DE10157547C1

DE10157547C1 - Electromagnetic screening device for electronic circuit, uses metallic screening surface above and/or below electronic circuit coupled via capacitors to positive and negative supply terminals

Info

Publication number: DE10157547C1
Application number: DE2001157547
Authority: DE
Inventors: Edgar Kuhn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2001-11-23
Filing date: 2001-11-23
Publication date: 2003-04-24
Anticipated expiration: 2021-11-24

Abstract

The screening device uses a metallic screening surface (S,S'), provided by a layer of a multi-layer circuit board for the electronic circuit or by a separate circuit board, having an area at least equal to that of the electronic circuit (SNT). The screening surface is positioned above and/or below the electronic circuit and is coupled via respective capacitors (C2,C3) to the positive and negative terminals of the supply voltage for the electronic circuit.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abschirmvorrichtung für eine Störstrahlen abstrahlende elektronische Schaltung, insbeson dere für eine in einem Kraftfahrzeug-Bordnetz angeordnete Schaltung, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to a shielding device for a Electronic circuit emitting interference radiation, in particular the one arranged in a motor vehicle electrical system Circuit according to the preamble of claim 1.

Störstrahlen abstrahlende elektronische Schaltungen können Signalgeneratoren, schnelle Schalter, Schaltwandler u. s. w. sein, die Signale mit steilen Schaltflanken erzeugen. Wenn im folgenden von Schaltwandlern die Rede ist, so sind damit alle Störstrahlen abstrahlenden elektronischen Schaltungen ge meint.Electronic circuits emitting interference radiation can Signal generators, fast switches, switching converters and. s. w. be that generate signals with steep switching edges. If in following switching converters, so are all Interfering radiation emitting electronic circuits ge means.

Beispielsweise sind Abwärtswandler erforderlich, um von der Bordnetzspannung (in einem Kraftfahrzeug üblicherweise 12 V) abweichende Spannungen (beispielsweise 5 V) zur Versorgung von elektronischen Schaltungen bereitzustellen.For example, buck converters are required to switch from the Vehicle electrical system voltage (usually 12 V in a motor vehicle) deviating voltages (e.g. 5 V) to supply to provide electronic circuits.

Schaltwandler erzeugen sehr steilflankige Stromimpulse, die zu EMV-Problemen, insbesondere zu Störaussendungen im Hoch frequenzbereich (etwa 1 MHz bis über 800 MHz) führen können. Derartige Störungen können bei in Fahrzeugen angeordneten, empfindlichen Audio-/Video-Geräten zu Verkopplungen führen, welche die Aufnahme-/Wiedergabe-Qualität dieser Geräte erheb lich beeinträchtigen können.Switching converters generate very steep-edged current pulses that on EMC problems, especially on high emissions frequency range (about 1 MHz to over 800 MHz). Such faults can occur in vehicles sensitive audio / video devices to pairings, which increases the recording / playback quality of these devices Lich impair.

Bislang werden Schaltwandler entweder in größerem Abstand von empfindlichen Geräten wie Audio-/Video-Geräten, Tunern, Kas settenspielern etc. angeordnet oder in Gehäusen aus Abschirm blechen angeordnet. So far, switching converters are either at a greater distance from sensitive devices such as audio / video devices, tuners, cas set players etc. arranged or in casings made of shielding arranged sheets.

Aus der Patentschrift DE 196 35 071 C1 ist eine Anordnung zur Abschirmung einer mikroelektronischen Schaltung eines integ rierten Schaltkreises bekannt. Die bekannte Anordnung weist eine Störstrahlen abstrahlende elektronische Schaltung auf, die auf einer Leiterplatte angeordnet ist, wobei zwischen der elektronischen Schaltung und der Leiterplatte eine metalli sche Schirmfläche vorgesehen ist. Diese erreicht zumindest die Ausdehnung der elektronische Schaltung und ist mit der Versorgungsspannung der Schaltung verbunden.From the patent DE 196 35 071 C1 an arrangement for Shielding a microelectronic circuit of an integ circuit known. The known arrangement has an electronic circuit emitting interference radiation, which is arranged on a circuit board, between the electronic circuit and the circuit board a metalli cal screen area is provided. This at least achieves the expansion of the electronic circuit and is with the Supply voltage of the circuit connected.

