Slim Thermisch en EMC-Compliant ontwerpen

Transcriptie

1 Slim Thermisch en EMC-Compliant ontwerpen Mart Coenen EMCMCC Norbert Engelberts Optimal Thermal Solutions BV

2 Overview Overzicht OTS & EMCMCC (NE/MC) Introductie: EMC & Thermisch ontwerpen op component & pcb niveau (NE) Thermisch ontwerp op Component -/ PCB niveau (NE) EMC ontwerp op Component - / PCB niveau (MC) Discussie Slim EMC & Thermisch ontwerpen op PCB niveau (NE/MC) Cursus Thermal & EMC (NE) Vragen en antwoorden (NE/MC) 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 2

3 Optimal Thermal Solutions BV Our Business Thermal management and packaging of electronic systems. Our Products - Design Services Development and delivery of cooling solutions Thermal Test Instruments Training Programs Our Customers - Electronics industry: Main customers are in: Telecom/ Datacom Embedded computer Semiconductor Military LED 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 3

4 Electromagnetic Compatibility MCC bv Mart Coenen has over 34 years experience in E-Hardware System Integration topics as PQ, PI, SI and EMC and has published books and many National and International papers and publications. He is actively involved in international EMC standardization since He was project leader of the standards: IEC (Immunity to conducted disturbances induced by radio-frequency fields) and IEC (Electrostatic discharge immunity test). He was convener of IEC TC47A/WG9 and member of WG2 for which he was given the IEC 1906 award in 2006 after publishing various parts of the IEC x, IEC x and IEC x series. Member of NEC TC47A, TC62A, TC64, EMC, ESDA He is co-founder of the Dutch EMC/ESD Society and part-time lecturer at Post Academic EMC courses for the last 27 years and now at Fontys University of Applied Science, Mechatronics. Since 1994 he owns his private consulting company EMCMCC, where he focuses on EMC and system integration issues in e-hardware Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 4

5 Electromagnetic Compatibility MCC bv Overzicht expertise bedrijf: Alle e-hardware: van IC/chip design t/m de installatie van kadekranen t.b.v. container overslag, scheepsbouw en alles wat er tussen zit: PCB, product, bekabeling, installatie. Primair doel: complementair handelen gebruik maken van de geboden randvoorwaarden Meetcompenties: V/ I/ E/ H Frequentiedomein: DC tot 20 GHz, emissie en immuniteit Tijdsdomein: DC 2,5 GHz, 4 ch, 10 Gs/s met alle bijbehorende meetaccesoires, ook op locatie Circuit (SPICE) en E/H-veld simulaties, Matlab Normen en Internationale standaardisatie Training on the job Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 5

6 Introductie: EMC en Thermisch ontwerpen op component/ pcb niveau Component niveau Wat is het effect van het aanbrengen van een heatsink op een component? Dient deze elektrisch gekoppeld te zijn of mag deze zweven? Wat zijn de voor- en nadelen? (Wat te doen met wireless (zender + ontvanger) omgevingen, waarbij antennes een bepaald uitstraalpatroon nodig hebben om optimaal te functioneren wat is het nadelige effect van de heatsink hierop?) PCB niveau Wat is het effect van koperlagen, aard en power vlakken of impedantie sporen (voor EMC een must, voor thermisch is koper de 1ste ideale warmtespreider, hoe kunnen we deze zo optimaal mogelijk laten samenwerken? Wat is de ideale board routing en afstanden? Waar plaatsen we via s en/of waar bewust thermische/ emc scheidingen in de verschillende circuits aan te brengen? Aarden van heatsinks, koelplaten, chassisdelen die eventueel ook gebruikt worden voor thermisch? Hoe vermijden van HF-koppelingen (noise)? 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 6

7 Thermisch ontwerp op PCB niveau spreiden van warmte DCDC Spreiden van de warmte => dissipatie goed verdelen Gevoelige componenten qua temperatuur bij de lucht inlaat van het board plaatsen, denk aan SFP optische componenten SFP, XFP, transponders. Metal core PCB LEDs, power Fets 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 7

