率和高频率的芯片，一般会安装散热器。随着芯片功率的提高，导致时钟信号波长与散热器几何尺寸相比拟，当高频信号与散热器产生耦合，散热器作为辐射天线会增大芯片的辐射，产生的电磁干扰也越来越严重。同时，由于地平面与散热器之间寄生电容的存在，也会使散热器作为一个辐射天线对外进行骚扰，导致对应的产品无法满足标准要求。因此，需要对散热器的电磁辐射进行研究，以寻求对应的辐射抑制措施。
自20世纪90年代以来，国内外众多学者对散热器的电磁兼容问题进行了研究。1991年，Lee等学者提出了FDTD法分析散热器的电磁特性，表面散热器确实会增加辐射强度[1]。1994年，Brench等学者对不同的散热器激励源进行研究[2]。1999年，Ryan等学者对不同形状的散热器进行研究，同时指出在中间位置辐射最小[3]。2001年，IBM公司提出采用接地的方法降低电磁干扰[4]。2002年，李蓉等学者提出并不是接地点越多，电磁辐射抑制效果越明显[5]。2004年，A.Damiano等学者将散热器等效为电路结构进行研究[6]。
本文建立散热器的模型，从各个方面对比分析散热器的电磁辐射特性，抑制电磁骚扰，同时搭建电磁辐射试验装置，对比优化前后的芯片散热器对电机的影响，直观验证散热器优化的影响。
本文主要以铝制散热器为研究对象，如图1所示，散热器的具体参数为底座高度b=6 mm，长度为L且平行于X轴放置，鳍叶高度设为a=30 mm，厚度为d=1.2 mm，个数为N=9。
图1 散热器模型
散热器的激励电压依赖其表面积累的电荷量Q，地板与散热器之间的电压和电容分别为U和C。
利用散热器的时变电流可以对辐射进行研究，散热器类比于有限导体上的单极子天线，当其波长远大于短偶极天线长度L且距离r远大于短偶极天线长度L，此时短偶极天线的电场辐射近似为[7]
式中：I——偶极天线上的激励电流；
Z——波阻抗 ；
k——传播常数
对于两个叠加的短偶极天线的电场辐射为
由式（3）可知，影响电磁发射的因素除了各相关材料的理化参数，即结构尺寸参数等。因此，形成磁场与作用场的各结构参数的匹配和优化设计是研制散热器成功的关键。由于散热器结构较为复杂，不能简单等效于两根平行导线最大发射公式，只能定性分析，需要结合数值法和试验进行验证。
2.1 散热器形状优化
保持散热器面积不变，选择三个不同形状的散热器进行研究，利用ANSYS进行仿真计算，如图2所示为长方形、正方形和圆形散热器对电磁辐射的影响。
图2 散热器形状对辐射的影响
从图2中可以明显看出，在大部分频段，长方形散热器的电磁辐射最高，圆形散热器的电磁辐射最低。不过从散热的角度看，圆形或正方形制成的散热器较为理想，可以有效散热。因此，宜采用圆形散热器，可以获得更好的散热效果和电磁兼容性。
2.2 鳍叶方向对辐射的影响
保持其他参数不变，改变鳍叶方向，与原方向垂直放置，得到的辐射结果如图3所示。
图3 鳍叶方向对辐射的影响
由图3可知，在改变方向后，仅对1.5 GHz之前和5 GHz之后的频率较原方案有所改善，影响较小。
2.3 鳍叶数量对辐射的影响
为研究鳍叶数量对电磁辐射的影响，分别对5、9和13个鳍叶进行研究，如图4所示。
图4 鳍叶数目对辐射的影响
当散热器的总体结构不变时，散热器的鳍叶数量变化即鳍间距的变化，采取不同的鳍叶数量对辐射进行研究，从仿真结果可以看出当鳍叶数量增加时，可以改善频率在5 GHz附近的辐射。
2.4 鳍叶高度对辐射的影响
鳍叶高度在一定程度上也会影响电磁辐射，因此，针对20 mm、30 mm、40 mm高度的鳍叶进行辐射骚扰研究，如图5所示，即不同鳍叶高度对电磁辐射的影响。
图5 鳍叶高度对辐射的影响
改变鳍叶高度，得到当鳍叶高度为20 mm时，总体上辐射较原来的有所改善。随着高度的增加，辐射也会增加，同时也带来了质量的增加，但高度过低也会影响散热效能，因此，散热器的鳍叶的高度不宜增加过多。
2.5 片状鳍与针状散热器对辐射的影响
目前各厂家散热器的鳍叶形状各异，因此，需要对鳍叶形状进行研究。图6所示为片状散热器、针状散热器和片状和针状各一半的混合散热器在0.1～6 GHz时的电磁辐射。
图6 鳍叶形状对辐射的影响
从图6中可以看出，针状散热器较片状散热器在2 GHz以下时波动较大，在4.6 GHz有一个较大的反射，总体上优于片状散热器。混合的散热器较针状散热器在0.1～6 GHz有明显的降低。三种形状散热器产生的电磁辐射虽然有一定差别, 但区别不大，混合散热器较优。
2.6 接地点位置对辐射的影响
为研究不同的接地方式对散热器电磁辐射的影响，本文对不同个数的接地点产生的电磁辐射进行研究，图7为不同接地方式的俯视图，图8为0、1、2和4个接地点对电磁辐射的影响结果。
图7 接地方式
图8 接地点个数对辐射的影响
随着接地点的增加，辐射的抑制效果也越来越好。当接地点越接近耦合源时，耦合环路大小就会减小越明显，使噪声不再通过散热器辐射至空间，趋向于从低阻抗的接地点流回地平面，从而实现减小电磁辐射的目的。
对于仿真结果需要进行验证，为更直观地验证芯片散热器的优化效果，本文针对某电机中的芯片进行测试试验，如图9所示。
图9 电机电磁辐射试验台
基于对散热器辐射的仿真研究，对电机中的散热器进行改进，完成辐射测试，优化前后的测试结果如图10所示。
图10 测试结果对比
对比前后两次的测试结果，优化后的峰值和平均值确实较优化前有所改善，尤其在1 GHz以上频段电磁辐射大幅降低，证明了对散热器进行优化确实能有效地降低电磁辐射。
建立仿真模型，分析了几种参数对电磁辐射的影响程度，比较了三种形状的散热器，在大部分频段，长方形散热器的电磁辐射最高，圆形散热器的电磁辐射最低。宜采用圆形散热器，可以获得更好的散热效果和电磁兼容性。鳍叶方向对电磁辐射影响不大。当鳍叶数量增加时，可以改善频率在5 GHz附近的辐射。针状散热器较片状散热器更优，但区别不大，混合散热器较优。随着接地点的增加，辐射的抑制效果也越来越好。针对某电机进行搭建测试试验，优化后的峰值和平均值确实较优化前有所改善，证明了对散热器进行优化确实能有效地降低电磁辐射，为优化设计提供依据。
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