Es ist Aufgabe der Erfindung, solche Schaltwandler derart zu modifizieren, dass die von ihnen ausgehenden Störstrahlungen zumindest soweit gedämpft werden, dass diese die Aufnahme-/ Wiedergabe-Qualität empfindlicher Audio-/Video-Geräte nicht beeinträchtigen sowie einen Abstand der Wandler von solchen Geräten oder Gehäuse aus Abschirmblechen entbehrlich machen.It is an object of the invention to such switching converters modify that interference radiation emanating from them be damped at least to the extent that these Playback quality of sensitive audio / video devices is not affect as well as a distance of the transducers from such Make devices or housings out of shielding plates unnecessary.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Abschirmvor richtung gemäß den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.This task is accomplished according to the invention by a shield direction solved according to the features of claim 1.

Ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung wird nachstehend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:An embodiment according to the invention is shown below explained in more detail using a schematic drawing. In the Show drawing:

Fig. 1 eine übliche Schaltung zur Versorgung eines elektro nischen Verbrauchers aus einer Bordspannung mittels eines Schaltwandlers, Fig. 1 shows a conventional circuit for supplying an electrostatic American consumer from an on-board voltage by means of a switching converter,

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Schaltung, Fig. 2 shows a circuit according to the invention,

Fig. 3a den Aufbau der erfindungsgemäßen Schaltung auf einer Mehrlagen-Leiterplatte, Fig. 3a shows the construction of the circuit according to the invention on a multi-layer printed circuit card,

Fig. 3b den Aufbau einer Variante der erfindungsgemäßen Schaltung auf einer Mehrlagen-Leiterplatte, FIG. 3b shows the construction of a variant of the circuit according to the invention on a multilayer printed circuit board,

Fig. 4 die Störausstrahlungen eines Schaltwandlers in übli cher Schaltung nach Fig. 1, und Fig. 4 shows the interference emissions of a switching converter in übli cher circuit according to Fig. 1, and

Fig. 5 die Störausstrahlungen eines erfindungsgemäßen Schaltwandlers. Fig. 5 shows the interference emissions of a switching converter according to the invention.

Die Erfindung soll am Beispiel eines Schaltwandlers, insbe sondere eines Abwärtswandlers, erläutert werden.The invention is based on the example of a switching converter, in particular special of a buck converter are explained.

Fig. 1 zeigt eine übliche Schaltung zur Versorgung eines elektronischen Verbrauchers V mit einer Versorgungsspannung von 5 V aus einer Bordspannung von 12 V mittels eines Abwärts- Schaltwandlers SNT. Eine derartige Schaltung kann auf einer in Fig. 1 nicht dargestellten Leiterplatte aufgebaut sein. Ein Messprotokoll der in einem weiten Frequenzbereich ausge sendeten Störstrahlungen eines Schaltwandlers dieser Art, die bei im Fahrzeug befindlichen, empfindlichen Audio-/Video- Geräten zu Verkopplungen führen können, welche die Aufnahme- /Wiedergabe-Qualität dieser Geräte erheblich beeinträchtigen können, ist in Fig. 4 dargestellt. Fig. 1 shows a conventional circuit for supplying an electronic load V with a supply voltage of 5 V from a vehicle voltage of 12 V by means of a buck switching converter SNT. Such a circuit can be constructed on a circuit board, not shown in FIG. 1. A measurement protocol of the interference radiation emitted by a switching converter of this type in a wide frequency range, which can lead to coupling in sensitive audio / video devices located in the vehicle, which can significantly impair the recording / playback quality of these devices is shown in FIG shown. 4,.

Erfindungsgemäß ist mit dem auf einer ersten Leiterplatte oder einer ersten Lage einer mehrlagigen Leiterplatte ange ordneten Schaltwandler wenigstens eine auf wenigstens einer weiteren Leiterplatte/Lage angeordnete metallische Schirmflä che, die zumindest die Ausdehnung des Schaltwandlers auf der ersten Leiterplatte/Lage erreicht, derart verbunden, dass sie über einen Kondensator C2 mit dem Pluspol +12 V der Versor gungsspannung des Schaltwandlers und über einen Kondensator C3 mit deren Minuspol GND Verbindung hat und in ihrer Ausdeh nung derjenigen des Schaltwandlers entspricht und unterhalb desselben zu liegen kommt.According to the invention is on a first circuit board or a first layer of a multilayer printed circuit board arranged switching converters at least one on at least one another printed circuit board / layer arranged metallic screen surface che, at least the extent of the switching converter on the first printed circuit board / layer reached, connected such that it the capacitor via a capacitor C2 with the +12 V positive pole voltage of the switching converter and a capacitor C3 with its negative pole has GND connection and in its extent voltage corresponds to that of the switching converter and below it comes to lie.

