Punčochář, J: AEO; 10. kapitola 1

10. kapitola: Interference, chlazení (rozšířená osnova)

Čas ke studiu: 4 hodiny

Cíl: Po prostudování této kapitoly budete umět

• definovat základní pojmy z EMC

• identifikovat základní interferenční zdroje

• popsat základní druhy elektromagnetických vazeb

• popsat tepelnou degradaci přechodu PN

• definovat teplotní odpor

• navrhnout základní chladič

Výklad

Interference

Vzájemné působení různých systémů je velmi složité a komplexní, což je náznakově naznačeno na obrázku. Elektromagnetická interference (EMI) (Electromagnetic Interference) neboli elektromagnetické rušení je proces, při kterém se signál generovaný zdrojem rušení přenáší prostřednictvím elektromagnetické vazby do rušených systémů. EMI se tedy zabývá především identifikací zdrojů rušení, popisem a měřením rušivých signálů a identifikací parazitních přenosových cest. Kompatibility celého systému se dosahuje technickými

Punčochář, J: AEO; 10. kapitola 2

opatřeními především na straně zdrojů rušení a jejich přenosových cest. EMI se tak týká hlavně příčin rušení a jejich odstraňování.

Elektromagnetická interference (EMI) (Electromagnetic Interference) neboli elektromagnetické rušení je proces, při kterém se signál generovaný zdrojem rušení přenáší prostřednictvím elektromagnetické vazby do rušených systémů. EMI se tedy zabývá především identifikací zdrojů rušení, popisem a měřením rušivých signálů a identifikací parazitních přenosových cest. Kompatibility celého systému se dosahuje technickými opatřeními především na straně zdrojů rušení a jejich přenosových cest. EMI se tak týká hlavně příčin rušení a jejich odstraňování. Elektromagnetická susceptibilita či imunita (EMS) ( Electromagnetic Susceptibility či Electromagnetic Immunity) neboli elektromagnetická citlivost (na rušení) či odolnost (vůči rušení) vyjadřuje schopnost zařízení a systému pracovat bez poruch nebo s přesně definovaným přípustným vlivem v prostředí, v němž se vyskytuje elektromagnetické rušení. EMS se tedy zabývá především technickými opatřeními, které zvyšují u objektu (přijímače rušení) jeho elektromagnetickou imunitu, tedy jeho odolnost proti vlivu rušivých signálů. EMS se tak týká spíše odstraňování důsledků rušení, bez odstraňování jejich příčin. Základní pojmy EMC Každé elektrotechnické zařízení je současně jak zdrojem elektromagnetického rušení, tak i jeho přijímačem pracujícím v určitém elektromagnetickém prostředí. Pro každé takové zařízení definuje Mezinárodní elektrotechnický slovník ČSN IEC 50 ve své kapitole 161 „Elektromagnetická kompatibilita“ některé základní pojmy, jejichž vztah je vysvětlen na obr. 1.4. Úroveň vyzařování je rušení generované samotným konkrétním spotřebičem či zařízením, měřené předepsaným způsobem a vyjádřené např. v [dBm] v závislosti na kmitočtu dle obr. 1.4. Mez vyzařování je maximální přípustná (tj. normou povolená) úroveň vyzařování daného zařízení. Rozdíl těchto úrovní vyjadřuje tzv. rezervu návrhu daného zařízení z hlediska EMI. Úroveň odolnosti je maximální úroveň rušení působícího na dané zařízení, při němž ještě nedojde ke zhoršení jeho provozu, a mez odolnosti je nejnižší normou požadovaná úroveň odolnosti zařízení. Rozdíl těchto úrovní udává rezervu návrhu zařízení z hlediska jeho odolnosti.

