CN1481659A - 电磁噪声减少设备 - Google Patents

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Abstract

简短地说，根据本发明的一个实施方案，电磁干扰(EMI)减少设备可能包括一个电路和至少一个散热器。电路可能包括连接模拟设备以减少由散热器接收的EMI信号。可以明确的调整设备，将散热器接收的EMI信号基本上反转或相位偏移180°。

Description

电磁噪声减少设备
背景
1.领域
本发明涉及散热器辐射出的电磁干扰(EMI)，更特别涉及至少部分减少该EMI的电路。
2.背景信息
电磁干扰(EMI)的特征可以表现为电子设备内部或外部产生的干扰信号。例如典型产生源可以是输电线、开关设备产生的噪声和/或振荡器产生的乱真辐射。EMI信号会直接或间接的导致电子接收机或系统性能降低。为了减少由例如从第二电子设备产生的EMI导致的电子设备性能降低，电子设备典型的要满足由美国通信委员会(FCC)和无线电干扰国际特别委员会(CISPR)设置的EMI等级。
EMI辐射这个问题通常出现在干扰源信号从信号源通过耦合路径传播出来并辐射到一个设备的地方。因此该设备的性能可能会被影响。下面的例子会证明有助于说明这个概念。当然，技术熟练的人会认识到，可以使用很多其它的例子。在计算机系统中，例如，微处理器产生的EMI信号会传递到与该微处理器连接的散热器。然后散热器的行为实际上象一个天线，会辐射EMI信号。接着这些辐射的EMI信号会降低受影响范围内的电子设备的性能。
典型的试图通过无源技术来减少电磁干扰，这里的意思是使用可以控制但不会产生或放大能量的惰性元件或方法。虽然这些无源方法典型是廉价的，但有时它们对于减少EMI信号是无效的或已声明只提供有限的效果。例如这些方法可能有固有的带宽限制和/或共振点，这会限制能够被减少的EMI信号的频率。此外，如果EMI信号源改变，例如由于处理器升级，则常常需要完全重新设计一个有效的无源方法。因此，存在对实现电磁噪声减少设备的改进电路结构或技术的需要。
附图简述
在详细说明的结束部分特别指出并清楚请求了本发明的主题。但是通过在阅读附图时参照下面的详细描述，能够最好的理解本发明的运行组织和方法，以及它的目标、特征和优点，其中：
图1的示意图说明了根据本发明的电磁噪声减少设备的一个实施方案；
图2的示意图说明了根据本发明的电磁噪声减少设备的另一个实施方案；
图3的示意图说明了根据本发明的电磁噪声减少设备的第三实施方案；
图4的透视图说明了根据本发明的替代实施方案，其中根据本发明的电磁噪声减少设备的一个实施方案与散热器连接；
图5的曲线图说明了会由图1-3中显示的实施方案产生的电压信号。
详细描述
在下面的详细描述中，陈述了很多细节以达到对本发明的透彻理解。但是，那些技术熟练的人会理解，本发明可以在没有这些特定细节的情况下实现。在其它情况下，为了不掩盖本发明，没有详细描述众所周知的方法、过程、组件和电路。
在该上下文中，散热器包括一个设备，至少是主要功能为散热的设备中的一个。散热器典型包括，但不限于，一个底座，底座典型由导热材料制造，例如金属，将通常是在另一个设备中产生的热量驱散、带走或辐射到周围环境中。下面的描述是对这种原理的应用的说明，而不是以任何方式加以限制。对于产生低热量的设备，通常用设备的包装作为散热器。但是，对于高功率的设备，典型需要一个独立的散热器，通常物理连接到一个或多个包装，并用于降低过热和设备毁坏的风险。散热器设计典型使用大的表面积，常常带有散热片，从而将热量辐射到周围环境中。散热器典型与集成电路(IC)共同使用，通过为IC保持一个安全运行温度或温度范围来降低毁坏电路半导体结的可能性。
虽然散热器提供了从电子设备吸收并辐射热量的有益功能，但是它们也常常表现出吸收并辐射EMI信号的有害且不希望的作用。为了说明该原理，下面的例子会证明有用。当然，技术熟练的人会认识到，有很多其它的例子可以使用。在计算系统中，例如由微处理器产生的EMI信号可以传递到与微处理器连接的散热器。散热器的行为实际上象一个天线，会辐射接收到的EMI信号。然后这些辐射EMI信号会降低完全位于受散热器影响范围内的一个或多个电子设备的性能。