8 Thermisch ontwerp op PCB niveau spreiden van warmte Originele ontwerp Verbeterd ontwerp Voorkom stapeleffect directe opwarming. Door componenten te verschuiven. Voordeel lagere temperaturen voor de bovenste componenten. Heat sinks werken ook veel beter inkomende lucht heatsink is kouder Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 8

9 Thermisch ontwerp op PCB niveau plaatsing van componenten Haal lucht blokkades weg. Componenten die de lucht blokkeren zoveel mogelijk aan de kant waar de lucht het board weer verlaat Let op met meerdere pin fins achter elkaar in de stroom richting de achterste worden matig of niet gekoeld, door veel bypass flow en lage snelheid. Pas heat sinks met minder weerstand toe of plaats ze om en om Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 9

10 Thermisch ontwerp op PCB niveau Board layout Temperature Temperature Via s direct onder de thermische slug van een component Via s naast de slug dragen weinig bij aan het warmte transport naar de koperlagen Koppeling naar koperlagen zo kort mogelijk door middel van (thermische) via s koperlagen zo dik mogelijk 35um, gebruik buitenste lagen of de laag direct eronder Heat flux 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 10

11 Thermisch ontwerp op PCB niveau Individuele HS of een grote HS Individuele Heat sinks of een heat sink over het gehele board gekoppeld met de componenten door middel van paaltjes interface materialen; phase change, gapfiller. Dient deze heatsink geaard te worden? Anodisatie laag is goed voor straling maar niet thermisch geleidend Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 11

12 42C Thermisch ontwerp op PCB niveau Thermische ontkoppeling Alles aan 43C 39C Rechter gedeelte uit 34C Thermische onderlinge beinvloeding van circuits kan verkleind worden door volle koperlagen te onderbreken voor EMC eventueel weer door te verbinden met korte dunne spoortjes. Onderbreking Verbonden met dunne spoortjes 35C 31C 26.0C 25.4C 26.0C 25.2C Koperlaag onderbroken Temperatuur gevoelig circuit 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 12

13 Discussie Thermisch en EMC slim laten samenwerken Component niveau Wat is het effect van het aanbrengen van een heatsink op een component? Dient deze elektrisch gekoppeld te zijn of mag deze zweven? Wat zijn de voor- en nadelen? (Wat te doen met wireless (zender + ontvanger) omgevingen, waarbij antennes een bepaald uitstraalpatroon nodig hebben om optimaal te functioneren wat is het nadelige effect van de heatsink hierop?) 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 13

14 Discussie Thermisch en EMC slim laten samenwerken Component niveau 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 14

15 Discussie Thermisch en EMC slim laten samenwerken Component niveau Dient deze heatsink elektrisch gekoppeld te zijn of mag deze zweven? Aarden aan wat, welke referentie?? Wat zijn de voor- en nadelen? Zowel een niet-geaarde als een welgeaarde heatsink gedraagt zich als een Hertzian monopool De wel-geaarde monopool heeft slechts enkele optimale frequenties met hoge Q. De niet-geaarde is breedbandiger met een lagere Q Waar is Murphy??? 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 15

16 Discussie Thermisch en EMC slim laten samenwerken Component niveau Wat te doen met wireless (zender + ontvanger) omgevingen, waarbij antennes een bepaald uitstraalpatroon nodig hebben om optimaal te functioneren wat is het nadelige effect van de heatsink hierop? Ground planes/ referentievlakken zijn goed, maar meestal NIET voor antennes i.h.b. NIET voor ceramische antennes tenzij de zend-/ontvangst-antenne is aangepast aan de heatsink: vraagt nauwkeurige dimensionering in productie en assemblage i.v.m. tuning 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 16

