專利名稱:防電磁干擾的保護裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種用于減少有線(leitimgsgebimden)干擾的保護裝置,該保護裝置具有保護電路作為電子電路的輸入濾波器,其中,電子電路施加在多層印刷電路板上或至少部分地集成到該多層印刷電路板中,其中,電路的各個元件實施為在多層印刷電路板中的嵌入式結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù):
例如靜電放電(ESD)的有線干擾,可能耦合輸入到電子部件中和損壞這些電子部件。為了保護這些電路,采用大多由分立的組件所構(gòu)建的所謂的阻隔結(jié)構(gòu) (Abblockstrukturen) ο對此的示例是可變電阻、與電壓有關(guān)的電阻、或布置在要保護的電路的耦合輸入路徑的開端處的火花隙。這些通常是昂貴的,并且部分地擁有大的位置需求。除此之外,放置在要保護的電路的輸入端處的SMD電容器也是公知的,所述SMD電容器將耦合輸入脈沖的一部分引向地。按照經(jīng)驗值對電容確定尺寸,但是這在實際上常??赡軐е卤Wo布線的非最佳的設計。此外,觀察到一定的退化性能,即由于多次的脈沖負載而引起的電容減小和隨之出現(xiàn)的阻隔能力損失。除了該效應之外,寄生的串聯(lián)的電感可以防止隨著脈沖沿耦合輸入的載流子的迅速流走,由此裝置的濾波特性變差。因此尤其是脈沖的高頻分量一如既往地可以侵入要保護的電路。在公開文獻US 2005/0162790 Al中,例如描述了一種ESD保護裝置,該保護裝置具有在其間布置了不同的保護濾波器的輸入端子和輸出端子。在多層構(gòu)建的印刷電路板(PCB)情況下,在此期間公知所謂的嵌入式構(gòu)件結(jié)構(gòu), 其中,構(gòu)件集成在印刷電路板上和內(nèi)。此外,可以構(gòu)成嵌入式電容器結(jié)構(gòu)。若干IEEE出版物此外描述了這樣的嵌入式電容器結(jié)構(gòu)(例如Bruce Su等人的“AC coupled backplane communication using embedded capacitor,,或Minjia Xu等人的"Power-Bus decoupling with embedded capacitance in printed circuit board design,,)。在 US 專利文獻 6,351,880 Bl中例如描述了一種用于制造集成在多層構(gòu)建的襯底中的電容器元件的方法。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務是提供一種保護裝置,用該保護裝置尤其是在較高的頻率時可以獲得相對于有線干擾的改善的保護,以及可以實現(xiàn)與要保護電路的需要的抗干擾性的改善的適配。此外應避免在常規(guī)保護布線中的上述缺點。通過權(quán)利要求1至8所述的特征來解決該任務。根據(jù)本發(fā)明規(guī)定,由用低電感的印制導線結(jié)構(gòu)互相耦合的至少兩個電容的級聯(lián)來形成保護電路,其中,電容構(gòu)成為在多層印刷電路板上或內(nèi)的嵌入式電容結(jié)構(gòu)。該裝置相對于分立裝配的保護布線是有利的,因為以此尤其是在較高的頻率時可以獲得較好的濾波品質(zhì),使得也可以阻隔在1 GHz頻率那側(cè)的高頻干擾分量。除了電容的尺寸確定之外,這因此尤其是可能的,因為通過將電容實施為嵌入式組件,可以實現(xiàn)特別低電感的耦合。由以下事實即在多重脈沖負載情況下不發(fā)生退化,得出相對于常規(guī)保護布線的其它的優(yōu)點。這樣的阻隔結(jié)構(gòu)嵌入PCB中還使得相對于分立裝配期望改善的老化性能。因此此外可以實現(xiàn)具有小結(jié)構(gòu)高度的緊湊的電路。對于有線干擾的所有可能的形式可以優(yōu)化和采用該結(jié)構(gòu)。在一種可能的實施形式中,由一個接一個地連接的三個電容來形成保護電路,其中,低電感的印制導線結(jié)構(gòu)分別具有模擬優(yōu)化的線路長度。因此可以相對于許多不同干擾脈沖形狀獲得最佳的濾波特性。實現(xiàn)傳輸頻率響應,該傳輸頻率響應在二位數(shù)的MHz范圍中的極限頻率之上直至多個GHz范圍中明顯地在-IOdB下伸展。