CN112119678A - 电子装置和搭载有电子装置的电动助力转向装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种降低共模噪声、且对于从外部侵入的噪声耐量较大的电子装置。电子装置具有：构成了电子电路的基板(100)；收纳基板(100)的外壳(500)；以及设置在基板上、作为外壳(500)的外部与内部之间的接口的连接器(300)，其特征在于，基板具有构成主电路的主电路图案部(101)和构成框架接地的框架接地图案部(102)，主电路图案部(101)和框架接地图案部(102)在基板上及基板内以不重叠的方式配置，并且连接器(300)的端子(301)配置于所述框架接地图案部(102)。

Description

电子装置和搭载有电子装置的电动助力转向装置

技术领域

本申请涉及具有电子电路基板的电子装置和电动助力转向装置。

背景技术

在现有的电子装置中，通过将基板接地、连接器接地线和框架接地(控制器保持构件)直接电连接来降低共模噪声，从而减少共模噪声泄漏到外部的情况(例如，参照专利文献1)。通常，电子装置(本文献中为电动助力转向装置)的外壳大多与车辆的车身进行电连接，在这种情况下，从车辆的电池提供的电源电流经由车身返回到电池。当在连接器配备有返回到电池接地的接地线束时，返回电流分流到车身和线束，其比率由各自的布线电阻来决定。

此外，在现有的其它电子装置中，有时在基板内层设置屏蔽图案，该屏蔽图案与连接器直接连接，抑制流入安装在多层基板的表面或背面的电子部件(第1电子部件)的噪声传输到内置电子部件的情况(例如，参照专利文献2)。在这种情况下，通过将该屏蔽图案连接到接地层来提高屏蔽效果。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第6123848号公报

专利文献2：日本专利第5034453号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，在专利文献1的结构中，由于在分流比不确定的情况下产生不能进行布线设计的不便，因此需要使布线电阻成为规定值、即分流比为固定的设计。

特别是在车身系统的构造设计中，需要考虑使用与机械固定分开而可靠地进行电连接的特殊螺栓作为对构件进行固定的螺栓等，从而导致成本增加。仅向车身返回电流的情况下也相同。

此外，也可以采用避免分流、将所有电流返回到线束接地的设计，但在这种情况下，由于需要实施绝缘处理以使电子装置从车身上电气浮起，因此与上述情况同样地存在成本增加的问题。

此外，在专利文献2所公开的结构中，基板的接地层不一定成为相对于共模噪声稳定的接地，特别是在进行大电流的开关的逆变器电路中，接地层有时成为噪声源，在这种情况下，将接地层作为屏蔽图案不仅成为向内置在多层基板中的电子部件(第2电子部件)传输噪声的路径，而且还存在经由第1电子部件、连接器向装置外传输噪声的问题。

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供一种能够有效地降低从电子装置泄漏的共模噪声、且有效地阻止从外部侵入的噪声的电子装置。

解决技术问题的技术方案

本申请所公开的电子装置具有：

构成了电子电路的基板；

收纳基板的外壳；以及

设置在基板上、作为外壳的外部与内部之间的接口的连接器，其特征在于，

基板具有构成主电路的主电路图案部和构成框架接地的框架接地图案部，主电路图案部和框架接地图案部在基板上及基板内以不重叠的方式配置，并且连接器的端子配置于框架接地图案部。

发明效果

根据本申请所公开的电子装置，主电路图案部和框架接地图案部之间的静电耦合变得稀疏，由此可以减少在主电路中产生的共模噪声通过静电耦合泄漏到外部的情况。

附图说明

图1是实施方式1中的电子装置的整体结构图，图1A是俯视图，图1B是图1A的A-A’剖视图。

图2是实施方式1中的另一电子装置的整体结构图，图2A是俯视图，图2B是图2A的A-A’剖视图。

图3A是说明实施方式1和2的电路框图，图3A是说明静电耦合为密集的状态的电路框图，图3B是说明图3A的电路框图的噪声的传输路径的图，图3C是说明静电耦合为稀疏的状态的电路框图的噪声的传输路径的图。