Die Erfindung beruht auf einer Nahfeldkopplung von durch die steilen Stromschaltflanken der Lastkreise verursachten magne tischen und elektrischen Feldern, die bisher zu sog. common mode-Strömen auf den Versorgungsleitungen (12 V, GND) des Schaltwandlers geführt haben.The invention is based on a near field coupling by steep current switching edges of the load circuits caused magne tables and electrical fields that were previously common mode currents on the supply lines (12 V, GND) of the Have led switching converter.

Diese Kopplung führt zu einer Potentialanhebung der Schirm fläche gegenüber dem Bezugspotential (GND) der Bordnetzspan nung und mit Hilfe der zwischen der Schirmfläche und Plus- bzw. Minuspol der Bordnetzspannung angeordneten Kondensatoren zu einem für Hochfrequenz niederohmigen symmetrischen Pfad für den Ausgleich dieser Potentialunterschiede. This coupling leads to a potential increase in the shield area compared to the reference potential (GND) of the vehicle electrical system chip and with the help of the between the screen area and plus or negative pole of the onboard power supply arranged capacitors to a symmetrical path with low impedance for high frequency for the compensation of these potential differences.

Fig. 2 zeigt die schematisch dargestellte, eingerahmte Schaltung eines von einer Bordnetz-Gleichspannung (+12 V und GND) versorgten Schaltwandlers SNT, der eine Versorgungs- Gleichspannung von 5 V für einen elektronischen Verbraucher V erzeugt. Von dem Schaltwandler selbst ist nur der Leistungs schalter T (als Längstransistor) und sein Gatewiderstand Rg sowie eine Diode D gezeigt, da die Schaltung selbst hier nicht interessiert. Die Kondensatoren C1, C4 und C5 zwischen dem Pluspol +12 V der Versorgungsspannung des Schaltwandlers SNT, dem Eingang des Leistungsschalters T sowie dem Pluspol +5 V der Verbraucher-Versorgungsspannung und dem gemeinsamen Bezugspotential GND sind übliche Glättungskondensatoren. Vor und hinter dem Leistungsschalter T ist in bekannter Weise je eine Spule L1, L2 angeordnet. FIG. 2 shows the schematically illustrated, framed circuit of a switching converter SNT supplied by an on-board electrical system DC voltage (+12 V and GND), which generates a supply voltage of 5 V for an electronic consumer V. Of the switching converter itself, only the power switch T (as a series transistor) and its gate resistor Rg and a diode D are shown, since the circuit itself is of no interest here. The capacitors C1, C4 and C5 between the positive pole +12 V of the supply voltage of the switching converter SNT, the input of the circuit breaker T and the positive pole +5 V of the consumer supply voltage and the common reference potential GND are common smoothing capacitors. A coil L1, L2 is arranged in front of and behind the circuit breaker T in a known manner.

Fig. 2 zeigt auch eine gepunktet hervorgehobene metallische Schirmfläche S, die über einen Kondensator C2 mit dem Pluspol +12 V der Versorgungsspannung des Schaltwandlers und über ei nen Kondensator C3 mit deren Minuspol GND verbunden ist. Die se Schirmfläche ist auf einer weiteren, in Fig. 3 darge stellten Leiterplatte/Lage C angeordnet und sollte die Berei che des die Störstrahlung aussendenden Schaltwandlers, d. h., seines gesamten, hier nur teilweise angedeuteten Steuer- und Leistungsteils, überdecken. Fig. 2 also shows a dotted highlighted metallic screen surface S, which is connected via a capacitor C2 to the positive pole +12 V of the supply voltage of the switching converter and via a capacitor C3 with its negative pole GND. This screen area is arranged on a further circuit board / layer C shown in FIG. 3 and should cover the areas of the switching converter which emits the interference radiation, ie its entire control and power section, which is only partially indicated here.

Die Erfindung ist nicht auf zwei oder zweilagige Leiterplat ten beschränkt; in Fig. 3a ist beispielsweise eine sog. Mul tilayer-Leiterplatte mit vier Lagen A bis D dargestellt, wo bei beispielsweise der Schaltwandler SNT auf der Lage A, als schraffierte Fläche dargestellt, angeordnet ist, die Schirm fläche S hingegen, gepunktet und gestrichelt eingerahmt, auf Lage C. The invention is not limited to two or two-layer printed circuit boards; In Fig. 3a, for example, a so-called. Mul tilayer circuit board with four layers A to D is shown, where, for example, the switching converter SNT is arranged on layer A, shown as a hatched area, the screen surface S, however, dotted and framed with a dashed line , on position C.

