CN100441072C - 提供直流电源并有高效减噪的噪音过滤器的电子装置 - Google Patents

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Abstract

在一向LSI芯片(20)提供直流电源的电子装置中，将具有一输入端口(2，3)和一输出端口(5，4)的分布常数型噪声过滤器(1)固定在电路板(6)上。噪声过滤器(1)减少高频噪声的进入而允许直流电源流过。输入端口(2，3)与电路板(6)上的一直流电力线(7a)和一接地导体(8a)相连接。输出端口(5，4)与独立的电力导体(7b)和独立的接地导体(8b)相连接，独立的电力导体(7b)和独立的接地导体(8b)与固定在电路板(6)上的LSI(20)相连接。在另一实施例中，将LSI(20)固定在另一电路板(17)上，过滤器的输出端口(5，4)通过位于电路板(6)上的导体管脚(18，19)与另一电路板(17)连接。

Description

提供直流电源并有高效减噪的噪音过滤器的电子装置
本申请要求在先申请JP2002-76318的优先权，上述公开的内容在本申请中参考引用。
技术领域
本发明涉及一种电子装置，该装置将来自直流电源的直流电供给负载电路，特别是涉及这样一种具有安装在电路板上的噪音过滤器的直流电源供给电子装置。
背景技术
近来，一种包括LSI(大规模集成电路)的数字电路技术越来越广泛地应用到各种各样的用途中，例如用在计算机、通讯装置、家用设备、车用装置等中。在这些应用中，存在一个电磁干扰(EMI)的问题，即所用的数字电路产生一个高频噪声电流，该电流经电力线传到电源。电力线会发射一作为噪声的不希望的电磁波。而噪声电流也可能流入到与电源相连的其它电路中去。
为了解决EMI问题，所谓的电源去耦技术很有效，该技术将产生于诸如大规模集成电路芯片的数字电路的噪声电流消除、衰减或降低。换句话说，电源和电力线与大规模集成电路芯片在高频时是分隔的。在电源去耦技术中，将噪声过滤器用作现有的去耦芯片，它包括一可为多种型号的电容器。例如在日本专利申请JP-A2000-77852的附图5中示出的电容器。
参照图1，将作为噪声过滤器的电容器25连接在电路板6的接地导体层(GND层)8和电力线导体层(VCC层)7之间，在电路板6中安装有一LSI芯片20并将其与VCC层7和GND层8相连接。将VCC层7和GND层8与直流电力线(未示出)相连接，因此将来自直流电源的直流电通过VCC层7和GND层8供给LSI芯片20。在这个电路结构里，VCC层7和GND层8在高频时通过电容器25短接。高频噪声电流通过一实线箭头示出的环从LSI芯片20中流入，并从包括VCC层7和GND层8的电力线电路中消除。但是，电容器25要保持高频范围下的低阻抗是很难的。这是因为电容器的自共振现象。这样，当噪声电流的频率变得越来越高时，电容器25的阻抗也变高以致于噪声电流不能流经电容器25，而是流经延伸到电路板6的整个区域的VCC层7和GND层8，如另一虚线箭头所示，然后流到电源(未示出)。这样不幸的是，发射了不期望的电磁波。因此，在近来的趋势下，当数字电路中的信号发射速度增长的越来越快时，现有的诸如电容器的噪声过滤器对削弱噪声电流的电源去耦是没有效果的。
因此，在以增加的高速度操作数字电路的应用中，需要一噪声过滤器，该噪声过滤器即使在升高的高频下具有低的阻抗。这种所需的噪声过滤器是通过2001年8月29日申请的在先日本专利申请No.2001-259453中的两个共同发明者和一个非共同发明者提出的，该在先专利申请与本申请转让给了同一受让人。在先申请所提出的噪声过滤器在结构上是一电容器，也是一在高频时的分布常数电路型噪声过滤器。因此，所提出的噪声过滤器能近似用作图1中的电容器25。
