Thermisch ontwerp en EMC kunnen elkaar flink dwars zitten

Thermische interfacematerialen als gap fillers zijn effectieve oplossingen om componenten of PCB’s beter te koelen. Er zit echter een addertje onder het gras, omdat je hiermee ook een capacitieve koppeling introduceert, die common mode stromen met zich meebrengt. Raf Vleugels en Louis van Lommel, beide applicatie-engineers bij Würth Elektronik, legden tijdens het afgelopen Power Electronics en Energy Storage event in Den Bosch uit hoe je hiermee kunt dealen.

Door: Richard Bezemer

Iedere elektronicus zal het er mee eens zijn dat het voor de levensduur en betrouwbaarheid van menig component niet goed is als die te warm wordt. Desondanks ziet Raf Vleugels nog vaak dat dit probleem in een relatief laat stadium van het engineeringproces wordt aangepakt. “De focus ligt in eerste instantie op het elektronica-ontwerp: doet de schakeling wat hij moet doen en blijft die qua EMC binnen de perken. Een volgende stap is het integreren in de applicatie, waarbij ook oplossingen voor thermisch beheer worden geïmplementeerd, zoals een koellichaam. Ondanks zo’n koellichaam blijkt best wel vaak dat de componenten toch wel een beetje (te) warm worden. Dat lossen de veelal mechanical engineers op met bijvoorbeeld gap fillers, die zorgen voor een veel effectievere geleiding van de warmte tussen component/printplaat en het koellichaam. Maar waar ze dan niet bij stilstaan is dat hiermee ook een parasitaire capaciteit wordt gevormd. Doe zal common mode stromen gaan genereren, die invloed kunnen hebben op de EMC-prestaties. Sterker, in veel gevallen geldt: hoe beter het thermisch effect, des te hoger de parasitaire capaciteit.”

Dat kan je achteraf oplossen op systeemniveau met ferrietringen, maar eleganter is het om daar al op PCB-niveau mee rekening te houden door bijvoorbeeld spoeltjes te in-designen. “Wat daarbij zeker ook helpt is als electronic engineers niet standaard het thermische verhaal bij de mechanical engineer neerleggen. Misschien logisch, omdat dit sterk te maken heeft met de voor de doorsnee elektronicus niet bepaald spannende behuizing. Maar dat is het eigenlijk helemaal niet als je je bewust bent van de samenhang tussen het thermisch effect en EMC”, vult Louis van Lommel aan.

Millimeterwerk

Direct contact tussen een koellichaam en bijvoorbeeld de plastic behuizing van een te koelen component is misschien wel de minst effectieve manier om te koelen. Als je het contactoppervlak onder de microscoop bekijkt zie je namelijk tal van oneffenheden die maken dat het effectieve koeloppervlak veel kleiner is. Een oplossing, die wordt aangeboden door Würth Elektronik, is het plaatsen van een gap filler tussen de component en het koellichaam (dat ook de metalen behuizing kan zijn). Zo’n gap filler is een millimeterdunne pad of tape, die op de component wordt geplakt. De samenstelling van dit materiaal –siliconen met keramische deeltjes– maakt dat de ruimte (de gap) tussen de component en het koellichaam naadloos wordt opgevuld. Mits zorgvuldig aangebracht, want het is belangrijk dat er geen luchtbelletjes onder de filler zitten.

Thermische geleidingsweerstand

Een veelgebruikte prestatie-indicator van deze thermische interfacematerialen is de thermische geleidbaarheid, die wordt uitgedrukt in watt per meter Kelvin (W/mK). Dit is op zich een goede indicator voor de prestaties van het materiaal, maar het geeft geen volledig beeld. Hiervoor moet je de thermische geleidingsweerstand berekenen, die gebaseerd is op de dikte van het materiaal en het totale contactoppervlak.