Punčochář, J: AEO; 10. kapitola 3

Punčochář, J: AEO; 10. kapitola 4

K umělým zdrojům přepětí, jejichž význam v posledních letech stále vzrůstá, patří lokální elektrostatické výboje (ESD – Electrostatic Discharge). S jejich vlivem je nutno počítat všude tam, kde se vyskytuje třecí pohyb mechanických částí (kovových a/nebo dielektrických – pevných, kapalných či plynných). Přestože energie lokálních výbojů je velmi nízká (často menší než 10 mJ), je jejich napěťová úroveň jednotek až desítek kV velmi nebezpečná pro elektronické prvky a zařízení. Pro většinu moderních elektronických součástek a integrovaných obvodů pracujících s nepatrnými proudy a vysokými pracovními odpory (obvody CMOS apod.) je pravděpodobně největším provozním nebezpečím elektrostatický náboj vznikající na osobách při jejich chůzi, pohybu končetin či třením částí oděvu. Osoba tak může běžně dosáhnout napětí proti zemi 5 ÷ 15 kV. K elektrostatickým výbojům dochází zejména při současné kumulaci následujících podmínek: • Pracovníci obsluhující elektronické přístroje mají nevhodné oblečení z hlediska vzniku vysokého elektrostatického napětí – jejich oděvy jsou ze syntetických tkanin. • Povrchy stolů, židlí i podlahová krytina jsou z umělých hmot s vysokým izolačním odporem. • Nízká vlhkost vzduchu v místnosti.

Punčochář, J: AEO; 10. kapitola 5

Během jediné ns dosáhne vybíjecí proud ESD velikosti několika jednotek až desítek A a následně klesá k nule po dobu několika desítek ns. Elektrostatický výboj tak může ovlivnit funkci i životnost elektronického zařízení či jeho součástek buď přímo nebo indukcí magnetickým či elektrickým polem do jiných signálových obvodů.

Punčochář, J: AEO; 10. kapitola 6

Pro omezení rušení po vedeních, příp. zvyšování odolnosti vůči tomuto rušení se používají odrušovací tlumivky, kondenzátory, kmitočtové filtry LC a omezovače přepětí. Potlačení rušení přenášeného sítí lze realizovat v zásadě dvěma způsoby: -zmenšení parazitní kapacity mezi síťovými vodiči a ostatními částmi přístroje -zabudování odrušovacího filtru (filtrů) do přívodu napájecí sítě Omezení rušení vyzařováním, příp. zvýšení odolnosti vůči rušivým polím nelze obvykle dosáhnout bez správně provedeného stínění. Nesprávná volba odrušovacího prostředku nejen že nepřinese očekávaný efekt, ale může být dokonce příčinou zhoršení parametrů odrušovaného zařízení nebo ohrožení bezpečnosti obsluhy. Nevhodně zvolený odrušovací

Punčochář, J: AEO; 10. kapitola 7

prostředek či jeho nesprávná instalace může ve svém výsledku zvýšit celkovou úroveň rušení tak, že „odrušené“ zařízení ruší (nebo je rušeno) více než zařízení neodrušené. Podmínkou správné volby odrušovacích prostředků je znalost jejich vlastností a parametrů a současně znalost chráněných obvodů a vazeb v závislosti na kmitočtu. Problémy „EMC“ vznikají například i při návrhu plošných spojů. Často stačí jako vodítko základní fyzikální zákony. Využití Faradayova zákona bude demonstrováno na příkladu z praxe [Punčochář, J.: Základní zákony – důležité vodítko při návrhu plošných spojů. STO – 6, Katedra elektrotechniky a elektroniky FL a PVO VA Brno, 1997] V elektronickém řízení otáček válcovací stolice byl použit impulzový zdroj běžné konstrukce – viz obrázek. Dioda, indukčnost a kondenzátor byly v reálném provedení nevhodně umístěny tak, že plocha „mezi nimi“ zaujímala téměř celý plošný spoj. V této ploše byla „vnořena“ elektronika řídící otáčky válců – včetně logických obvodů. V systému nedocházelo přímo k destrukci obvodů. Ale proudy protékající účinnostní diodou, cívkou a kapacitou (zátěží) vytvářely magnetické pole, které „nastavovalo“ – při této fyzické konstrukci - stavy logických obvodů prakticky libovolně (indukční zákon – Faradayův). Problémy zmizely poté, co se minimalizovala plocha uzavřená uvedenými součástkami – a v novém uspořádání nebyla řídící elektronika součástí této plochy – viz obrázek.