17 Discussie Thermisch en EMC slim laten samenwerken PCB niveau Wat is het effect van koperlagen, aard- en power-vlakken of impedantie sporen (voor EMC een must, voor thermisch is koper de 1 e ideale warmtespreider, hoe kunnen we deze zo optimaal mogelijk laten samenwerken? Gemeenschappelijke referentievlakken mogen (niet) maar moeten. Deze keuze is geheel afhankelijk van het circuitdesign. Het circuit moet bepalen waar de stromen gaan lopen: door componentkeuzes bepaald en NIET door de topologie bepaald Powervlakken mogen bij voorkeur NIET! Er is geen andere logica dan ECL die de voeding als referentie gebruikt. Lokale ontkoppelingen toepassen en ALLE signalen refereren aan het aard/ signaalreferentievlak. Zorg voor een eenduidig en goed continue retour-pad 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 17

18 Discussie Thermisch en EMC slim laten samenwerken PCB niveau Biedt een gedefinieerd signaal retour pad aan!! Gebruik ALLEEN signaalreferentievlakken behorende bij DAT signaal!! 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 18

19 Discussie Thermisch en EMC slim laten samenwerken PCB niveau. en laat de fysica haar werk doen 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 19

20 Discussie Thermisch en EMC slim laten samenwerken PCB niveau DEMO I S = I G +I R. en laat de fysica haar werk doen 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 20

21 Discussie Thermisch en EMC slim laten samenwerken PCB niveau 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 21

22 Discussie Thermisch en EMC slim laten samenwerken PCB niveau Voor minimale RF emissie: I G moet klein zijn en Z G (mag) hoog: I R I S I R /I S = j M / (j L R + R R ) I R /I S = j M / j L R = M / L R = k -3dB = R R / L R Bij lage frequenties: of R R laag of L R hoog Passieve netwerken zijn reciprook!! 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 22

23 Discussie Thermisch en EMC slim laten samenwerken PCB niveau Wat is de ideale board routing en afstanden? Afhankelijk van laagdikte epoxy en toegestane trace spacing. Afstand signaal vs retourpad < signaal #1 vs signaal #2 Waar plaatsen we via s en/of waar bewust thermische/ emc scheidingen in de verschillende circuits aan te brengen? Vias slaan bij ALLE Vss-x nodes (tenzij expliciet aangegeven) bij: IC pinnen, ontkoppelcaps, referentielaag swops, etc. Scheiden: alleen indien elektrisch en/of thermisch noodzakelijk b.v. power vs kleine analoge meetsignalen. Bij scheiden moet: I x = 0 en niet ~ Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 23

24 Discussie Thermisch en EMC slim laten samenwerken PCB niveau Wat is het effect van koperlagen, aard en power vlakken of impedantie sporen (voor EMC een must, voor thermisch is koper de 1ste ideale warmtespreider, hoe kunnen we deze zo optimaal mogelijk laten samenwerken? Wat is de ideale board routing en afstanden? Waar plaatsen we via s en/of waar bewust thermische/ emc scheidingen in de verschillende circuits aan te brengen? Aarden van heatsinks, koelplaten, chassisdelen die eventueel ook gebruikt worden voor thermisch? Hoe vermijden van HF-koppelingen (noise) 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 24

25 Discussie Thermisch en EMC slim laten samenwerken PCB niveau Aarden van heatsinks, koelplaten, chassisdelen die eventueel ook gebruikt worden voor thermisch? Aarden MOET voor ALLE metallisch aanraakbare delen, ook voor de onderlinge kastdelen. Alternatief is volledige isolatie (double or re-enforced insulation) afhankelijk van de spanningen die er gebruikt worden Hoe vermijden van HF-koppelingen (noise) Take control over the current paths! 2014 Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 25

26 Cursus Thermal & EMC Samenwerking: Cursusleiders: Locatie: EMCMCC OTS Telerex Norbert Engelberts & Mart Coenen Telerex Breda Datum: 17 November 2014 Info: Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 26

27 Dank u Norbert P. Engelberts Optimal Thermal Solutions BV nengelberts@ots-eu.com Mart Coenen Electromagnetic Compatibility MCC BV mart.coenen@emcmcc.nl Copyright Optimal Thermal Solutions BV & EMCMCC BV 27