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标题: CPU散热器的电磁辐射仿真分析 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2012-1-16 17:28
标题: CPU散热器的电磁辐射仿真分析

???? 摘要：应用HFSS仿真软件分析了Pentium4 CPU散热器的电磁辐射特性。研究了散热器底面尺寸长宽比、鳍的取向及高度对第一谐振频率、第一谐振频率处电场增益及辐射方向的影响。并得出结论：当散热器底面的长宽比≥1时，随着宽边尺寸的增加，第一谐振频率基本保持在2．6 GHz，电场增益基本不变，约为8．3 dB，辐射方向变化较大；鳍的取向对电场增益及辐射方向影响不大，但纵向鳍高度对谐振频率影响较大。
　　随着集成电路技术的高速发展，现代集成芯片的晶体管集成度和工作频率获得了较大提高，例如Intel处理器在一个内核中集成了上亿个晶体管，且工作频率已经超过2 GHz。目前，在器件水平上，CPU散热器的辐射发射已经成为一个主要的电磁辐射源。散热器上的能量主要由处理器里的硅核强耦合而来，另外还有散热器附近电路线的耦合。在GHz范围内，硅核的尺寸远小于时钟信号频率及其谐波的波长，所以硅核自身辐射很小，可忽略。但当能量耦合到散热器上情况就不同了，在这些频率上，散热器的尺寸相比于波长不能忽略。当散热器的固有频率接近于CPU的时钟信号频率时，散热器就表现出强辐射，很容易对周围环境产生电磁干扰，为了减少由此带来的干扰，必须要研究散热器的谐振特性及辐射特性。虽然无法精确模拟硅核中的电路以求解精确结果，但散热器的电磁特性随其相关参数(底面尺寸、鳍取向及高度)的变化趋势也非常重要。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1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。

　　2．2 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。
　　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。

　　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。
　　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。

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