Degradační mechanismy polovodičových struktur, chlazení Při zvyšování teploty přechodu PN se začíná zvětšovat jeho saturační proud – vlivem uplatňování se intrinzických vlastností polovodičů. Může tak dojít k situaci, kdy výkonová ztráta způsobená tímto mechanismem vede k dalšímu zvětšení teploty v určitém místě přechodu – vzniká kladná zpětná vazba – proud i teplota dále vzrůstají - vzniká tepelný průraz přechodu (u bipolárního tranzistoru přechodu kolektor – báze) – struktura je zničena (u unipolárních tranzistorů s růstem teploty roste odpor kanálu – s růstem teploty se „přivírá“,

SPÍNAČ

ŘÍDÍCÍ ELEKTRONIKA

(NEVHODNÉ UMÍSTĚNÍ)

SPÍNAČ

ŘÍDÍCÍ ELEKTRONIKA (VHODNÉ UMÍSTĚNÍ)

Punčochář, J: AEO; 10. kapitola 8

proud z přehřátého bodu je „vytlačován“ – autostabilní režim, ale i zde vede přetížení nakonec k destrukci). Pokud ovšem zajistíme takový odvod tepelné energie, aby se teplota ustálila na přijatelné hodnotě (pro Ge asi 75°C, pro Si asi 150 až 200°C), lze tomuto jevu zabránit. Hovoříme o chlazení, kterým odvádíme tepelnou energii z přechodu (vyvolanou výkonovou ztrátou na něm, jedná se o vnitřní zdroj tepla). Součástka specializovaná na vyzáření odvedení tepla se nazývá chladič.

------------------------------------------------------------------------------------------

Obecně pro celé zařízení Tepelné vlivy - vnější a vnitřní zdroje tepla Řešení - převážně chlazení Nebezpečí nízkých teplot je především v možnosti selhání (zamrznutí) mechanických dílů zařízení. Vnější zdroje tepla - především klimatické podmínky mohou způsobovat tepelné změny v rozsahu až ± 70°C – klimatizace prostorů na teplotu okolo 20°C - velké počítače, laboratorní měřicí přístroje apod. ----------------------------------------------------------------------------------------------------

Chlazení má rozhodující vliv nejen na funkční vlastnosti polovodičové součástky (zařízení), ale i na jeho životnost a provozní spolehlivost. Proto je nutné odvod tepla řešit již při návrhu obvodů (zařízení). Při použití výkonových součástek to dokonce může být hlavním omezujícím faktorem.

Teplo se přenáší z jednoho bodu prostoru do druhého vlivem rozdílu jejich teplot a to z místa vyšší teploty do místa s nižší teplotou:

- vedením (kondukcí) – vzájemné předávání kinetické energie mezi sousedícími molekulami

Punčochář, J: AEO; 10. kapitola 9

- prouděním (konvekcí) – přemisťování zahřáté hmoty - zářením (radiací) – elektromagnetické záření (je možné i ve vakuu)

Množství přeneseného tepla je obecně funkcí teplotního rozdílu, činné plochy S a součinitele přenosu. Kvalitativně lze nalézt analogii s Ohmovým zákonem. V ustáleném stavu platí

C

ajt P

Rϑϑ −

= (1)

kde jϑ je teplota přechodu [°C]

aϑ je teplota okolí [°C] PC je kolektorová ztráta [W] Rt je tepelný odpor tranzistoru [°C/ W]

Tepelný odpor Rt udává, o kolik se zvýší teplota čipu nad teplotou okolí při výkonové ztrátě 1 W.

Tepelný odpor se skládá ze dvou složek:

C

cjti P

Rϑϑ −

= – tepelný odpor mezi přechodem a povrchem pouzdra – dáno konstrukcí

tranzistoru ( cϑ je teplota pouzdra [°C]) - uživatelem nelze měnit.

C

acta P

Rϑϑ −

= – tepelný odpor mezi povrchem pouzdra a okolím – lze snížit pomocí

chladiče. tatit RRR += Provoz bez chladiče (ustálený stav) Známe-li Rt a maxjϑ , určíme snadno mezní hodnotu PCmax pro danou okolní teplotu

úpravou ze vztahu (1):

tati

aj

t

ajC RRR

P+

−=

−=

ϑϑϑϑ maxmax

Dovolená výkonová ztráta se s růstem teploty okolí vždy zmenšuje. Provoz s chladičem (ustálený stav)

Teplo mezi přechodem a pouzdrem se šíří převážně vedením, teplo mezi pouzdrem a okolím se šíří sáláním a konvencí. Proto platí

Rti << Rta

Připojíme-li k pouzdru součástky chladič, připojí se paralelně k Rta odpor chladiče Rtx. Ten ovšem v sobě zahrnuje dvě složky – odpor stykový Rts (definuje kvalitu tepelného „spojení“ s pouzdrem tranzistoru) a odpor vlastního chladiče (radiátoru) – vnější tepelný odpor chladiče Rtr (definuje přenos tepelné energie do okolí).

