DE102013215147A1

DE102013215147A1 - Oberflächenmontierte Filterschaltung wenigstens zweiter Ordnung

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Publication number: DE102013215147A1
Application number: DE201310215147
Authority: DE
Inventors: Thomas Maier
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2013-08-01
Filing date: 2013-08-01
Publication date: 2015-02-05

Abstract

Eine oberflächenmontierte Filterschaltung wenigstens zweiter Ordnung umfasst eine erste oberflächenmontierte Filterstufe wenigstens erster Ordnung mit wenigstens einem ersten oberflächenmontierten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator. Außerdem umfasst die oberflächenmontierte Filterschaltung wenigstens zweiter Ordnung eine zweite oberflächenmontierte Filterstufe wenigstens erster Ordnung mit wenigstens einem zweiten oberflächenmontierten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Filterschaltungen und betrifft insbesondere Filterschaltungen wenigstens zweiter Ordnung, die beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden können.
Filterschaltungen werden in der Schaltungstechnik beispielsweise verwendet, um elektrische bzw. elektromagnetische Signale abzuschwächen, die außerhalb eines erwünschten Frequenzbereichs liegen. So kann beispielsweise ein Tiefpassfilter eingesetzt werden, um Signale oberhalb eines durch das Tiefpassfilter festgelegten Frequenzbereichs zu dämpfen, oder vollständig zu blockieren, wodurch z.B. unerwünschte Störsignale herausgefiltert werden können. So kann etwa bei der Ansteuerung von (elektrischen) Motoren im Automotive-Bereich für höhere Leistungen aus Gründen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) ein Filter benötigt werden, um Störsignale vom Fahrzeugbordnetz abzuhalten. Das Filter kann Rückwirkungen vom Motor bzw. von einem Startergenerator auf das Fahrzeugbordnetz verhindern bzw. abpuffern. Bei Anwendungen mit hohen Leistungen wird dazu in manchen Fällen ein einstufiger pi-Filter oder Collinsfilter mit konventionellen Längsspulen und Elektrolytkondensatoren verwendet.
Jedoch können sich z.B. Längsspulen bei Strömen oberhalb eines Grenzwerts stark erhitzen. Auch können Rippelströme, d.h. pulsierende Gleichströme, auftreten, bei denen einer Gleichstromkomponente eine Wechselstromkomponente überlagert ist. Rippelströme können eine erhebliche Verlustleistung in Kondensatoren erzeugen, welche von dem Kondensator in Wärme umgewandelt wird. Aufgrund der hohen Anforderungen hinsichtlich Stromtragfähigkeit (Längsspulen), Rippelstrombelastung (bei den Kondensatoren) und den damit verbundenen thermischen Anforderungen können bei bekannten Filterschaltungen die verwendeten Bauteile relativ groß ausfallen. Daher kann es erforderlich sein, dass herkömmlich verwendete Bauelemente der Durchsteckmontage bzw. bedrahtete Bauelemente auf eine zusätzliche Trägereinheit, etwa ein umspritztes Stanzgittermodul, montiert werden, und dieses dann als komplettes Filtermodul mit der Leiterplatte z.B. über Pressfit oder Löten verbunden wird. Das Trägermodul kann dabei zusätzlich auch als mechanische Halterung für die relativ großen und schweren Filterbauteile dienen. Bei einem Verbau in einer Umgebung, wo Vibrationen auftreten können, etwa in einem Kraftfahrzeug, können sich große oder schwere Filterbauteile jedoch als besonders vibrationsanfällig erweisen, was zu Schäden an der Filterschaltung führen kann.
Einige Möglichkeiten zur Reduktion der Bauteilgröße und deren Gewicht sind bereits bekannt. Beispielsweise offenbart die Druckschrift DE 10155393 A1 ein elektronisches Bauelement, die Verwendung eines solchen Bauelementes und ein Verfahrung zur Herstellung eines solchen Bauelementes mit kapazitiven Eigenschaften. Zur Integration eines Elektrolyt-Kondensators in integrierten Schaltkreisen wird vorgeschlagen, einen Polymer-Elektrolyt-Kondensator geschichtet planar auszuführen. Dadurch kann Bauraum eingespart werden, jedoch kann z.B. die Kapazität eines solchen Kondensators vergleichsweise gering, und der Kondensator für manche Anwendungen, etwa Filterschaltungen in Kraftfahrzeugen, weniger gut geeignet sein.
Es ist wünschenswert, einen verbesserten Kompromiss aus einer Reduktion von Bauraum, Bauteilen, Gewicht, Fertigungskosten und Fertigungsaufwand in Kombination mit flexiblen Einsatzmöglichkeiten und verbesserten Bauteileigenschaften zu verwirklichen.
Dem tragen eine oberflächenmontierte Filterschaltung wenigstens zweiter Ordnung und ein Verfahren zur Entkopplung eines Fahrzeugbordnetzes von einem Fahrzeugmotor gemäß den unabhängigen Patentansprüchen Rechnung.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine oberflächenmontierte Filterschaltung wenigstens zweiter Ordnung. Die oberflächenmontierte Filterschaltung umfasst eine erste oberflächenmontierte Filterstufe wenigstens erster Ordnung mit wenigstens einem ersten oberflächenmontierten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator. Außerdem umfasst die oberflächenmontierte Filterschaltung eine zweite oberflächenmontierte Filterstufe wenigstens erster Ordnung mit wenigstens einem zweiten oberflächenmontierten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator.