参见图2，以例子来描述将所提出的分布常数电路型的噪声过滤器1代替现有的噪声过滤器25，现有的噪声过滤器25包括一在类似于图1中的电路板6的电路板上的电容器。将噪声过滤器1和负载电路20固定在电路板6上。噪声过滤器1具有电力输入端、接地输入端、电力输出端和接地输出端2，3，4，和5。
电路板6不同于图1中的电路板，它具有第一至第四导体区13、14、15和16，它们分别与电力输入端2、接地输入端3，接地输出端4和电力输出端5相连接，第一和第四导体区13和16分别通过通孔9和12与VCC层7相连接。第二和第三导体区分别通过通孔10和11与GND层8相连接。
在图2示出的结构中采用提出的噪声过滤器1，仍然存在一个问题是不能充分降低高频噪声，其原因将在下文阐述。
在电路板6中，VCC层7和GND层8通常是分别由宽且连续的图案形成的。因此，通常VCC层7和GND层8的阻抗都很低。相反，将VCC层7和GND层8与第一到第四导体区13-16进行连接的通孔9-12的阻抗通常比VCC层7和GND层8的阻抗高。而且，通孔9-12的阻抗随着噪声电流频率的升高而升高。
因此，当噪声电流的频率越来越高时，噪声电流就很难通过通孔9-12流入噪声过滤器1中去。这样，噪声电流就不是减少而是传送到了VCC层7和GND层8中。
发明内容
鉴于上述情况，本发明的一个目的是提供这样一种电子装置，它将来自直流电源的直流电供给负载电路，并能有效减少负载电路所产生的高频噪声电流。
本发明提供一电子装置，该装置用于将来自直流电源的直流电供给负载电路，并在高频状态下将包括电源在内的电力线与产生高频噪声的负载电路分隔。该电子装置包括一电路板和一噪声过滤器。电路板包括在电路板的一个表面上形成的第一至第四导体区，与第一导体区连接的电力线导体层，与第二导体区连接的接地导体层。电力线导体层适合与电源相连接。接地导体层适合接地。将噪声过滤器固定在电路板上，该噪声过滤器具有一电力输入端、一接地输入端、一接地输出端和一电力输出端，它们分别与第一至第四导体区相连接。噪声过滤器具有高频过滤电路，该电路减少高频噪声的进入而允许直流电源的通过。该装置还包括电力和接地导体。电力和接地导体与第四和第三导体区相连接，用于将第三和第四导体区与负载电路相连接，而不与电力线导体层和接地导体层连接。
接地输入端和接地输出端可互相连接形成一单独的接地端。
电力线导体层可形成电路板的一个内部的层，并通过电路板上的第一通孔与第一导体区相连接。
接地导体层可形成电路板的一个内部的层，并通过电路板上的第二通孔与第二导体区相连接。
电力线导体层可形成在电路板的表面并与第一导体区相连接。
接地导体层可形成在电路板的背面，并通过电路板上的第三通孔与第二导体区相连接。
电力导体可形成电路板的一个内部的层，并通过电路板上的第四通孔与第四导体区相连接。
接地导体可形成电路板的一个内部的层，并通过电路板上的第五通孔与第三导体区相连接。
电力导体层可形成在电路板的表面并与第四导体区相连接。
接地导体可形成在电路板的背面，并通过电路板上的第六通孔与第三导体区相连接。
负载电路可固定在电路板的表面并与电力导体和接地导体相连接。
负载电路可固定在与上述电路板分离的另一电路板上。电力和接地导体包括分别与电路板上的第四和第三导体区连接的电力导体管脚和接地导体管脚，用于将第四和第三导体区与另一电路板相连接，以建立第四和第三导体区与负载电路的电连接。
负载电路可表面安装在另一电路板的表面上。而且，电力和接地导体管脚可从另一电路板的背面穿到该另一电路板的表面。
噪声过滤器可以是一分布常数型。
阅读了下面的详细描述后将会明白本发明的另一些目的、特点和优点。
附图说明
图1示意性示出了现有电子装置的横截面图，该装置包括一具有噪声过滤器的电路板，该噪声过滤器用于给负载电路提供直流电。
图2示意性示出了使用在先专利申请中提出的另一噪声过滤器的电路板的横截面图。
图3示意性示出了根据本发明第一实施例的电子装置的横截面图。