图4是图3A的电路框图所示的电子装置的整体结构图，图4A是俯视图，图4B是图3A的A-A’剖视图，图4C是图4B的虚线所示的B部放大剖视图。

图5是实施方式2中的电子装置的整体结构图，图5A是俯视图，图5B是图5A的A-A’剖视图。

图6是实施方式3中的电子装置的整体结构图，图6A是俯视图，图6B是图6A的A-A’剖视图。

图7是实施方式4中的电动助力转向装置的简要结构图。

图8是从电动机1侧观察可以看到图7的电动助力转向装置的ECU2的基板100的位置的截面而得到的图。

具体实施方式

实施方式1

下面利用图1至图4对实施方式1进行说明。以下，在各图中，对于相同或相当的部件、部位标注相同的标号来进行说明。图1表示实施方式1的电子装置的整体结构图，图1A表示电子装置的俯视图，图1B表示图1A的A-A’剖视图。电子装置包括构成有电子电路的基板100、根据需要配置的模块200、作为与外部的接口的连接器300、将基板100和模块200进行电连接的布线400、以及收纳这些构成要素的由金属构成的外壳500。

基板100分成构成主电路的主电路图案部101和构成框架接地的框架接地图案部102，主电路图案部101和框架接地图案部102进行布线以使得静电耦合变得稀疏。框架接地图案部102通过框架接地端子401以低阻抗连接到外壳500。在从主电路图案部101连接到连接器300的线路中插入噪声滤波器600，构成噪声滤波器600的部件配置在主电路图案部101和框架接地图案部102之间的边界附近或框架接地图案部102一侧。在构成噪声滤波器600的部件内，接地连接到框架接地图案部102，将连接器300和噪声滤波器600相连接的连接器端子301配置在框架接地图案部102一侧。布线105示出从主电路图案部101连接到连接器300的图案(在图1B中省略布线105)。

如图1B中的A-A’剖视图所示，主电路图案部101和框架接地图案部102包含内层图案在内被分离而不重叠，从而设为静电耦合变得稀疏的状态。

图2是表示实施方式1的电子装置的另一结构的整体结构图，图2A表示电子装置的俯视图，图2B表示图2A的A-A’剖视图。在该构造的电子装置中，框架接地端子401不是将图1B所示的端子焊接到基板上，而是以从外壳500的底面立起壁部、并在更宽的面上与基板背面接触以进行电连接的方式构成。通过采用这样的构造，与图1相比，可以使外壳500与框架接地之间的连接具有更低的阻抗。

接下来，对于图1或图2所示的电子装置的共模噪声的行为，阐述主电路图案部101和框架接地图案部102之间的静电耦合为密集的情况和静电耦合为稀疏的情况。

图3A示出了电子装置的电路框图。主电路图案部101搭载有开关电源700和微机800。此外，作为时钟源的振荡器801连接到微机800。另一方面，由线圈601和电容器602构成的噪声滤波器600连接到框架接地图案部102。主电路图案部101和框架接地图案部102部分重叠。

在开关电源700中，存在用于使电路动作的几十kHz～几百kHz的时钟源，该时钟源成为噪声源，在电源线、接地线和周边图案重叠有高频噪声。此外，在微机800的振荡器801中也同样地重叠有几MHz～几十MHz的高频噪声。当包含高次谐波分量时，高频噪声通常从几百KHz扩展到几百MHz(根据情况扩展到几GHz)，若该噪声通过连接器300泄漏到线束，则可能对外部设备造成干扰。在车载的情况下，主要成为无线电接收器的干扰电波。

在电源和接地之间产生的噪声是常模噪声，在电路和外壳之间产生的噪声是共模噪声。

对于常模噪声，一般已知可利用图3A中由线圈601-a和电容器603构成的低通滤波器来去除，不在下面的说明中提及。

虚线所示的电容器(寄生电容)901是主电路图案部101和外壳500之间的寄生电容，不作为部件存在。同样地，电容器(寄生电容)902是主电路图案部101和框架接地图案部102之间的寄生电容，不作为部件存在。当该寄生电容较大时，表示静电耦合处于密集状态，当该寄生电容较小时，意味静电耦合处于稀疏状态。在图3A的电路框图中，如上所述，主电路图案部101和框架接地图案部102有部分重叠，因此，静电耦合成为密集状态。