如果由用電容性面積元件和印制導線所組成的面積優(yōu)化的裝置來形成輸入濾波器的濾波器結(jié)構(gòu),則在緊湊的結(jié)構(gòu)尺寸方面是有利的。為了可以在最小的位置需求情況下實現(xiàn)足夠大的電容值,可以由第一和第二電極形成嵌入多層印刷電路板中的電容器結(jié)構(gòu),用于構(gòu)成其層構(gòu)造中的電容,所述電極分別通過電介質(zhì)相間隔地與布置在電極之間的接地的導體層絕緣地布置。如果由具有高介電值和高絕緣強度的原料形成在電極和接地的導體層之間的電介質(zhì),并且所述電介質(zhì)分別具有小于150 μ m的層厚,則尤其是可以獲得要追求的最小的位置需求。這樣的特別薄的層的采用能夠?qū)崿F(xiàn)比較大的電容值。例如陶瓷PTFE復合原料(例如Rogers公司的Ro3010)適合于作為電介質(zhì),該電介質(zhì)具有大約10的介電常數(shù)ε 〃并且尤其是在HF范圍中具有非常好的材料特性。這樣的材料還擁有用于制造印刷電路板的良好的可處理性。以有利的方式借助網(wǎng)絡模型來形成保護電路的濾波器結(jié)構(gòu)的尺寸確定,其中,首先在輸入側(cè)借助標準化的干擾源(例如由人引起的靜電放電(例如按照人體模型HBM))對于通向干擾宿(在此情況下例如要保護的MOS-FET電路)的傳輸線段在輸出側(cè)確定理想的傳輸函數(shù),并且在下一步驟中,借助模擬作為由嵌入式電容所組成模型來確定以分析方式估計的濾波器結(jié)構(gòu)。在此,從例如HBM脈沖的傳輸函數(shù)中確定濾波器的主要數(shù)據(jù),例如極限頻率的位置。如果通過電容結(jié)構(gòu)的節(jié)省位置的裝置以及在利用多個覆層和小的層厚的情況下確定保護電路的濾波器結(jié)構(gòu)的尺寸確定(Dimensionierimg),則可以獲得濾波器結(jié)構(gòu)的特別面積優(yōu)化的裝置。按照所采用的材料和要保護的電路相對于過臨界耦合的分量的抗干擾性可以修改該優(yōu)化的裝置,因為借助電容結(jié)構(gòu)的尺寸匹配可以在極限頻移和/或帶寬匹配方面來適配保護電路的傳輸函數(shù),其中,借助各個電容器的長度和/或?qū)挾绕ヅ浜?或借助整個濾波器結(jié)構(gòu)的側(cè)面長度的標定(Skalierimg)可以實施尺寸匹配。將濾波器結(jié)構(gòu)的側(cè)面長度標定成較小的側(cè)面長度例如引起極限頻率提高和反之亦然,其中,將側(cè)面長度降低至1/2大約相當于極限頻率加倍。通過各個電容器的長度和/或?qū)挾绕ヅ淇梢栽趥鬏敽瘮?shù)中改變確定的帶通濾波器段。在單個情況下最佳的匹配因此是可能的,這在保護電路的分立裝配時由于構(gòu)件分散而是不可能的。如以前已描述的那樣,保護裝置的優(yōu)選的使用規(guī)定,采用在機動車中用于減少靜電干擾和/或用于衰減在傳感器線路、控制線路和/或數(shù)據(jù)線路處或電動機動車情況下傳動線路處的高頻干擾分量。尤其是可能由于增長的復雜的控制任務以及由于總線系統(tǒng)的引入而產(chǎn)生具有靜電干擾的問題,這些問題通過使用所建議的保護裝置而可以解決或至少明顯地減少。通過這樣的保護電路的集成,尤其是可以在結(jié)構(gòu)高度方面更緊湊地和更干擾安全地來設計功率電子裝置。
以下借助在圖中所示出的實施例來更詳細地闡述本發(fā)明。其中 圖1以俯視圖展示了具有電容和電感結(jié)構(gòu)的保護裝置,
圖2展示了按照圖1中所示出的保護裝置的保護電路, 圖3以示意圖示范性展示了具有嵌入式電容器的多層印刷電路板的構(gòu)造, 圖4展示了保護裝置的傳輸函數(shù),和
圖5和圖6分別以示意圖展示了保護裝置的尺寸匹配對傳輸函數(shù)的影響。