图4示意性示出了根据本发明第二实施例的电子装置的横截面图。
图5示意性示出了根据本发明第三实施例的电子装置的横截面图。
图6示意性示出了根据本发明第四实施例的电子装置的横截面图。
图7示意性示出了根据本发明第五实施例的电子装置的横截面图。
图8示意性示出了根据本发明第六实施例的电子装置的横截面图。
图9示意性示出了根据本发明第七实施例的电子装置的横截面图。
图10示意性示出了根据本发明第八实施例的电子装置的横截面图。
图11示意性示出了根据本发明第九实施例的电子装置的横截面图。
图12示意性示出了根据本发明第十实施例的电子装置的横截面图。
图13示意性示出了根据本发明第十一实施例的电子装置的横截面图。
图14示意性示出了根据本发明第十二实施例的电子装置的横截面图。
图15是在图2-14中使用的噪声过滤器的透视图，示出了过滤器元件的结构。
图16是图15的噪声过滤器的等效电路，是四端子类型。
图17是图15的噪声过滤器的另一等效电路，是三端子的类型。
图18是与图1作比较的响应图3实施例的噪声衰减频率的曲线图。
具体实施方式
现在，将参照图3至14给出本发明的各种实施例的详细描述。在图中，相同的部分用同样的参考标号来表示。而且，在这些实施例中的噪声过滤器1是在该说明书前言中引用的优先申请中提出的分布常数型，下文将阐述噪声过滤器的内部结构和参照图15-17的不同的等效电路。
第一实施例
参见图3，一电子装置包括一电路板6和固定在电路板上的噪声过滤器1。在这个实施例中，将一诸如LSI芯片的负载电路20也固定在电路板6上。
噪声过滤器1具有电源和接地输入端2和3，以及电源和接地输出端5和4。
电路板6在其表面具有第一至第四导体区13-16，分别与噪声过滤器1的电源和接地输入端2和3以及电源和接地输出端5和4连接。电路板6具有一电力线导体层(VCC层)7a和一接地层(GND层)8a，它们作为电路板6里面的独立的内部导电层。VCC层7a与GND层8a分别延伸到第一和第二导体区13和14的下面，并通过第一和第二通孔9和10连接到第一和第二导体区，在电路板6中，第一和第二通孔9和10分别垂直地从VCC层7a和GND层8a延伸到第一和第二导体区13和14。VCC层7a和GND层8a与一直流电源(未示出)相连接。因此，噪声过滤器1在电源和接地输入端2和3处分别通过一电压环(7a-9-13)和一接地环(8a-10-3)与直流电源相连接。
电路板6还提供一电源线或输出电源线(O-VCC层)7b和一输出接地导体(O-GND层)8b，它们作为电路板的内部导体层形成，并与VCC层7a和GND层8a分离。O-VCC层7b和O-GND层8b分别延伸到第四和第三导体区16和15的正下方。第三和第四导体区通过电路板6上的第三和第四通孔11和12与O-GND层8b和O-VCC层7b相连接。
因此，在电源和接地输入端2和3处施加到噪声过滤器1中的来自直流电源的直流电存在于电源和接地输出端5和4，这将在下文描述，并通过第四和第三导体区16和15以及第四和第三通孔12和11提供给O-VCC层和O-GND层。
在本实施例中，LSI芯片20是表面安装在电路板6的表面上的。
LSI芯片20有一电源端和接地端21和22。
电路板6的表面具有第五和第六导体区23和24，它们与LSI芯片20的电源和接地端相连接。第五和第六导体区23和24通过第五和第六通孔25和26与O-VCC层7b和O-GND层8b相连接.因此，将在O-VCC层7b和O-GND层8b上的电源供给LSI芯片20。
如果高频噪声电流在LSI芯片20工作时产生并流经O-VCC和O-GND层7b和8b，噪声电流就可靠地流进噪声过滤器的电源和接地输出端5和4，因为O-VCC和O-GND层仅仅通过通孔12和11与端子5和4相连接，而没有与VCC和GND层7a和8a相连接。这样，噪声电流就在噪声过滤器1上减少或衰减了。
第二实施例