图4是图3A的电路框图所示的电子装置的整体结构图，图4A是俯视图，图4B是图4A的A-A’剖视图，图4C是图4B的虚线所示的B部放大剖视图。如图4A、图4B所示，主电路图案部101和框架接地图案部102在内层图案103、104处有部分重叠。因此，即使图3A中所示的C点存在于内层图案103、104的主电路图案部101侧，从C点延伸出的图案也被布线至与框架接地图案部102重叠的位置，从而经由图4C中所示的寄生电容902与位于内层图案103、104上下方的图案或连接器端子301静电耦合，噪声容易从主电路图案部101传输到框架接地图案部102。传输到框架接地图案部102的噪声经由连接器端子301泄漏到电子装置的外部，可能对外部设备造成干扰。

由此，对于在静电耦合处于密集状态时电容器(寄生电容)902所示的寄生电容的具体值，以一般经常使用的印刷基板的4层FR4为例进行考察。当10mm见方的图案在内层和表面层中相对的情况下，其相对介电常数约为4.7，层间距离约为0.21mm，因此寄生电容(耦合电容)约为20pF，可见其电容足以传输高频噪声信号。

接下来，利用图3A和图3B所示的电路框图来说明噪声的传输路径。图中，在电路上的点C处重叠有开关电源的时钟噪声时，该噪声被由线圈601-a和电容器602-a构成的噪声滤波器600(参照图1)阻止，不会传输到连接器300的B线路(参照图3A)。然而，如图4C中所说明的那样，在静电耦合处于密集状态时，由于存在寄生电容902-a，因此构成环路L(图3B中的点划线)，该环路L绕过该噪声滤波器，从B线路泄漏到外部线束，经由电池10、外壳500、作为寄生电容的电容器(寄生电容)901-a返回到作为噪声源的C点。这里，严格地说，也存在经由寄生电容902-a传输的噪声信号经由电容器602-a返回到外壳的路径，噪声滤波器的效果并非不存在。然而，由于线圈601-a不起作用，因此滤波器性能显著降低。

与此相对，在图1、图2所示的本申请实施方式1的电子装置的构造中，如上所述那样，为了有意地减小主电路图案部101和框架接地图案部102之间的耦合电容，通过完全分离地进行布线以使得各个区域的图案不重叠，从而使静电耦合处于稀疏状态。由此，图3A所示的寄生电容902-a不存在或变得极小，对由线圈601-a和电容器602-a构成的噪声滤波器进行旁路的路径被切断(参照图3C)。利用由线圈601-a和电容器602-a构成的噪声滤波器，之前所说明的噪声的传输路径的环路L被切断，噪声不泄漏到电子装置外。

以上以连接器端子的B线路为例进行了说明，但对于其它的G线路、S线路，也同样地可通过使静电耦合变得稀疏来防止噪声的泄漏。从图3C的G端子连接到外壳500内部的线路通过电容器602接地到框架接地，之后布线到主电路图案部101。这是假设重叠在该线路上的噪声相对较小的情况，当重叠有较大噪声时，若插入与B端子的线圈601-a相同的线圈，则噪声滤波器的效果提高，成为有效的噪声对策。

如上所述，通过使主电路图案部101和框架接地图案部102之间的耦合电容稀疏，从而噪声滤波器有效地起作用，可阻止在电子装置内产生的噪声泄漏到装置外。

另外，利用噪声重叠在连接到连接器的线路上的示例进行了说明，但在噪声没有重叠在连接到连接器的线路本身上时，将主电路图案部101和框架接地图案部102之间的静电耦合设为稀疏，因此消除了来自重叠有其它噪声的线路的影响，因而无需将噪声滤波器插入线路中。

此外，在本实施方式中，对主电路图案部101和框架接地图案部102之间的静电耦合的疏密进行了说明，但对于磁耦合，也能以同样的考虑方式构成电子装置。

此外，在本实施方式中，对构成电子电路的基板为一块的情况进行了说明，但即使基板为多块，也能以同样的考虑方式构成电子装置。

实施方式2

在实施方式1中，对切断噪声的旁路路径、即使得主电路图案部101和框架接地图案部102的耦合电容变得稀疏的示例进行了说明，但作为噪声对策的另一个重要要素，可列举出噪声滤波器的性能提高，以下对其方法进行说明。