In formulevorm wordt dat:

R_th = d/k.A, waarbij

• R_th = de thermische weerstand in Kelvin per watt (K/W)
• d = de dikte van de gap filler in meter (m)
• k = warmtegeleidingscoëfficiënt of thermische geleidbaarheid van het materiaal in watt per meter Kelvin (W/mK)
• A = contactoppervlak tussen component en gap filler in vierkante meter (m²)

Om de warmte-overdracht te optimaliseren kan je variëren in de k-waarde (binnen het Würth Thermal Management portfolio zijn er gap fillers met k-waardes tussen 1 en 6), de dikte en het contactoppervlak.

Demo: 2 mm of 5 mm dik

In een demo tijdens Power Electronics en Energy Storage met een aantal vermogensweerstanden, die erg heet worden, zijn in eerste instantie de thermische prestaties van een 2 mm en 5 mm dikke gap filler van k =1 vergeleken, die om precies te zijn een thermische weerstand van 2,08 respectievelijk 5,2 W/mK hebben. Er wordt 7 W door de weerstanden gestuurd; de omgevingstemperatuur is 25 °C en het koellichaam heeft een thermische weerstand van 3 K/W.

De verwachte temperatuur van het koellichaam is de (thermische weerstand x het totale vermogensverlies) + de omgevingstemperatuur: (3 x 7) + 25 = 46 °C. De warmteontwikkeling van de vermogensweerstanden volgt uit het product van de thermische weerstand van de gap filler met het vermogensverlies, plus de temperatuur op het koellichaam. In het geval van de 2 mm dikke pad is dat (2,08 x 7) + 46 ≈ 60,5 °C. Bij toepassing van de 5 mm dikke gap filler komt die temperatuur hoger uit vanwege de hogere thermische weerstand van de pad: (5,2 x 7) + 46 ≈ 82,4 °C. 

Uit metingen van de temperatuur op de componenten blijkt dat deze berekeningen binnen een alleszins acceptabele foutmarge van 10% overeenstemmen met de praktijk. Op basis hiervan zou je kunnen stellen dat een 2 mm dikke pad altijd de voorkeur heeft, omdat je daarmee de componenten zo’n 22 °C minder warm laat worden. Echter, vanuit EMC-oogpunt is dat niet altijd de beste keuze en zou je afhankelijk van de spec’s van je componenten toch wel met die relatief hoge temperatuur van ruim 82 °C uit de voeten kunnen.

Capacitieve koppeling

Om een thermische interface te creëren breng je twee geleidende oppervlakken zo dicht mogelijk bij elkaar; 2 mm blijkt daarin effectiever dan 5 mm hebben we in bovenstaande berekend en gemeten. Echter, je creëert hiermee ook een capaciteit, die onevenredig is met de afstand tussen de oppervlakken. Die 2 mm valt wat dat betreft ongunstiger uit dan de 5 mm.

Dat zie je ook terug in de formule voor capaciteit:

C = ε x A/d = ε₀ x ε_r x A/d, waarbij

• C = capaciteit (F)
• A = oppervlak van contactoppervlak (m²)
• d = afstand tussen de platen (m)
• ε₀ = absolute permittiviteit
• ε_r = relatieve permittiviteit

Uit berekeningen, waarbij een oppervlak van 20 mm bij 20 mm is gebruikt en de afstand vanwege compressie met circa 1 mm is verkleind, kom je dan uit op een capaciteit van 6,90 pF voor de 5 mm pad en 17,26 pF voor de 2 mm pad. Een andere 5 mm pad (met k =3) levert 11,51 pF op.

Ook deze berekeningen zijn nagemeten in de demo, met een LCR-meter. De meetwaarden liggen in lijn van de berekeningen: 7,5 pF (5 mm, k = 1), 13,5 pF (2 mm. k = 1) en 11,4 pF (5 mm, k = 3). Er is ook gemeten aan een hybride gap filler, die een grafietlaagje op de schuimlaag heeft. Vanwege de samenstelling van dit materiaal is er niet echt een permittiviteitswaarde om mee te rekenen. Dit nieuwe product heeft in de 5 mm-versie echter een veel lagere thermische weerstand dan de andere materialen. De capaciteit is veel hoger: 80 pF. Daarnaast is dit een siliconenvrije oplossing.