参见图4，除了将在图3中的接地输入和输出端3和4连接在一起形成一仅以附图标记3表示的单独的接地端以外，所示的电子装置与第一实施例相似。
在本实施例中，本领域技术人员能够理解根据本实施例示出在图4中的电子装置与图3中所示的实施例是以相同的方式工作。
第三实施例
参见图5，此处示出的根据第三实施例的电子装置是一种将直流电源供给固定在另一电路板17上的LSI芯片20。另一电路板17有导体区27和28，用于接收安装并连接到电路板17上的LSI芯片20的电源端和接地端21和22。在另一电路板17表面，还有另外的导体区30和29，它们分别与导体区27和28相连接。
在本实施例中，电路板6将电力导体7b和接地导体8b不是做成O-VCC和O-GND层的内部层，而是做成诸如O-VCC管脚19和O-GND管脚18的导电管脚。O-VCC管脚和O-GND管脚位于第四和第三导体区16和15之上。
O-VCC管脚19和O-GND管脚18与另一电路板17上的导体区30和29相连接。因此，LSI芯片20的电源端和接地端21和22与噪声过滤器1的电源和接地输出端5和4相连接，而没有与VCC层7a和GND层8a相连接。
因此，供给噪声过滤器的电源和接地输入端2和3的直流电源也供给LSI芯片20。LSI芯片20产生的高频噪声电流实际上就流进噪声过滤器1中，并因此衰减。
在本实施例中，另一电路板17作为子板安装在电路板6之上，电路板6是主板，所以O-VCC管脚19和O-GND管脚18沿着子板17的外围向上延伸到旁边，并与子板17表面的导体区30和29相连接。
第四实施例
参见图6，除了将图5中的接地输入端3和输出端4连接在一起形成一仅用附图标记3表示的单独的接地端以外，此处所示的第四实施例与第三实施例相似。
在本实施例中，本领域技术人员能够理解根据本实施例示出在图6中的电子装置与图5中所示的实施例以相同的方式工作。
第五实施例
参见图7，除了O-VCC管脚19和O-GND管脚18向上立着并穿过子板17与子板17上的导体区30和29相连接以外，此处所示的第五实施例与第三实施例相似。因此，子板17设置在主板6上，这样导体区29和30就正好位于主板6的第三导体区15和第四导体区16之上。
在本实施例中，本领域技术人员能够理解根据本实施例示出在图7中的电子装置与图5中所示的实施例以相同的方式工作。
第六实施例
参见图8，除了将图7中的接地输入端3和输出端4连接在一起以形成一仅用附图标记3表示的单独的接地端以外，此处所示的第六实施例与第五实施例相似。
在本实施例中，本领域技术人员能够理解根据本实施例示出在图8中的电子装置与图5中所示的实施例以相同的方式工作。
第七实施例
参见图9，除了VCC层7a、GND层8a、O-VCC层7b和O-GND层8b不是形成电路板6的内部层而是形成在电路板6对面的表面层以外，此处根据第七实施例所示的电子装置与图3中的第一实施例相似。
如图中所示，VCC层7a和O-VCC层7b形成在电路板6的表面。这样，VCC层7a与电路板6的表面的第一导体区13相连接，O-VCC层7b与电路板6的表面的第四导体区16和第五导体区23相连接。
GND层8a和O-GND层8b分离形成在电路板6的背面或下表面。背面的GND层8a通过通孔10与电路板6表面的第二导体区14相连接。背面的O-GND层8b与电路板6表面的第三导体区15和第六导体区24相连接。
在上述结构中，直流电源通过作为电路板6相对面上的表面层的VCC层7a和GND层8a，在噪声过滤器1的电力输入端2和接地输入端3处将电源供给过滤器1。然后，直流电源从过滤器1的电力输出端5和接地输出端4输出传送到形成在电路板6的表面和背面的表面层O-VCC层7b和背面层O-GND层8b中，接着从那里供给LSI芯片20。
如果LSI芯片20产生高频噪声电流并流经O-VCC表面层7b和O-GND表面层8b，噪声电流实际上也就流进噪声过滤器1中，并因此衰减。
