CN102550134A - 防电磁干扰的保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于减少有线干扰的保护装置，该保护装置具有保护电路作为电子电路的输入滤波器，其中，电子电路施加在多层印刷电路板上或至少部分地集成到该多层印刷电路板中，其中，电路的各个元件实施为多层印刷电路板中的嵌入式结构。根据本发明规定，保护电路由用低电感的印制导线结构互相耦合的至少两个电容的级联来形成，其中，电容构成为在多层印刷电路板上或内的嵌入式电容结构。用该保护装置，可以实现尤其是在较高频率时相对于分立地装配的保护滤波器改善的滤波性能，这一方面导致相对于静电干扰的改善的保护。此外可以一方面将滤波器结构模拟地非常好地与要保护电路的需要的抗干扰性相协调并且另一方面可以获得改善的老化性能。

Description

防电磁干扰的保护装置

技术领域

本发明涉及一种用于减少有线（leitungsgebunden）干扰的保护装置，该保护装置具有保护电路作为电子电路的输入滤波器，其中，电子电路施加在多层印刷电路板上或至少部分地集成到该多层印刷电路板中，其中，电路的各个元件实施为在多层印刷电路板中的嵌入式结构。

背景技术

例如静电放电（ESD）的有线干扰，可能耦合输入到电子部件中和损坏这些电子部件。为了保护这些电路，采用大多由分立的组件所构建的所谓的阻隔结构（Abblockstrukturen）。

对此的示例是可变电阻、与电压有关的电阻、或布置在要保护的电路的耦合输入路径的开端处的火花隙。这些通常是昂贵的，并且部分地拥有大的位置需求。除此之外，放置在要保护的电路的输入端处的SMD电容器也是公知的，所述SMD电容器将耦合输入脉冲的一部分引向地。按照经验值对电容确定尺寸，但是这在实际上常常可能导致保护布线的非最佳的设计。此外，观察到一定的退化性能，即由于多次的脉冲负载而引起的电容减小和随之出现的阻隔能力损失。除了该效应之外，寄生的串联的电感可以防止随着脉冲沿耦合输入的载流子的迅速流走，由此装置的滤波特性变差。因此尤其是脉冲的高频分量一如既往地可以侵入要保护的电路。

在公开文献US 2005/0162790 A1中，例如描述了一种ESD保护装置，该保护装置具有在其间布置了不同的保护滤波器的输入端子和输出端子。

在多层构建的印刷电路板（PCB）情况下，在此期间公知所谓的嵌入式构件结构，其中，构件集成在印刷电路板上和内。此外，可以构成嵌入式电容器结构。若干IEEE出版物此外描述了这样的嵌入式电容器结构（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专利文献6,351,880 B1中例如描述了一种用于制造集成在多层构建的衬底中的电容器元件的方法。

发明内容

本发明的任务是提供一种保护装置，用该保护装置尤其是在较高的频率时可以获得相对于有线干扰的改善的保护，以及可以实现与要保护电路的需要的抗干扰性的改善的适配。此外应避免在常规保护布线中的上述缺点。

通过权利要求1至8所述的特征来解决该任务。

根据本发明规定，由用低电感的印制导线结构互相耦合的至少两个电容的级联来形成保护电路，其中，电容构成为在多层印刷电路板上或内的嵌入式电容结构。该装置相对于分立装配的保护布线是有利的，因为以此尤其是在较高的频率时可以获得较好的滤波品质，使得也可以阻隔在1 GHz频率那侧的高频干扰分量。除了电容的尺寸确定之外，这因此尤其是可能的，因为通过将电容实施为嵌入式组件，可以实现特别低电感的耦合。由以下事实：即在多重脉冲负载情况下不发生退化，得出相对于常规保护布线的其它的优点。这样的阻隔结构嵌入PCB中还使得相对于分立装配期望改善的老化性能。因此此外可以实现具有小结构高度的紧凑的电路。对于有线干扰的所有可能的形式可以优化和采用该结构。

在一种可能的实施形式中，由一个接一个地连接的三个电容来形成保护电路，其中，低电感的印制导线结构分别具有模拟优化的线路长度。因此可以相对于许多不同干扰脉冲形状获得最佳的滤波特性。实现传输频率响应，该传输频率响应在二位数的MHz范围中的极限频率之上直至多个GHz范围中明显地在-10dB下伸展。

如果由用电容性面积元件和印制导线所组成的面积优化的装置来形成输入滤波器的滤波器结构，则在紧凑的结构尺寸方面是有利的。

为了可以在最小的位置需求情况下实现足够大的电容值，可以由第一和第二电极形成嵌入多层印刷电路板中的电容器结构，用于构成其层构造中的电容，所述电极分别通过电介质相间隔地与布置在电极之间的接地的导体层绝缘地布置。