Common mode ruis

Op zich is het niet zo erg dat er een capaciteit wordt gegenereerd. Het vervelende is dat je door het aansluiten van je koellichaam op de aarde een pad creëert waarlangs een ongewenste common mode stroom gaat lopen. En hoe groter die in dit geval parasitaire capaciteit, des te groter de common mode ruis. 

Dit is inzichtelijk gemaakt aan de hand van een schema van een geschakelde voeding, een geïsoleerde fly back converter. In dat schema is ook een LISN (‘line impedance stabilising network’) opgenomen, waarmee je zowel de common mode stromen (twee 50 Ω weerstanden parallel) als differential mode stromen (twee 50 Ω weerstanden in serie) kunt meten. Omdat de schakelaar heet wordt, moet je die koelen. Door toepassing van de gap filler breng je twee geleidende materialen dicht bij elkaar, wat resulteert in de vorming van een capaciteit (bij de lichtblauwe stippellijn). Door die stippellijn kan dan een stroom gaan vloeien, die via de oranje lijn bij de LISN komt en daar een storing veroorzaakt in de vorm van common mode ruis.

Simulatie

De grootte van de common mode stroom hangt niet alleen samen met de gecreëerde capaciteit, maar ook met de dv/dt van de schakelaar: hoge spanningen schakelen en/of snel schakelen is wat dat betreft niet bevorderlijk.

LTSPICE-simulaties laten zien wat er gebeurt in verschillende scenario’s met gap fillers. Zo blijkt dat de 80 pF van de hybride gap filler na FFT-analyse leidt tot een 103 dBµV piek bij 900 KHz. Dat is een waarde waarmee je niet door de EMC-test zal komen.

Door verschillende typen gap fillers, dus verschillende capaciteiten, te simuleren, kan je bepalen of wellicht een gap filler met een andere dikte en/of k-waarde tot een gunstiger resultaat leidt. Dat kan leiden tot verbeteringen met een factor van 10dB, wat in EMC-termen heel mooi is. 

Bij dit alles moet je niet het primaire doel van deze thermische oplossing uit het oog verliezen: het adequaat koelen van de component. En er gelden natuurlijk ook andere overwegingen, zoals kosten (een gap filler van 2 mm is goedkoper dan eentje van 5 mm; materialen die warmte beter geleiden zijn duurder dan slechtte warmtegeleider) en mechanische beperkingen (er zal niet overal plek zijn voor een extra 5 mm in hoogte).

Filteren

Er zijn ook scenario’s denkbaar waar aanvullende maatregelen nodig zijn, zoals het filteren van de common mode stroom. Hiervoor zijn oplossingen op systeemniveau en op PCB-niveau. Op systeemniveau kun je bijvoorbeeld denken aan kabelferrieten, die uitstekend common mode ruis filteren. Er zijn verschillende soorten, zoals mangaan-zink, nikkel-zink, magnesium-zink en nu ook een kristallijn materiaal. Afhankelijk van het materiaal dat je gebruikt, heb je bij bepaalde frequenties meer of minder impedantie. Een andere optie is een lijnfilter, die weg weet met zowel common mode als differential mode ruis.

Op PCB-niveau kan je al in de ontwerpfase common-mode-smoorspoelen opnemen. Of brede condensatoren, dus een condensator van de fase of nulleider naar aarde, die bij Würth Elektronik in folie- en keramische uitvoering verkrijgbaar zijn.

Conclusie

Voor een thermisch ontwerp wordt meestal gestreefd naar een zo dun mogelijke constructie met een zo laag mogelijke thermische weerstand, waarbij de warmtegeleiding zo hoog mogelijk is voor betere thermische prestaties. De parameters in dit optimalisatieproces zijn echter ook bepalend voor de EMC-prestaties. Wat dat betreft gaat de voorkeur uit naar een dikker thermisch interfacemateriaal, omdat dit leidt tot minder capacitieve koppeling en een lagere parasitaire capaciteit. Het is belangrijk om je bewust te zijn van de trade-off tussen thermische prestaties en EMC. Ook al kunnen eventuele EMC-problemen worden opgelost met bijvoorbeeld kabelferrieten, common mode smoorspoelen en lijnfilters.