Rtx = Rts + Rtr V praxi při použití chladiče většinou platí nerovnost

Punčochář, J: AEO; 10. kapitola 10

Rtx << Rta Potom je celkový tepelný odpor definován vztahem Rt = Rti + Rta//Rtx ≅ Rtx << Rta≅ Rti + Rtx = Rti + Rts + Rtr

Stykové plochy Rts [oC/W]

Přímý kontakt pouzdro-chladič Al, hladké plochy 0,4 Dtto, stykové plochy potřeny silikonovou vazelínou 0,2 Kontakt s elektrickou izolací (slídová podložka) 0,8 Dtto, stykové plochy potřeny silikonovou vazelínou 0,6

I nyní platí vztah (1), můžeme však dopočítávat potřebný odpor Rtr chladiče pro požadovaný výkon PCmax a maximální uvažovanou teplotu okolí.

C

ajtrtstit P

RRRRϑϑ −

=++= ⇒ )(max

maxmaxtsti

C

ajtr RR

PR +−

−≤

ϑϑ

--------------------------------------------------------------------------------------------- Příklad Tranzistor má vnitřní tepelný odpor Rti = 1,5 °C/W. Uvažujeme maximální teplotu okolí

maxaϑ = 60 °C (v prostoru přístroje, to pak musíme konstrukčně zaručit). Maximální výkonová ztráta je 15 W. Z hlediska spolehlivosti požadujeme mezní teplotu přechodu pouze 120 °C. Určete potřebný odpor chladiče Rtr. Pouzdro musíme elektricky izolovat od chladiče. Řešení:

)(15

60120)(max

maxmaxtstitsti

C

ajtr RRRR

PR +−

−=+−

−≤

ϑϑ = pro slídovou

podložku odhadneme Rts na 0,8 °C/W

7,33,26)8,05,1(10

60120=−=+−

−= °C/W.

Je zřejmé, že hodnota celkového tepelného odporu (od přechodu do okolí) je 6 °C/W. ---------------------------------------------------------------------------------------------

Na výsledné vnitřní teplotě se vždy podílí i teplota okolí aϑ podle vztahu

Ctaj PR+= ϑϑ

Ze vztahu

t

ajC R

P maxmaxmax

ϑϑ −=

vypočítáme vždy maximální přípustnou výkonovou ztrátu PCmax, nemá-li teplota čipu jϑ přestoupit maximální hodnotu maxjϑ ani při největší očekávané teplotě okolí maxaϑ .

Punčochář, J: AEO; 10. kapitola 11

Impulsní režim

Na obr. je elektrická analogie tepelných pochodů. Zavádíme několik předpokladů:

- polovodičový materiál (čip) a kryt (pouzdro) jsou dvě stejnorodá tělesa s tepelnými kapacitami C1 a C2 – tepelná kapacita chladiče C2 je většinou podstatně větší než tepelná kapacita pouzdra C1.

- teplota na celém čipu je stejná a rovna jϑ

- teplota celého pouzdra je stejná a rovna cϑ (pokud je připojen chladič, jde o odpor a teplotu chladiče Rta → Rtx)

- tok tepelné energie (ztrátový výkon) je obdobou toku elektrického náboje, tj. elektrického proudu v náhradním obvodu

- rozdíl teploty je obdobou elektrického napětí v náhradním obvodu - tepelný odpor je obdobou lineárního elektrického odporu v náhradním obvodu - tepelná kapacita je obdobou elektrické kapacity

Pro setrvalý stav obě kapacity zanedbáme, platí předchozí úvahy. Pro velmi krátké impulsy se napětí (teplota chladiče) vůbec nestačí změnit, C2 představuje zkrat, v obvodu se uplatňuje pouze časová konstanta 1CRtii =τ . Přibližně platí