如果由具有高介电值和高绝缘强度的原料形成在电极和接地的导体层之间的电介质，并且所述电介质分别具有小于150μm的层厚，则尤其是可以获得要追求的最小的位置需求。这样的特别薄的层的采用能够实现比较大的电容值。例如陶瓷PTFE复合原料（例如Rogers公司的Ro3010）适合于作为电介质，该电介质具有大约10的介电常数ε_r，并且尤其是在HF范围中具有非常好的材料特性。这样的材料还拥有用于制造印刷电路板的良好的可处理性。

以有利的方式借助网络模型来形成保护电路的滤波器结构的尺寸确定，其中，首先在输入侧借助标准化的干扰源（例如由人引起的静电放电（例如按照人体模型HBM））对于通向干扰宿（在此情况下例如要保护的MOS-FET电路）的传输线段在输出侧确定理想的传输函数，并且在下一步骤中，借助模拟作为由嵌入式电容所组成模型来确定以分析方式估计的滤波器结构。在此，从例如HBM脉冲的传输函数中确定滤波器的主要数据，例如极限频率的位置。

如果通过电容结构的节省位置的装置以及在利用多个覆层和小的层厚的情况下确定保护电路的滤波器结构的尺寸确定（Dimensionierung），则可以获得滤波器结构的特别面积优化的装置。

按照所采用的材料和要保护的电路相对于过临界耦合的分量的抗干扰性可以修改该优化的装置，因为借助电容结构的尺寸匹配可以在极限频移和/或带宽匹配方面来适配保护电路的传输函数，其中，借助各个电容器的长度和/或宽度匹配和/或借助整个滤波器结构的侧面长度的标定（Skalierung）可以实施尺寸匹配。将滤波器结构的侧面长度标定成较小的侧面长度例如引起极限频率提高和反之亦然，其中，将侧面长度降低至1/2大约相当于极限频率加倍。通过各个电容器的长度和/或宽度匹配可以在传输函数中改变确定的带通滤波器段。在单个情况下最佳的匹配因此是可能的，这在保护电路的分立装配时由于构件分散而是不可能的。

如以前已描述的那样，保护装置的优选的使用规定，采用在机动车中用于减少静电干扰和/或用于衰减在传感器线路、控制线路和/或数据线路处或电动机动车情况下传动线路处的高频干扰分量。尤其是可能由于增长的复杂的控制任务以及由于总线系统的引入而产生具有静电干扰的问题，这些问题通过使用所建议的保护装置而可以解决或至少明显地减少。通过这样的保护电路的集成，尤其是可以在结构高度方面更紧凑地和更干扰安全地来设计功率电子装置。

附图说明

以下借助在图中所示出的实施例来更详细地阐述本发明。其中：

图1以俯视图展示了具有电容和电感结构的保护装置，

图2展示了按照图1中所示出的保护装置的保护电路，

图3以示意图示范性展示了具有嵌入式电容器的多层印刷电路板的构造，

图4展示了保护装置的传输函数，和

图5和图6分别以示意图展示了保护装置的尺寸匹配对传输函数的影响。

具体实施方式

在图1中以俯视图示出了具有电容和电感结构30、20的保护装置1，该保护装置1构成保护电路40，其中，根据本发明电容结构30被示出为印刷电路板中的嵌入式构件。在该视图中，因此只能识别出电容结构30的电极11、12以及将电容结构30互相耦合的印制导线。印制导线在此构成电感结构20。在该示图中，没有示出相应的对应电极或屏蔽以及绝缘或电介质层。这些作为附加的覆层不可见地位于所展示的覆层之下和/或之上。

在所展示的示例中示出了第一电容31，该第一电容31在信号方向上观察直接布置在保护电路40的输入端41的后面，并且按照结构的面积采用比较大的值。该第一电容31在所展示的示例中拥有两个相同大的面积。该第一电容31经由构成为第一电感21的印制导线回纹（Leiterbahnmäander）与同样双翼地构成的第二电容32相耦合。按照电极11、12的面积，该电容32的值明显小于该滤波器网络中的第一电容31的值。同样，经由构成第二电感22的印制导线结构进行该第二电容32与第三电容33的耦合。同样再次按照其电极11、12的面积，该第三电容被实施为小于第二电容32。至保护电路40的输出端42，设置以其它的印制导线回纹形式的第三电感23。

在此，如此设计保护装置1或保护电路40的布局，使得低电感的印制导线结构分别具有模拟优化的线路长度，其中，由电容性面积元件和印制导线的面积优化的装置来形成该输入滤波器的滤波器结构。

图2作为等效电路图展示了按照图1中所示出的保护装置1的保护电路40。三个电容器（电容31，32，33）的级联位于保护电路40的输入端41和输出端42之间，所述电容器的分别一个电极与印制导线相耦合。三个电容器的分别另外的电极位于地（接地16）。印制导线构成低电感的电感21、22、23。通过保护装置1的布局，可以非常准确地预先确定这些电感21、22、23。