典型的，通过无源技术可以实现降低电磁干扰，这里的意思是使用可以控制但不会产生或放大能量的惰性元件或方法。一种通用的无源方法包括使用屏蔽来阻挡EMI辐射到其它电子设备。继续计算系统的例子，可以使用金属底盘或容器来遮蔽系统的电子元件，从而将外部电子设备与计算系统产生的EMI屏蔽起来。另一种无源系统试图降低从干扰远源传递到接下来会将EMI辐射到其它电子设备的设备的EMI量。此外，虽然技术熟练的人会认识到有很多其它的例子，但继续计算系统的例子，可以使用将散热器连接到微处理器的特殊技术来降低散热器接收的EMI量。这样一种将散热器连接到微处理器的特殊技术的例子可能涉及在微处理器和散热器之间的热耦合中嵌入不可压缩的网，从而增加微处理器和散热器之间的电绝缘。第三种通用的无源方法是将辐射EMI的设备电接地。这将防止至少一部分EMI传递到性能会极大降低的电子设备。
虽然这些无源技术典型是廉价的，但有时它们对于减少EMI信号是无效的或已声明只提供有限的效果。例如这些方法可能有固有的带宽限制和/或共振点，这会限制能够被减少的EMI信号的频率。此外，如果EMI信号源改变，例如由于处理器升级，则常常会需要完全重新设计无源方法。
降低EMI信号的有源技术可能包括下列内容。例如会接收来自散热器等辐射设备的EMI信号。会将接收的EMI信号基本上反向。会将反向的EMI信号传递给辐射设备。
两个幅度完全相等但大小相反的相互作用的电磁信号即使不完全，也会几乎相互抵消。因此，可以使用能够产生这种信号的设备来有效降低EMI信号。与常常为特定EMI信号设计或调整的无源方法不同，这种方法会主动调整以减少各种EMI信号，可以避免或至少减少例如当EMI信号源如因处理器升级而改变时重新设计的发生率。同样，这种实施方案可以包含减少EMI信号的功能，具有比如前面描述的那些的已知无源技术更宽的有效频率范围。
图1的示意图说明了根据本发明的电磁噪声减少设备的实施方案100。实施方案100包含电路结构199，测量并至少部分减少从散热器150接收的电磁干扰(EMI)信号。在这个具体实施方案中，例如由那些因为IC时钟、逻辑电路和总线转换等而产生的高频EMI信号是该实施方案中减少的主要目标；但是本发明在范围上不限于这个方面。例如那些因为电源尖峰信号而产生的低通频率EMI信号不是该实施方案中减少的特定目标，但在其它实施方案中可能是。相反，图2说明了本发明的一个替代实施方案，其主要目标不是高通EMI信号。此外，本发明当然不限于这两种具体实施方案。
在图1显示的具体实施方案中，出于方便的原因在图1中将散热器150显示了两次。在该具体实施方案中，使用了一个散热器。同样，出于说明的目的，散热器150中显示的电阻器152 & 154、电容器151和电感器153只是便于近似或表示散热器的分布式属性。当然，散热器典型不会象这样包含主要的电阻器、电容器和/或电感器。
要提到的是，图1说明了根据本发明的一个电路结构的实施方案，但本发明不限于这个具体实施方案。该实施方案的第一电路级包括运算放大器(op-amp)111，与电阻器123 & 124和电容器130相连，以便形成一个低通滤波器，尽管任意低通滤波器会证明是合适的。低通滤波器主要通过低于特定截止阀值的频率，主要衰减大大高于阀值的频率。要提到的是，不要求本发明有一个主要功能是频率滤波的电路。
op-amp 111通过在接头173 & 170加电来供电。图1举例说明了±12伏的电源。本发明不限于±12伏，技术熟练的人会很快认识到，可以使用各种电压和电源为op-amp 111供电。例如，可以使用连接到散热器的风扇的电源。在该实施方案中，op-amp 111的正极接头181接地，连接op-amp 111的负极接头183以接收来自散热器150的EMI信号。
图1中显示的实施方案的第二级电路包括op-amp 110，连接该op-amp 110，以便将通过电阻器120从散热器150接收的信号与通过电阻器125的op-amp 111的输出信号相加。反馈通过电阻器121提供。op-amp 110的输出信号通过电阻器126传递给散热器150。应该认识到，本发明不限于使用一个op-amp。可以使用各种集成或分离的模拟和/或数字元件来反转接收到的EMI信号，本发明在范围上不限于具体种类的元件或具体的元件组合。