如图3B中所说明的那样，旁路路径被切断的噪声传输路径如图3C的点划线所示的环路M那样，是经由存在C点的线路、线圈601-a、电容器602-a、框架接地图案部102、框架接地端子401、外壳500、寄生电容901-a并返回到C点的线路的环路。此时，为了防止噪声泄漏到连接器B线路，必须使从线圈601-a的右侧端子观察电容器602-a而得到的阻抗与观察连接器300的B端子而得到的阻抗相比足够小。换言之，必须使图3C的噪声传输路径的阻抗与图3B的噪声传输路径(其中在没有耦合电容的情况下)的阻抗相比足够小。

此外，噪声滤波器已知有由线圈和电容器构成的LC、LCL或CLC等结构。尽管根据滤波器的插入位置或要求性能来分别区分使用滤波器，但是在低通滤波器的情况下，任意电容器均是端子中的一个接地的结构。众所周知，此时，若通过布线和部件引线与电容器串联地进入的电感分量变大，则会使滤波器的性能劣化。此外，由于线圈只要是具有电感分量的元件即可，因此可以替换成铁氧体磁珠。

作为对应，若将框架接地图案部102较宽地配置在基板上，使用芯片电容器，并且以最短方式将部件彼此连接，则可以容易地减小引线电感。此外，框架接地图案部102和外壳500如在实施方式1中所说明的那样以低阻抗连接即可。

图1中的框架接地端子401是通过约0.6mm见方的端子将框架接地与外壳500相连接的示例。当端子变长时，电感变大，整体阻抗变大，成为导致性能劣化的主要原因，为了提高性能，该端子尽可能地短、粗，且使根数增加即可。

图5中的框架接地端子401是从外壳500的底面和顶面分别立起壁部、并分别利用表面与基板100的框架接地图案部102的上下表面电连接的示例，在图中，斜线部表示基板100和框架接地端子401的上表面的接触部。通过这种结构，可以减小外壳500和框架接地之间的连接阻抗，并且可以利用外壳500分别将主电路图案部101和框架接地图案部102屏蔽。

实施方式3

在实施方式1及2中，对外壳全部由金属构成的情况进行了说明，但利用图6对即使将一部设为金属外壳也不会使噪声性能劣化的事例进行说明。

在图6中，例如，在主要的噪声源是模块200的情况下，可以使仅外壳500的斜线部501由金属构成。积极地生成模块200和斜线部501之间的寄生电容，以构成外壳中的噪声传输路径。如在实施方式2中所说明的那样，只要在电子装置内构成噪声源及其传输路径、且使其为低阻抗即可，因此在能够确定噪声源的情况下，本结构是有效的。尽管以模块200为例进行了说明，但即使噪声源位于其它位置或者存在多个噪声源，也能以同样的处理来进行设计。此外，通过在外壳的金属部(斜线部501)以外采用树脂等，从而可提高设计自由度，并实现轻量和低成本化。

实施方式4

对将实施方式1至3中说明的电子装置应用于电动助力转向装置的结构进行说明。

图7是电动助力转向装置的简要结构图。电动机1和ECU(Electric Control Unit：电子控制单元)2配置在同轴上，电动机1的输出轴贯通ECU2并连接到齿轮3。从电池(未图示)向ECU2的连接器300提供电源。此外，来自安装在方向盘轴上的未图示的转矩传感器的转矩信号被输入到ECU2，ECU2根据转矩信号的大小计算适当的方向盘辅助量，并基于计算结果来驱动电动机1。电动机1的输出通过齿轮3连接到方向盘轴，以实现适当的辅助。

图8是从电动机1侧观察可以看到ECU2的基板100的位置的截面而得到的图。在由铝压铸制成的外壳500中收纳基板100的模块200在本实施方式中是用于驱动电动机1的功率电路。模块200和基板100通过布线400电连接。另一方面，成为如下构造：将多个连接器端子301配置在基板100的端面上并焊接。

在该图中，斜线部是框架接地端子401，是从外壳立起的壁部，通过表面与基板背面进行电接触。螺钉402具有用于将基板100按压在框架接地端子401上来确保电连接的功能。