第八实施例
参见图10，除了将图9中的接地输入端3和输出端4连接在一起以形成一仅用附图标记3表示的单独的接地端以外，此处所示的电子装置与第七实施例相似。
在本实施例中，本领域技术人员能够理解根据本实施例示出在图10中的电子装置与图9中所示的实施例以相同的方式工作。
第九实施例
参见图11，此处所示的电子装置是对图5所示的第三实施例的变形，除了VCC层7a和O-VCC层7b不是形成内部层而是形成表面层以外，此处所示的电子装置与图10中的实施例相似。
在本实施例中，本领域技术人员能够理解根据本实施例示出在图11中的电子装置与图5和图10中所示的实施例以相同的方式工作。
第十实施例
参见图12，除了将图11中的接地输入端3和输出端4连接在一起以形成一仅用附图标记3表示的单独的接地端以外，此处所示的电子装置与第九实施例相似。
在本实施例中，本领域技术人员能够理解根据本实施例示出在图12中的电子装置与图11中所示的实施例以相同的方式工作。
第十一实施例
参见图13，此处所示的实施例是对图11所示的实施例的变形，而这种变形与图6中所作的变形相似。即，O-VCC管脚19和O-GND管脚18穿过子板17。
第十二实施例
参见图14，此处所示的实施例是图13的实施例的变形，其中将图13中的输入端3和输出端4连接到一起以形成一仅用附图标记3表示的单独的接地端。
在第十一和第十二实施例中，本领域的技术人员可以理解图13和14中所示的电子装置与图11所示的实施例以相同的方式工作。
现在，对实施例中所用的噪声过滤器1的例子参照图15进行详细描述。
图15中所示的噪声过滤器1是一分布常数型，且构造成3端或4端的双端口分布常数型电容器。噪声过滤器1具有一以称为“带状线”的传输线的形式形成的电容器。除了两端以外，电容器包括一夹在对置的压电元件1b之间的平金属板或条带1a，进一步将它们夹在相对折叠的氧化层1c中间。石墨/银粘贴层1d覆盖在氧化层1c上，从而固化形成一分布常数型电容器元件。平金属板1a的两端端暴露在重叠层1b-1c-1d之外。电容器元件在作为外壳的塑料树脂中铸模，以获得芯片型的噪声过滤器。外壳具有有输入和输出端2和5，接地端3和4，在铸模之前，将输入和输出端2和5连接到金属板1a的两端部分，将接地端3和4与石墨/银层1d相连接。因此得到了示出在附图3中的4端噪声过滤器。可形成代替两个接地端3和4的单独的接地端3，从而获得图4中所示的3端噪声过滤器1。
如上所述的分布常数型噪声过滤器1通过在图16和17所示的高频时用等效电路来表示。图16和17的电路分别对应于4端和3端结构。在另一情况，噪声过滤器包括L和C组部件，以形成一双端口过滤器电路，其中一端口为2-3，而另一端口为5-4或5-3。
本领域的技术人员可以理解的是，如果将一高频信号或一噪声电流输入，则噪声电流将通过过滤器衰减，并不会输出到双端口中的另一端口中。
而且，可以理解的是输入端2和输出端5直接与直流电流相连接，接地端3和4也彼此与直流电流相连。
因此，通过分别将输入端口2-3和输出端口5-4(或5-3)与直流电源和负载电路相连接，直流电源就能通过噪声过滤器1供给负载电路，且负载电路产生的高频噪声电流将在噪声过滤器中衰减。
下文将对在先日本专利申请NO.2001-259453中提出的噪声过滤器进行描述。相应地，略去进一步的详细描述，但是参照在先专利申请的说明书和附图来解释。因此，将在先专利申请的说明书和附图与本申请合并。
本发明中采用的噪声过滤器1不受在先专利申请中所披露的内容限制，而是任何能衰减输入到其中的高频噪声电流的双端口噪声过滤器，高频噪声电流可从双端口的任一端口输入并能将直流电源从一端口传输到另一端口。
图18示出了根据图3中所示的第一实施例的电子装置的衰减频率响应。粗曲线表示这种响应。与此对比的是，细曲线表示图1中所示的现有装置的噪声衰减的频率响应.