op-amp 110通过在接头172 & 171加电来供电。图1举例说明了±12伏的电源。本发明不限于±12伏，技术熟练的人会很快认识到，可以使用各种电压和电源为op-amp 110供电。例如，如前面指出的，可以使用连接到散热器的风扇的电源。在该实施方案中，op-amp 110的正极接头180接地，连接op-amp 110的负极接头182以接收来自散热器150的EMI信号，并接收来自op-amp 111输出信号通过电阻器125的信号。
运行中，对于图1显示的具体实施方案，从散热器150接收EMI信号。在图1实施方案的第一电路级中，对EMI信号低通滤波。要提到的是，虽然这个具体实施方案包含一个低通滤波器，但是不要求本发明以任意形式包含一个滤波器电路。此外虽然本发明在范围上不限于这个方面，但由于带宽宽、噪声低且输出阻抗特性低，可以使用op-amp。
第一级电路将接收到的EMI信号的反向低频形式提供给第二级。因此，由op-amp 111提供的希望相位偏移大约为180°。为了获得一个单位增益，可以将电阻器123和124设置为基本相等的值或电阻属性彼此相当。在该实施方案中，为了反转输入信号，将输入信号提供给op-amp 111的倒相输入端183。在该实施方案中，电容器130的值可以改变，设置为希望的滤波器频率阀值。此外也许其它方法是合适的。
在该实施方案中，第二级电路滤波出接收到的EMI信号的低频成分，得到接收到的EMI信号的反向。反向的低频EMI信号通过电阻器125传递，与通过电阻器120传递的大致未变的EMI信号相加，当然即使本发明在范围上不限于这个方面。这产生了一个主要包含由散热器150接收的EMI信号的高频分量的信号。该信号提供给op-amp 110的倒相输入端。
第二级电路为散热器150提供了一个接收到的EMI信号的反向高频形式。因此，op-amp 111提供的希望相位偏移大约是180°。为了达到这一目标，电阻器120和121的值应该基本相等。但是，可以调整电阻器121的值以达到更高的增益，从而补偿例如由于电路寄生效应和散热器互连而造成的损耗。
然后将从散热器150接收的这个EMI信号的反向高频形式通过电阻器126往回传递给同一个散热器。电阻器126的值可以小，可以用于提供电路的稳定性。在图1说明的具体实施方案中，接收到的EMI信号的高频分量和反向高频EMI信号相互作用，它们可以至少部分或几乎完全相互抵消掉。因此，结果是可以大大减少散热器辐射到其它电子设备的EMI。
图2说明了本发明的一个实施方案，没有图1的第一级滤波电路。在图2中说明的实施方案中，本发明在没有基本的滤波或修改的情况下反转接收到的EMI信号。当接收到的EMI信号和反向EMI信号相互作用时，它们可以再次至少部分或几乎完全相互抵消掉。因此，这里也是可以大大减少散热器辐射到其它电子设备的EMI。
图3显示了本发明的一个实施方案，其中通过控制器301可以动态调整对反向EMI信号的增幅。通过修改电阻器121的值，控制器301动态调整op-amp 110的增益。要提到的是，本发明不限于任何具体的、动态调整反向EMI信号增幅的技术。例如，技术熟练的人可能知道很多动态调整的技术，例如在降低由散热器辐射到其它设备的EMI信号中包含频率滤波量。所有这种用于动态调整EMI信号的技术都包含在本发明的范围内。
图4显示了本发明的一个实施方案，其中如在例如图1中的第一实施方案中显示的电路199连接到散热器150。例如可以集成散热器150和电路199以形成一个独立元件。在替代实施方案中，虽然本发明再次在范围上不限于这个方面，但可以将各种减少EMI信号的无源技术与有源技术结合。例如，虽然那些技术熟练的人会认识到存在其它的例子，但将散热器连接到一个微处理器，可以包括在微处理器和散热器之间的热耦合之中嵌入一个不可压缩的网，以增加微处理器和散热器之间的电绝缘。此外，如前面描述的实施方案之一的根据本发明的有源技术，也可以用来与减少EMI的有源技术一起减少EMI信号。
图5显示了外加EMI信号501，由“吵闹的”电子设备产生并传递给如图1中显示的种类之一的散热器。也显示了对由本发明实施方案产生的反向EMI信号502的抽样。还显示了得到的、由散热器辐射的叠加信号503。