( )ittiCajnest eRP τϑϑϑ /

. 1 −−⋅=−=∆

Pro delší impulsy než je iτ , ale srovnatelné nebo menší než aτ = RtaC2 jsou poměry určeny především tepelnou kapacitou chladiče, stav na Rti je ustálený, přibližně platí

( )attaCtiCajnest eRPRP τϑϑϑ /

. 1 −−⋅+⋅=−=∆

Z rozboru nestacionárního tepelného děje (a praxe to potvrzuje) vyplývá, že velikost chladicí plochy nemá podstatný vliv na přetěžovací schopnost výkonového transistoru (na zatěžování krátkými impulsy) – prostě chladič nestačí „zafungovat“ – změnit svou teplotu nebo cokoli vyzářit. Výsledky ukazují, že koeficient dovoleného přetížení výkonového tranzistoru krátkodobými jednotlivými impulsy je dán hlavně délkou impulsu a prakticky nezávisí na způsobu chlazení. V praxi můžeme počítat s přetížením 5x pro impuls délky 10 ms, 3x pro impuls 50ms a 2x pro impuls 500 ms.

Punčochář, J: AEO; 10. kapitola 12

Chladiče

Násuvné chladiče (sponkové či přítlačné) jsou používány u součástek s relativně malými výkony ( 0,5 až 2 W), které jsou napevno připájeny do desky s plošnými spoji.

Dále se používají: upevňovací chladiče (k připevnění na plošný spoj nebo šasi) pro součástky s drátovými vývody (0,5 až 3 W).

deskové (do cca 30 W) Pro deskové chladiče se uvádí vztah

CF

Cd

Rtr ⋅+⋅⋅λ

=6503,3 25,0 [K/W, W/K.cm, mm, cm2]

kde je Rtr - tepelný odpor chladicí desky λ - tepelná vodivost materiálu desky d - tloušťka desky v mm C - korekční konstanta, závislá na poloze a povrchu F - plocha desky v cm2 Hodnoty tepelné vodivosti

Hodnoty C pro hliníkovou desku

povrch poloha C lesklý vodorovná 1,00 lesklý svislá 0,85 černěn vodorovná 0,50 černěn svislá 0,43

materiál λ [W/K cm] měď 3,8

hliník 2,1 mosaz 1,1 ocel 0,46

Punčochář, J: AEO; 10. kapitola 13

Předpokládá se, že na desce je jediný zdroj tepla, je přibližně čtvercová a tranzistor je ve středu chladiče. Ze vztahů je zřejmé, že zvětšovat plochu nad 4 dm2 nemá význam. vějířové

Vějířové chladiče (staggered finger) se vyznačují velmi výhodným poměrem výkon-hmotnost a výkon-rozměr, a to zejména u větších typů.

Vějíře jsou uspořádány tak, že nevyzařují teplo jeden k druhému. Tím je umožněno volné proudění média (což např. u žebrových chladičů vždy neplatí).

Punčochář, J: AEO; 10. kapitola 14

Na příkladu vějířového chladiče je předvedeno, že tepelný odpor není konstantní veličinou ani při dané určité konstrukci, závisí podstatně i na proudění vzduchu kolem chladiče a na vyzařovaném výkonu z něho. žebrované (tři až několik set wattů)

Punčochář, J: AEO; 10. kapitola 15

Profil chladiče je žebrován pro dosažení potřebného povrchu. Používají se v mnoha

profilech a v různých délkách. Tepelný odpor chladiče se nezmenšuje přímo úměrně s délkou. Tak např. u chladiče šířky 114 mm a výšky 64 mm se dosáhne pouze 50 % zvýšení rozptylu tepla, zdvojnásobí-li se jeho délka z 38 mm na 75 mm. Všechny žebrované chladiče by měly být upevněny z hlediska maximální efektivnosti tak, aby osa žebra byla vertikální. Na obr. 7.52 je jednostranný chladič pro výkonové polovodiče. Na obr. 7.53 jsou dvoustranné chladiče pro výkonové tranzistory. Je zřejmé, že teplotní odpor není lineární, je i funkcí teplotního rozdílu (spádu).