从图18中可以看出，与现有的装置相比，本发明的电子装置在较宽的频率范围内的噪声消减是很有效的。特别地，本发明的电子装置在不低于10MHz的频率范围内的噪声消减有显著的效果。
至此，本发明已经结合优选实施例进行了描述，本领域技术人员很容易将本发明在实践中推广到其它形式。

Claims (14)

1.一种电子装置，用于将来自电源的直流电供给负载电路，并在高频状态下将包括电源的电力线电路与产生高频噪声的负载电路分隔，包括：
一电路板(6)，该电路板包括在其表面上形成的第一至第四导体区(13，14，16，15)，与所述第一导体区(13)连接的电力线导体层(7a)，与所述第二导体区(14)连接的接地导体层(8a)，所述电力线导体层(7a)适合与电源连接，所述接地导体层(8a)适合接地；
一噪声过滤器(1)，该噪声过滤器安装在所述电路板(6)上，并具有一电力输入端(2)、接地输入端(3)、接地输出端(4)和电力输出端(5)，它们分别与所述第一至第四导体区(13，14，15，16)相连接，所述噪声过滤器具有一高频过滤电路，用于减少高频噪声的进入而允许直流电流通过；以及
与所述第四和第三导体区(16，15)连接的电力和接地导体(7b，8b，19，18)，用于将所述第四和第三导体区(16，15)与负载电路相连接而不与所述电力线导体层(7a)和所述接地导体层(8a)相连接。
2.一种如权利要求1所述的电子装置，其中所述接地输入端(3)和所述接地输出端(4)彼此连接到一起以形成一单独的接地端(3)。
3.一种如权利要求1所述的电子装置，其中所述电力线导体层(7a)形成所述电路板(6)的一个内部的层，且所述电力线导体层(7a)通过在所述电路板(6)上形成的第一通孔(9)与所述第一导体区(13)相连接。
4.一种如权利要求1所述的电子装置，其中所述接地导体层(8a)形成所述电路板(6)的一个内部的层，且所述接地导体层(8a)通过在所述电路板(6)上形成的第二通孔(10)与所述第二导体区(14)相连接。
5.一种如权利要求1所述的电子装置，其中所述电力线导体层(7a)形成在所述电路板(6)的所述表面，并与第一导体区相连接。
6.一种如权利要求1所述的电子装置，其中所述接地导体层(8a)形成在所述电路板(6)的背面，且所述接地导体层(8a)通过在所述电路板(6)上形成的第三通孔(10)与所述第二导体区(14)相连接。
7.一种如权利要求1所述的电子装置，其中所述电力导体形成所述电路板(6)的一个内部的层(7b)，且所述电力导体(7b)通过在所述电路板(6)上形成的第四通孔(12)与所述第四导体区(16)相连接。
8.一种如权利要求1所述的电子装置，其中所述接地导体(8b)形成所述电路板(6)的一个内部的层，且所述接地导体(8b)通过在所述电路板(6)上形成的第五通孔(11)与所述第三导体区(15)相连接。
9.一种如权利要求1所述的电子装置，其中所述电力导体层(7b)形成在所述电路板(6)的所述表面，并与电路板的第四导体区相连接。
10.一种如权利要求1所述的电子装置，其中所述接地导体(8b)形成在所述电路板(6)的背面，并通过所述电路板(6)上的第六通孔(11)与所述第三导体区(15)相连接。
11.一种如权利要求1所述的电子装置，其中将所述负载电路(20)安装在所述电路板(6)的所述表面，并且该负载电路与所述电力导体(7b)和所述接地导体(8b)相连接。
12.一种如权利要求1所述的电子装置，将负载电路(20)安装在与所述电路板(6)分离的另一电路板(17)上，其中所述电力导体和所述接地导体包括与所述电路板(6)上的所述第四和第三导体区(16，15)连接的电力导体管脚(19)和接地导体管脚(18)，用于将所述第四和第三导体区(16，15)与所述另一电路板(17)连接，以建立所述第四和第三导体区(16，15)与所述负载电路(20)的电连接。
13.一种如权利要求12所述的电子装置，将所述负载电路(20)表面安装在所述另一电路板(17)的表面上，其中所述电力导体管脚和所述接地导体管脚(18，19)从所述另一电路板(17)的背面穿过所述另一电路板(17)的所述表面。
14.一种如权利要求1所述的电子装置，其中所述噪声过滤器(1)是分布常数型。
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