本发明的其它实施方案可能包含一个计算平台，与如在实施方案中显示的散热器和电路相连，例如在图1的电路199中。在该实施方案中，计算平台可能包含处理指令的组件和存储指令的存储器。在本发明的这个具体实施方案中，可以连接散热器和电路来至少部分减少由该计算平台产生的EMI信号。
虽然这里已经说明和描述了本发明的特定特征，但现在对于那些技术熟练的人可以进行很多修改、替换、变更和等效。因此，要理解的是，附加的权利要求计划涵盖所有这些落在本发明真正精神范围内的修改和变更。

Claims (26)

1.一种设备，包括：
一个电路，和
至少一个散热器；
连接该至少一个散热器和该电路，以便至少部分减少电路运行期间由该至少一个散热器接收的电磁干扰(EMI)信号。
2.权利要求1的设备，其中该电路还包括至少一个有源模拟设备，该至少一个有源模拟设备能够产生一个信号来至少部分减少EMI信号。
3.权利要求2的设备，其中该至少一个有源模拟设备包括一个运算放大器。
4.权利要求2的设备，其中该至少一个模拟设备主要产生电路运行期间由至少一个散热器接收的EMI信号的反向。
5.权利要求4的设备，其中运行期间由该至少一个散热器接收的EMI信号与该EMI信号的反向叠加，导致该EMI信号近乎抵消。
6.权利要求1的设备，其中连接该有源电路，以便至少部分减少从在基本上由高于、低于和等于一个主要的预定频率阀值的频率构成的组中选出的EMI信号。
7.权利要求4的设备，其中连接该电路，从而在电路运行期间动态调整EMI信号的反向。
8.权利要求7的设备，其中连接该电路，从而在电路运行期间动态调整EMI信号的反向的振幅。
9.权利要求1的设备，其中连接该电路，从连接到该至少一个散热器的电力驱动冷却设备接收电能。
10.一种连接到至少一个散热器的集成电路(IC)，包括：
一个电路；
该电路的电路结构使得当该电路运行时，该电路至少部分减少由该至少一个散热器接收的电磁干扰(EMI)信号。
11.权利要求10的集成电路(IC)，其中该电路与该至少一个散热器物理连接。
12.权利要求10的集成电路(IC)，其中该电路还包括至少一个有源模拟设备，该至少一个有源模拟设备能够至少部分减少EMI信号。
13.权利要求12的集成电路(IC)，其中该至少一个模拟设备包括一个运算放大器。
14.权利要求12的集成电路(IC)，其中该至少一个模拟设备主要产生在电路运行期间由该至少一个散热器接收的EMI信号的反向。
15.权利要求10的集成电路(IC)，其中连接该电路，以便至少部分减少从在基本上由高于、低于和等于一个主要的预定频率阀值的频率构成的组中选出的EMI信号。
16.权利要求10的集成电路(IC)，其中连接该电路，从而在电路运行期间动态调整EMI信号的反向。
17.权利要求10的集成电路(IC)，其中连接该电路，从连接到该至少一个散热器的电力驱动冷却设备接收电能。
18.一种系统，包括：
一个计算平台，包括
一个处理指令的组件，
一个存储指令的存储器；
一个电路和
至少一个散热器；
连接散热器和电路，以便至少部分减少在电路运行期间由该计算平台产生和由该至少一个散热器接收的电磁干扰(EMI)信号。
19.权利要求18的系统，其中电路还包括至少一个有源模拟设备，该至少一个有源模拟设备能够至少部分减少EMI信号。
20.权利要求18的系统，其中集成该至少一个散热器和该电路，以便形成一个独立的组件。
21.权利要求18的系统，其中连接该电路，从而在电路运行期间动态调整EMI信号的反向。
22.权利要求21的系统，其中另外配置该至少一个散热器，实现无源减少EMI信号。
23.一种使用散热器的方法，包括：
通过散热器接收电磁干扰(EMI)信号；
产生一个电磁信号以至少部分减少该EMI信号。
24.权利要求23的方法，其中产生一个电磁信号以至少部分减少该EMI信号，包括基本上反转接收到的EMI信号。
25.权利要求23的方法，其中产生一个电磁信号以至少部分减少该EMI信号包括，在运行期间动态调整电磁信号以至少部分减少该EMI信号。
26.权利要求23的方法，其中产生一个电磁信号以至少部分减少该EMI信号包括生成一个从在基本上由高于、低于和等于一个主要的预定频率阀值的频率构成的组中选出的电磁信号。
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