具體實施例方式在圖1中以俯視圖示出了具有電容和電感結(jié)構(gòu)30、20的保護裝置1,該保護裝置1 構(gòu)成保護電路40,其中,根據(jù)本發(fā)明電容結(jié)構(gòu)30被示出為印刷電路板中的嵌入式構(gòu)件。在該視圖中,因此只能識別出電容結(jié)構(gòu)30的電極11、12以及將電容結(jié)構(gòu)30互相耦合的印制導線。印制導線在此構(gòu)成電感結(jié)構(gòu)20。在該示圖中,沒有示出相應的對應電極或屏蔽以及絕緣或電介質(zhì)層。這些作為附加的覆層不可見地位于所展示的覆層之下和/或之上。在所展示的示例中示出了第一電容31,該第一電容31在信號方向上觀察直接布置在保護電路40的輸入端41的后面,并且按照結(jié)構(gòu)的面積采用比較大的值。該第一電容 31在所展示的示例中擁有兩個相同大的面積。該第一電容31經(jīng)由構(gòu)成為第一電感21的印制導線回紋(Leiterbahmi^ander)與同樣雙翼地構(gòu)成的第二電容32相耦合。按照電極 11、12的面積,該電容32的值明顯小于該濾波器網(wǎng)絡中的第一電容31的值。同樣,經(jīng)由構(gòu)成第二電感22的印制導線結(jié)構(gòu)進行該第二電容32與第三電容33的耦合。同樣再次按照其電極11、12的面積,該第三電容被實施為小于第二電容32。至保護電路40的輸出端42, 設置以其它的印制導線回紋形式的第三電感23。在此,如此設計保護裝置1或保護電路40的布局,使得低電感的印制導線結(jié)構(gòu)分別具有模擬優(yōu)化的線路長度,其中,由電容性面積元件和印制導線的面積優(yōu)化的裝置來形成該輸入濾波器的濾波器結(jié)構(gòu)。圖2作為等效電路圖展示了按照圖1中所示出的保護裝置1的保護電路40。三個電容器(電容31,32,33)的級聯(lián)位于保護電路40的輸入端41和輸出端42之間,所述電容器的分別一個電極與印制導線相耦合。三個電容器的分別另外的電極位于地(接地16)。 印制導線構(gòu)成低電感的電感21、22、23。通過保護裝置1的布局,可以非常準確地預先確定這些電感21、22、23。在圖3中示范性以截面示出了多層印刷電路板10,電容器結(jié)構(gòu)嵌入在所述多層印刷電路板10中。在從上方開始的層序列中,多層印刷電路板10首先具有由FR4載體材料 14制成的大約75 μ m厚的層,該FR4載體材料14在兩側(cè)上具有大約35 μ m厚的銅層13。上面的銅層13位于地(接地16)。下面的銅層13構(gòu)成電容器結(jié)構(gòu)的第一電極11。通過由陶瓷PTFE復合原料15 (例如Ro3010,125 μ m厚)制成的電介質(zhì)與該第一電極11絕緣地,存在由FR4載體材料14制成的大約75 μ m厚的其它的層,該其它的層同樣具有帶有35 μ m層厚的兩側(cè)的銅層13。兩個銅層13同樣與地相連接(接地16)。向下接著再次是由陶瓷Ρ Ε 復合原料15制成的電介質(zhì)層,該電介質(zhì)層將構(gòu)成為第二電極12的銅層13與在多層印刷電路板10中間的位于地的銅層13絕緣。構(gòu)成為第二電極12的銅層13是由FR4載體材料14 制成的下面的層的部分,該下面的層同樣具有帶有35μπι層厚的兩側(cè)的銅層13,其中,在層構(gòu)造中最下面的銅層13又與地相連接(接地16)。
尤其是在構(gòu)成在多層印刷電路板10之內(nèi)的電介質(zhì)層的情況下小的層厚以及多個覆層的利用能夠?qū)崿F(xiàn)電容結(jié)構(gòu)的節(jié)省位置的裝置。
圖4示范性以流程圖展示了來自圖1的濾波器裝置或來自圖2的保護電路40的傳輸函數(shù)50。示出了傳輸頻率曲線51,在該傳輸頻率曲線51中與頻率53有關(guān)地示出了輸出信號強度52。以dB為單位說明輸出信號強度52。同樣以對數(shù)示出了頻率53的標定。用濾波器裝置實現(xiàn)傳輸頻率曲線51,該傳輸頻率曲線51在大約20 MHz的極限頻率之上直至約10 GHz的范圍中明顯地在-10 dB之下伸展,這負責高頻干擾脈沖的寬帶抑制。與分立地構(gòu)建的保護電路40相比較,顯著改善了尤其是在高頻的頻率分量情況下的濾波的品質(zhì)。
圖5和6示意地展示了,如何可以借助電容結(jié)構(gòu)的尺寸匹配60在極限頻移54(圖 5)和/或帶寬匹配55 (圖6)方面來適配保護裝置1的在圖4中示出的傳輸函數(shù)50。因此例如通過整個濾波器結(jié)構(gòu)的側(cè)面長度63的標定(如這在圖5中示意性所示出的那樣),可以移動極限頻率,其中,整個濾波器結(jié)構(gòu)的側(cè)面長度63的減半大約引起極限頻率加倍。在圖 6中示意性示出,借助保護裝置1的各個電容器結(jié)構(gòu)的長度和/或?qū)挾绕ヅ?1、62,可以在傳輸函數(shù)50內(nèi)進行各個頻率范圍之內(nèi)的帶寬匹配55。