Pravidla pro montáž

- dobře utahovat šrouby, pérové podložky - použít pro chladič matný hrubý povrch, např. černěný. To umožní zmenšení rozměru chladiče, protože takový chladič lépe teplo vyzařuje – netýká se dosedací plochy součástky. - součástka musí na chladič velmi dobře dosedat, pro zmenšení tepelného odporu styku lze nanášet speciální vazelinu - je-li nutná elektrická izolace od chladiče, použije se co nejtenčí slídová destička plus vazelina (pozor, i šrouby musí být izolovány vhodnými izolačními vložkami a podložkami).

Punčochář, J: AEO; 10. kapitola 16

Příklad: V předchozím příkladu jsme zjistili, že pro dané požadavky potřebujeme chladič s odporem Rtr = 3,7 °C/W. Rozhodneme-li se pro svislý černěný deskový chladič tloušťky 2 mm, z hliníku, můžeme určit přímo z obr. „Závislost mezi plochou …“, že potřebná plocha je cca 120 cm2. Stačí tedy jistě rozměr 11x11 cm. Pokud by byl povrch lesklý, potřebujeme za těchž podmínek plochu asi 250 cm2 – tedy rozměr desky 16x16cm. Přímým výpočtem z uvedeného vztahu určíme pro hliníkovou svislou, černěnou desku (C = 0,43; λ= 2,1):

FFC

FC

dRtr

5,279304,143,065043,021,2

3,37,36503,3 25,025,0 +=⋅+⋅⋅

=⇒⋅+⋅⋅

=λ

⇒

7,116)304,17,3/(5,279 =−=F cm2 Zkusme nyní stejným způsobem určit nejhorší variantu chladiče, vodorovná - lesklá hliníková deska tloušťky 2 mm (C = 1; λ= 2,1):

FFC

FC

dRtr

650610,11650121,2

3,37,36503,3 25,025,0 +=⋅+⋅⋅

=⇒⋅+⋅⋅

=λ

⇒

311)610,17,3/(650 =−=F cm2 ; tomu odpovídá rozměr 18x18cm. Pokud bychom použili například profil 136 („Profily některých…“), zjistíme, že pro 10 W zaručuje teplotní spád asi 50°C při délce 37,5 mm. My požadujeme (viz předchozí příklad) teplotní spád přechod – okolí 60°C. Ovšem na odporu Rti + Rts = 1,5 + 0,8 = 2,3 vznikne při 10 W spád 2,3x10 = 23 °C. S uvedeným chladičem tak dosáhneme celkový spád 50 + 23 = 73 °C. Týž chladič délky 50 mm zaručuje při 10 W spád jen 40°C, vliv Rti + Rts zůstává stejný, proto dosáhneme teplotní spád asi 63°C. Je tedy zřejmé, že z daného profilu musíme odříznout chladič délky asi 60 mm. Literatura: www.umel.feec.vutbr.cz/~bajer/BNKP/Chlazení.ppt Aksenov, A. I. - Gluškova, D. N. - Ivanov, V. I.: Chlazení polovodičových součástek. SNTL, Praha 1975

Punčochář, J: AEO; 10. kapitola 17

Text k prostudování Svačina, J.: Elektromagnetická kompatibilita. Přednášky. VUT v Brně, 2002 Další studijní texty

Otázky

Pro ověření, že jste dobře a úplně látku kapitoly zvládli, máte k dispozici několik teoretických otázek.

' Odpovědi naleznete v uvedené literatuře.

Úlohy k řešení

Klíč k řešení

Autokontrola Pokud vyřešíte správně více než 2/3 problémů a otázek, můžete přejít ke studiu dalšího tématu.

1. Souvislost mezi EMC, EMI a EMS.

2. Interferenční zdroje.

3. Elektrostatické výboje – energie, působení.

4. Druhy elektromagnetických vazeb.

5. Odrušovací prostředky, stínění.

6. Intenzita poruch v závislosti na teplotě čipu.

7. Přenos tepla – způsoby.

8. Tepelný odpor – analogie Ohmova zákona.

9. Celkový tepelný odpor přechod – okolí (je-li použit chladič).

10. Funkce chladiče při impulsním přetěžování.

11. Zásady pro montáž chladičů.