CPU散热器的电磁辐射影响分析

2011-06-11 22:59:30来源: 互联网

本文详细研究了散热器的底面尺寸长宽比、鳍的取向及高度对第一谐振频率(文中分析的均为第一谐振频率,以下简称谐振频率),及谐振频率点处电场增益及辐射方向的影响。通过研究,找出一般规律,为散热器的设计及选取提供依据。

  1 数值模型建立

  在EMC标准问题的研究中,CPU散热器问题是电磁兼容的主要问题之一。对于传统CPU散热器的建模,通常把散热器分解成3个部分:接地面、激励源和散热器。从实际集成电路的电磁特性来看,可以将CPU核的电磁特性模拟为一个导体贴片。Brench认为可以将散热器模拟为一个固体块以简化计算。Das和Roy通过实验结果得出结论,可以用单极子天线模拟激励源。

  与传统的处理器相比,P4处理器的结构和封装有所不同:在集成芯片的顶部集成了一个散热片,并且和芯片的封装绝缘。因此,P4处理器与传统处理器的散热器数值模型有所不同,在文献中,将两种模型进行了对比,文献已经提出了一个简易多层结构数值模型。本文在P4多层简易数值模型的基础上,建立更加真实的鳍状散热器,如图1和图2所示。图2中由下向上,依次为接地板(Ground)、贴片(Patch)、介质(Substrate)、集成散热片(IHS)、散热器(HS)。在此模型基础上,详细分析了以下两点:(1)散热器底面长宽比的变化对谐振频点、谐振频率处电场增益及辐射方向的影响;(2)鳍的取向及高度变化对谐振频率、谐振频率处电场增益和辐射方向的影响。图1和图2中各部分的材料如表l所示。

  


  

  

  2 仿真分析

  首先,将散热器看作一个固体块,采用标准尺寸88.9 mm×63.5 mm×38.1 mm,建立模型,对频率1~6 GHz进行扫频,得出反射系数,如图3所示。对比图3与文献中图4的结果可以看出,在第一谐振点基本一致,在低频处仿真结果更加准确。

  

  2.1 散热器底面的长宽比对谐振频率、电场增益及辐射方向的影响

  将散热器底面的长边及高度固定,变化宽边,观察谐振频率的变化和谐振频率处电场增益、辐射方向的变化。设定散热器长边为88.9 mm,高度为38.1 mm,宽边从40 mm变化到95 mm,每增加5 mm计算一次,即底面长宽比由0.93变化到2.22,得到电场增益及谐振频率随底面长宽比的变化图,如图4所示。

  

电场增益及谐振频率随底面长宽比的变化图

  从图4中看出,(1)当长宽比>1.25时,谐振频率变化并不明显,保持在2.6~2.65 GHz。当长宽比减小时,谐振点将明显向低频偏移,例如,长宽比约为0.93时,谐振点已降到2.4 GHz。这是因为,当宽边<长边时,长边是优势尺寸,它决定了散热器谐振频率。当长边为88.9 mm时,它的谐振点在2.65 GHz左右,当宽边>88.9 mm后,此时宽边变为长边,成为优势尺寸,优势尺寸的变化主要影响了谐振点的变化。另外,在长宽比>1.65时,谐振频率有轻微下移;(2)当长宽比>1.3时,电场增益保持在8 dB以上,这个增益大于大多数无线通信系统中便携式器件的天线增益,散热器表现出天线效应。长宽比为1左右时,电场增益下降1 dB以上。另外,电场增益与谐振频率变化趋势基本一致。

  图5给出了3个不同宽边尺寸时,CPU散热器电场增益二维辐射图(3=0),可以看出,辐射方向在θ=30左右。图6(a)~图6(c)给出了随宽边尺寸的增加,CPU散热器3维辐射图的变化。图6(a)是宽边为40 mm时的辐射图;图6(b)是宽边为60 mm时的辐射图;图6(c)是宽边等于长边为88.9 mm时的辐射图。由图6(a)到图6(c)的变化,可以看出随着宽边尺寸的增加,辐射方向由xz面的两个辐射方向渐渐变化为xz面和yz面4个辐射方向,这是因为长边对谐振点是优势尺寸,它主要影响了在谐振点处散热器的辐射方向特性。当宽边小于长边时,长边决定辐射特性,此时有两个辐射方向,如图6(a)和图6(b)所示;当宽边接近长边时,宽边将和长边一起决定辐射特性,此时出现4个辐射方向,如图6(c)所示。