Auf den Lagen A und D können weitere Bauelemente angeordnet sein, nur die Bereiche unterhalb des die Störstrahlung aus sendenden Schaltwandlers, durch die gestrichelt eingerahmten Bereiche dargestellt, sollten frei von Bauelementen bleiben.Additional components can be arranged on layers A and D. be just the areas below the interference radiation sending switching converter, by the dashed framed Areas shown should remain free of components.

Wenn es die räumliche Ausdehnung des Schaltwandlers zulässt, ist es auch, wie Fig. 3b zeigt, denkbar, den Schaltwandler SNT auf der Lage B und Schirmflächen S und S' auf den Lagen A und C, also über und unter dem Schaltwandler, anzuordnen. Ei ne solche zweite Schirmfläche S' ist in Fig. 2 als gepunkte te, gestrichelt eingerahmte Fläche dargestellt. Sie wird pa rallel zur ersten Schirmfläche S über den ersten Kondensator C2 mit dem Pluspol +12 V und über den Kondensator C3 mit deren Minuspol GND der Versorgungsspannung des Schaltwandlers SNT verbunden.If the spatial expansion of the switching converter permits, it is also conceivable, as shown in FIG. 3b, to arrange the switching converter SNT on the layer B and shield surfaces S and S 'on the layers A and C, that is to say above and below the switching converter. Such a second screen surface S 'is shown in FIG. 2 as a dotted, dashed frame. It is connected parallel to the first shield surface S via the first capacitor C2 to the positive pole +12 V and via the capacitor C3 to the negative pole GND of the supply voltage of the switching converter SNT.

Die erfindungsgemäße Maßnahme der Anordnung wenigstens einer Schirmfläche S über oder unter dem Schaltwandler SNT dämpft die auf den Versorgungsleitungen (12 V) des Schaltwandlers auftretenden Störstrahlungen auf ein Maß, welches für in Fahrzeugen angeordneten, empfindlichen Audio-/Video-Geräten nicht mehr zu Verkopplungen führen, welche die Aufnahme-/Wie dergabe-Qualität dieser Geräte beeinträchtigen können.The inventive measure of arranging at least one Screen surface S dampens above or below the switching converter SNT on the supply lines (12 V) of the switching converter interference radiation occurring to a level which is suitable for in Sensitive audio / video devices arranged in vehicles no longer lead to coupling, which the recording / how the quality of these devices.

Fig. 5 zeigt, am Beispiel eines Schaltwandlers mit einer Schirmfläche, dass die gemessene Störausstrahlung des Schalt wandlers, zum Vergleich mit der gemessenen Störausstrahlung eines Schaltwandlers ohne Schirmfläche nach Fig. 4, in einem weiten Frequenzbereich um 10 dB und mehr verringert wird. Grö ßere Abstände zu empfindlichen Audio-/Video-Geräten oder zu sätzliche Gehäuse aus Abschirmblechen sind nicht mehr erfor derlich. Fig. 5 shows, using the example of a switching converter with a screen area, that the measured interference radiation of the switching converter, for comparison with the measured interference radiation of a switching converter without a screen area according to Fig. 4, is reduced in a wide frequency range by 10 dB and more. Larger distances to sensitive audio / video devices or additional housings made of shielding plates are no longer necessary.

Claims

1. Shielding device for an interference-radiating electronic circuit (SNT), in particular a circuit arranged in a motor vehicle electrical system, which is arranged on a circuit board or a layer (A) of a multilayer circuit board, characterized in that on a further circuit board / Layer (C) a metallic shield surface (S) is provided which at least extends from the circuit (SNT) arranged on the first printed circuit board / layer (A) and is arranged above or below the circuit which is connected via a first capacitor ( C2) with the positive pole (+12 V) of the supply voltage of the switching converter (SNT) and via a further capacitor (C3) with its negative pole (GND) is connected.

2. Shielding device according to claim 1, characterized, that on each additional circuit board / layer (A, C) a me metallic screen surface (S, S ') is provided, at least the extent of the on the first circuit board / layer (B) ordered circuit (SNT) reached, the one screen surface che (S) on the PCB / layer (A) over and the other (S ') on the PCB / layer (C) under that on the ladder plate (B) arranged circuit (SNT) is arranged, and whereby both screen areas (S, S ') over a common con capacitor (C2) with the positive pole (+12 V) of the supply voltage of the switching converter (SNT) and via another common Capacitor (C3) with its negative pole (GND) connected.