權(quán)利要求
1.用于減少有線干擾的保護裝置(1),該保護裝置(1)具有保護電路(40)作為電子電路的輸入濾波器,其中,電子電路施加在多層印刷電路板(10)上或至少部分地集成到該多層印刷電路板(10)中,其中,電路的各個元件實施為多層印刷電路板(10)中的嵌入式結(jié)構(gòu),其特征在于,保護電路(40)由用低電感的印制導線結(jié)構(gòu)互相耦合的至少兩個電容(31, 32,33)的級聯(lián)來形成,其中,電容(31,32,33)構(gòu)成為在多層印刷電路板(10)上或內(nèi)的嵌入式電容結(jié)構(gòu)(30)。
2.按照權(quán)利要求1的保護裝置(1),其特征在于,由一個接一個地連接的三個電容(31, 32,33)來形成保護電路(40),其中,低電感的印制導線結(jié)構(gòu)分別具有模擬優(yōu)化的線路長度。
3.按照權(quán)利要求1或2的保護裝置(1),其特征在于,由用電容性面積元件和印制導線所組成的面積優(yōu)化的裝置來形成輸入濾波器的濾波器結(jié)構(gòu)。
4.按照權(quán)利要求1至3之一的保護裝置(1),其特征在于,由第一和第二電極(11, 12)來形成嵌入在多層印刷電路板(10)中的電容器結(jié)構(gòu)(30),用于構(gòu)成其層構(gòu)造中的電容 (31,32,33),所述第一和第二電極(11,12 )分別通過電介質(zhì)相間隔地與布置在電極(11, 12)之間的接地的導體層絕緣地布置。
5.按照權(quán)利要求4的保護裝置(1),其特征在于,在電極(11,12)和接地的導體層之間的電介質(zhì)由具有高介電值的和高絕緣強度的原料形成,并分別具有小于150 μ m的層厚。
6.按照權(quán)利要求1至5之一的保護裝置(1),其特征在于,借助網(wǎng)絡模型來形成保護電路(40)的濾波器結(jié)構(gòu)的尺寸確定,其中,借助標準化的干擾源在輸入側(cè)確定理想的傳輸函數(shù)(50)。
7.按照權(quán)利要求6的保護裝置(1),其特征在于,通過電容結(jié)構(gòu)的節(jié)省位置的裝置以及在利用多個覆層和小的層厚的情況下來確定保護電路(40)的濾波器結(jié)構(gòu)的尺寸確定。
8.按照權(quán)利要求1至7之一的保護裝置(1),其特征在于,借助電容結(jié)構(gòu)(30)的尺寸匹配(60)在極限頻移(54)和/或帶寬匹配(55)方面可以適配保護電路(40)的傳輸函數(shù) (50),其中,借助各個電容器(31,32,33)的長度和/或?qū)挾绕ヅ?61,62)和/或借助整個濾波器結(jié)構(gòu)的側(cè)面長度(63 )的標定可以實施尺寸匹配(60 )。
9.按照以上權(quán)利要求之一的保護裝置(1)在機動車中的應用,用于減少靜電干擾和/ 或衰減傳感器線路、控制線路和/或數(shù)據(jù)線路處或在電動機動車情況下傳動線路處的高頻干擾分量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于減少有線干擾的保護裝置,該保護裝置具有保護電路作為電子電路的輸入濾波器,其中,電子電路施加在多層印刷電路板上或至少部分地集成到該多層印刷電路板中,其中,電路的各個元件實施為多層印刷電路板中的嵌入式結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明規(guī)定,保護電路由用低電感的印制導線結(jié)構(gòu)互相耦合的至少兩個電容的級聯(lián)來形成,其中,電容構(gòu)成為在多層印刷電路板上或內(nèi)的嵌入式電容結(jié)構(gòu)。用該保護裝置,可以實現(xiàn)尤其是在較高頻率時相對于分立地裝配的保護濾波器改善的濾波性能,這一方面導致相對于靜電干擾的改善的保護。此外可以一方面將濾波器結(jié)構(gòu)模擬地非常好地與要保護電路的需要的抗干擾性相協(xié)調(diào)并且另一方面可以獲得改善的老化性能。
文檔編號H05K1/16GK102550134SQ201080046408
公開日2012年7月4日 申請日期2010年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月14日
發(fā)明者C.斯普拉特勒 申請人:羅伯特·博世有限公司