  

3个不同宽边尺寸时

  

谐振频率点处电场三维辐射图

  2.2 散热器的鳍取向及高度对谐振频率、电场增益及辐射方向影响

  这里,采用散热器的底面长宽为88.9 mm×63.5 mm。鳍厚度为2 mm,鳍间隔2 mm,散热器底部的高为5 mm。

  2.2.1 横向鳍的影响

  横向鳍,即鳍走向沿着x轴,以z轴对称两边各8个。当鳍的高度在0~60 mm时,间隔5 mm,进行仿真分析,得到谐振频率及此频率处电场的增益随鳍高度的变化曲线,如图7所示。从图7可以看出,鳍高度在0~60 mm变化时,谐振频率在2.5~2.65 GHz。随着鳍高度的增加,电场增益增大,当鳍高过20 mm后,电场辐射增益基本保持在8 dB左右。

  

谐振频率及此频率处电场的增益随鳍高度的变化曲线

  分别取鳍高为O mm,35 mm和55 mm时,由散热器的电场增益2D图看到,随着横向鳍高度的增加,在散热器底部产生了明显的辐射,并且其辐射方向随鳍高度的增加也在变化,如图8所示,但对其两个主要辐射方向影响不大。

  

辐射方向随鳍高度的增加也在变化

  2.2.2 纵向鳍的影响

  纵向鳍,即鳍走向沿着y轴,以z轴对称两边各11个,鳍高度为0~50 mm变化,间隔5 mm进行仿真分析,得出第一谐振频率及此频率时电场增益随鳍高度的变化曲线,如图9所示。从图9中可以看出。纵向鳍的变化对谐振频率的影响较大,而且比较复杂,尤其是在鳍的高度<20 mm时,随着鳍高度的增加,第一谐振频率有350 MHz的漂移,在鳍高为20 mm时,出现了多个不同的谐振点。当鳍的高度>20 mm时,谐振频率基本保持在2.65~2.7 GHz。同时也观察到纵向鳍高度的变化对电场增益影响不大,其保持在8.0 dB,偏差0.4 dB左右。20 mm是个特殊点,此时仿真中出现3个接近的谐振点,只观察了谐振最强的2.7 GHz,所以得出较小的电场增益。

  

第一谐振频率及此频率时电场增益随鳍高度的变化曲线

  分别取鳍高为0 mm,33.1 mm,50 mln时,由散热器的电场增益2D图看到,随着纵向鳍高度的增加,在散热器底部产生了明显的辐射,并且其辐射方向随鳍高度的增加也在变化,但对其两个主要辐射方向影响不大,如图10所示。

  

辐射方向随鳍高度的增加变化

  由纵向鳍和横向鳍的仿真分析可以看出,总体上纵向鳍与横向鳍表现出几乎一致的效应,也就是说鳍的取向对散热器的辐射方向影响不大。但是纵向鳍高度的变化对谐振频率的影响还是很明显的,尤其当鳍的高度在20 mm以下变化时,谐振频率漂移很大。

  3 结束语

  本文重点分析了两个因素对散热器谐振频率、谐振频率处的电场增益及辐射方向的影响,即散热器底面尺寸的长宽比、鳍取向和鳍高度变化。通过研究可以看出,散热器底面长宽比的变化对谐振频率有着明显的影响;鳍的取向和高度对谐振频率也有一定影响,随着鳍的变化,谐振频率有大约100 MHz的漂移,尤其对于纵向鳍,在其高度<20 mm时,影响更加明显;这3个因素对电场增益也有影响,但总体影响不大,基本保持在8.0 dB左右。但电场增益已经大于大多数无线通信系统中便携式器件的天线增益,使得散热器表现出明显的天线效应;另外可以看到散热器电场辐射有明显的方向性,但其也受到散热器底面尺寸及鳍高度的影响。由此,在设计或者选择散热器时,需要综合考虑这些因素,使得散热器的电磁辐射及干扰减到最小。

关键字:散热器  辐射影响  分析

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0611/article_9858.html
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