在图3中示范性以截面示出了多层印刷电路板10，电容器结构嵌入在所述多层印刷电路板10中。在从上方开始的层序列中，多层印刷电路板10首先具有由FR4载体材料14制成的大约75μm厚的层，该FR4载体材料14在两侧上具有大约35μm厚的铜层13。上面的铜层13位于地（接地16）。下面的铜层13构成电容器结构的第一电极11。通过由陶瓷PTFE复合原料15（例如Ro3010，125μm厚）制成的电介质与该第一电极11绝缘地，存在由FR4载体材料14制成的大约75μm厚的其它的层，该其它的层同样具有带有35μm层厚的两侧的铜层13。两个铜层13同样与地相连接（接地16）。向下接着再次是由陶瓷PTFE复合原料15制成的电介质层，该电介质层将构成为第二电极12的铜层13与在多层印刷电路板10中间的位于地的铜层13绝缘。构成为第二电极12的铜层13是由FR4载体材料14制成的下面的层的部分，该下面的层同样具有带有35μm层厚的两侧的铜层13，其中，在层构造中最下面的铜层13又与地相连接（接地16）。

尤其是在构成在多层印刷电路板10之内的电介质层的情况下小的层厚以及多个覆层的利用能够实现电容结构的节省位置的装置。

图4示范性以流程图展示了来自图1的滤波器装置或来自图2的保护电路40的传输函数50。示出了传输频率曲线51，在该传输频率曲线51中与频率53有关地示出了输出信号强度52。以dB为单位说明输出信号强度52。同样以对数示出了频率53的标定。用滤波器装置实现传输频率曲线51，该传输频率曲线51在大约20 MHz的极限频率之上直至约10 GHz的范围中明显地在-10 dB之下伸展，这负责高频干扰脉冲的宽带抑制。与分立地构建的保护电路40相比较，显著改善了尤其是在高频的频率分量情况下的滤波的品质。

图5和6示意地展示了,如何可以借助电容结构的尺寸匹配60在极限频移54（图5）和/或带宽匹配55（图6）方面来适配保护装置1的在图4中示出的传输函数50。因此例如通过整个滤波器结构的侧面长度63的标定（如这在图5中示意性所示出的那样），可以移动极限频率，其中，整个滤波器结构的侧面长度63的减半大约引起极限频率加倍。在图6中示意性示出，借助保护装置1的各个电容器结构的长度和/或宽度匹配61、62，可以在传输函数50内进行各个频率范围之内的带宽匹配55。

Claims (9)

1.用于减少有线干扰的保护装置（1），该保护装置（1）具有保护电路（40）作为电子电路的输入滤波器，其中，电子电路施加在多层印刷电路板（10）上或至少部分地集成到该多层印刷电路板（10）中，其中，电路的各个元件实施为多层印刷电路板（10）中的嵌入式结构，其特征在于，保护电路（40）由用低电感的印制导线结构互相耦合的至少两个电容（31，32，33）的级联来形成，其中，电容（31，32，33）构成为在多层印刷电路板（10）上或内的嵌入式电容结构（30）。

2.按照权利要求1的保护装置（1），其特征在于，由一个接一个地连接的三个电容（31，32，33）来形成保护电路（40），其中，低电感的印制导线结构分别具有模拟优化的线路长度。

3.按照权利要求1或2的保护装置（1），其特征在于，由用电容性面积元件和印制导线所组成的面积优化的装置来形成输入滤波器的滤波器结构。

4.按照权利要求1至3之一的保护装置（1），其特征在于，由第一和第二电极（11，12）来形成嵌入在多层印刷电路板（10）中的电容器结构（30），用于构成其层构造中的电容（31，32，33）, 所述第一和第二电极（11，12）分别通过电介质相间隔地与布置在电极（11，12）之间的接地的导体层绝缘地布置。

5.按照权利要求4的保护装置（1），其特征在于，在电极（11，12）和接地的导体层之间的电介质由具有高介电值的和高绝缘强度的原料形成，并分别具有小于150 μm的层厚。

6.按照权利要求1至5之一的保护装置（1），其特征在于，借助网络模型来形成保护电路（40）的滤波器结构的尺寸确定，其中，借助标准化的干扰源在输入侧确定理想的传输函数（50）。

7.按照权利要求6的保护装置（1），其特征在于，通过电容结构的节省位置的装置以及在利用多个覆层和小的层厚的情况下来确定保护电路（40）的滤波器结构的尺寸确定。

8.按照权利要求1至7之一的保护装置（1），其特征在于，借助电容结构（30）的尺寸匹配（60）在极限频移（54）和/或带宽匹配（55）方面可以适配保护电路（40）的传输函数（50），其中，借助各个电容器（31，32，33）的长度和/或宽度匹配（61，62）和/或借助整个滤波器结构的侧面长度（63）的标定可以实施尺寸匹配（60）。

9.按照以上权利要求之一的保护装置（1）在机动车中的应用，用于减少静电干扰和/或衰减传感器线路、控制线路和/或数据线路处或在电动机动车情况下传动线路处的高频干扰分量。

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