从斜线所示的框架接地端子401起到连接器端子301侧是框架接地图案部102，此外，从点划线所示的线路起下侧为主电路图案部101。主电路图案部101和框架接地图案部102设计成如实施方式1至3中所说明的那样，包含内层在内使布线图案不重叠，以使静电耦合、磁耦合变得稀疏。

在从主电路图案部101连接到连接器端子301的线路中，虽未图示，但在主电路图案部101和框架接地图案部102之间的边界部处或者框架接地图案部102侧配置适当的噪声滤波器600，以阻止噪声泄漏到外部。

因此，设计为不使用特殊部件，而使基板上的主电路图案部和框架接地图案部不重叠，由此可以提供噪声性能优异的ECU。

如以上所说明的那样，通过使主电路图案部101和框架接地图案部102之间的静电耦合稀疏，从而可切断噪声的旁路路径，以降低共模噪声。此外，通过以低阻抗连接框架接地图案部102和金属制的外壳500，从而能有效地提取噪声滤波器的性能，并能降低共模噪声。通过将外壳500的金属制部分配置在对于电子装置的噪声源而言所需的位置，从而能提高性价比。

以上说明中，对从电子装置泄漏到外部的共模噪声进行了说明，但显而易见地，若采用本结构，则从外部线束观察电子装置时，与外壳500的阻抗变低。因此，从外部侵入的噪声经由连接器300、电容器602流到金属制的外壳500，而不流到主电路。这意味着电子装置的外部噪声耐量得到了提高。

在各种电子装置中，通常存在基于针对噪声的公共规格的要求标准。例如，在车载设备中，IEC的CISPR25大多将其规定为从1级到5级的5个等级。在对于外壳和框架接地之间的连接寻求高性能时，受到构造设计的限制，并且朝着导致设备的大型化和成本增加的方向发展。对于采用本实施方式1至3的哪一种方法，可进行与要求标准相对应的最佳设计，从而能实现高性能且性价比良好的电子装置。

用于驱动电动机等电感负载的逆变器电路中，通过对具有根据其电路方式在原理上产生许多噪声的特性的、作为代表例在实施方式4中所说明那样的车载用电动助力转向装置的控制器采用本方法，从而可以有效地改善EMC。

本申请记载了各种举例示出的实施方式及实施例，但1个或多个实施方式中记载的各种特征、形态及功能并不限于特定实施方式的应用，可单独或以各种组合来应用于实施方式。

因此，可以认为未例示出的无数变形例也包含在本申请说明书所公开的技术范围内。例如，包含至少对1个结构要素进行变形的情况、追加的情况或省略的情况、以及提取出至少1个结构要素并与其它实施方式的结构要素进行组合的情况。

标号说明

100：基板、101：主电路图案部、102：框架接地图案部、200：模块、300：连接器、301：连接器端子、400：布线、401：框架接地端子、500：外壳、600：噪声滤波器。

Claims (6)

1.一种电子装置，具有：

构成了电子电路的基板；

收纳所述基板的外壳；以及

设置在基板上、并作为所述外壳的外部与内部之间的接口的连接器，所述电子装置的特征在于，

所述基板具有构成主电路的主电路图案部和构成框架接地的框架接地图案部，所述主电路图案部和所述框架接地图案部在基板上及基板内以不重叠的方式配置，并且所述连接器的端子配置于所述框架接地图案部。

2.如权利要求1所述的电子装置，其特征在于，

对从所述主电路连接到所述连接器的线路连接噪声滤波器，所述噪声滤波器配置在所述主电路图案部和所述框架接地图案部的边界附近，或者配置于所述框架接地图案部，所述噪声滤波器的接地与所述框架接地图案部相连接。

3.如权利要求1或2所述的电子装置，其特征在于，

所述框架接地图案部和所述外壳利用将连接部形成为面状而得的构件与所述外壳的底面电连接。

4.如权利要求3所述的电子装置，其特征在于，

将所述连接部形成为面状而得的构件是从所述外壳的底面到顶面形成的壁状的屏蔽构件。

5.如权利要求1至4中任一项所述的电子装置，其特征在于，

在所述外壳内的基板外收纳有作为噪声源的模块，所述外壳的与所述模块的接触部由金属形成。

6.一种电动助力转向装置，其特征在于，

搭载有权利要求1至5中任一项所述的电子装置。

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