Oberflächenmontierte Bauteile (engl.: surface mounted devices, SMD) zeichnen sich durch ein im Vergleich zu bedrahteten Steckbauteilen geringeres Volumen aus, und können beispielsweise auf eine Leiterplatte gelötet werden. Durch die Verwendung oberflächenmontierter Bauelemente kann ein benötigter Bauraum oder das Gewicht der Filterschaltung erheblich reduziert werden, wodurch, etwa bei Anwendungen in einem Kraftfahrzeug, die Vibrationsanfälligkeit der Bauelemente verringert werden kann.
Eine Filterstufe weist vorliegend wenigstens ein Filter erster Ordnung auf. Die Ordnung eines Filters beschreibt die Verstärkungsabnahme (Dämpfung und Flankensteilheit) von Frequenzen (weit) oberhalb oder unterhalb der jeweiligen Grenzfrequenz des Filters. Sie ist bei Tiefpass- oder Hochpassfilter über der Frequenz etwa n·6 dB pro Oktave (n·20 dB pro Dekade), wobei n die Ordnung des Filters darstellt. Beispielsweise kann bei einer Tiefpassfilterstufe erster Ordnung die Schaltungsanordnung ein zwischen einem Eingangsanschluss und einem Bezugspotential befindliches kapazitives Element und ein zwischen dem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss befindliches resistives oder induktives Element umfassen. Eine Filterschaltung n-ter Ordnung kann eine Filterstufe erster Ordnung also wenigstens n-mal umfassen. Durch Verwendung wenigstens einer ersten und einer zweiten Filterstufe jeweils wenigstens erster Ordnung, also einer Filterschaltung wenigstens zweiter Ordnung, kann mit mehreren Bauteilen mit niedrigen Kenngrößen, also z.B. Spulen mit geringer Induktivität oder Kondensatoren mit geringer Kapazität, in manchen Ausführungsbeispielen bereits eine bessere Filterung von Störungen erfolgen als mit einem einzelnen Bauteil mit höherer Kenngröße, z.B. einer Spule mit höherer Induktivität oder einem Kondensator mit höherer Kapazität. Bauteile mit niedrigen Kenngrößen lassen sich zudem leichter in SMD-Bauform ausführen, was Bauraum und Gewicht erheblich reduzieren kann. So würden beispielsweise zwei seriell geschaltete SMD-Spulen weniger Bauraum beanspruchen und zusammen dieselbe Induktivität aufweisen wie eine konventionelle, bedrahtete Spule mit der doppelten Induktivität einer einzelnen SMD-Spule. Bei Anwendungen in einem Kraftfahrzeug können sich Vibrationen somit weit weniger schädlich auf die einzelnen Bauteile bzw. die gesamte Filterschaltung auswirken.
Eine Filterschaltung (kurz: ein Filter) oder auch eine einzelne Filterstufe kann ein elektrisches Signal abhängig von der Frequenz in der Amplitude und Phase verändern.
Dadurch können unerwünschte Signalanteile abgeschwächt und unterdrückt werden. Filter können beispielsweise als Allpassfilter, Bandpassfilter, Hochpassfilter oder Tiefpassfilter ausgeführt sein. Filter können aktiv oder passiv ausgeführt sein. Einige Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine passive Tiefpassfilterschaltung.
Flüssigelektrolyt-Polymerkondensatoren gehören zu den sogenannten Hybridkondensatoren. Mit Hybridkondensatoren können die Eigenschaften von Doppelschichtkondensatoren und von Pseudokondensatoren so miteinander kombiniert werden, dass Kondensatoren mit besseren Leistungsmerkmalen entstehen. Hybrid-, Doppelschicht- und Pseudokondensatoren werden auch unter dem Oberbegriff „Superkondensatoren“ zusammengefasst.
Doppelschichtkondensatoren (englisch: electric double-layer capacitor, EDLC) sind elektrochemische Kondensatoren, bei denen ein Anteil an faradayscher Pseudokapazität sehr gering ist und ein Anteil statischer Doppelschichtkapazität demgegenüber deutlich überwiegt. EDLCs weisen zwei Elektroden sowie einen flüssigen Elektrolyten auf, welcher z.B. Wasser, Glykol, bestimmte Säuren, Salze oder Amide umfassen kann und eine hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist.. Durch Anlegen einer Spannung an Elektroden eines ELDCs können jeweils zwei Schichten entstehen, eine im Oberflächenbereich der Elektroden und eine Zweite im flüssigen Elektrolyten. Eine Größe bzw. Menge der Ladung, die sich in den Schichten ansammeln kann, entspricht einer Konzentration angelagerter Ionen und ergibt die Kapazität des Kondensators.
Eine durch elektrochemische Redoxreaktionen hervorgerufene Kapazität wird Pseudokapazität genannt. Kondensatoren, deren Kapazität aus elektrochemischen Reaktionen stammt, werden im Allgemeinen als Pseudokondensatoren bezeichnet. Pseudokondensatoren sind ebenfalls Superkondensatoren, deren Speicherfähigkeit überwiegend auf pseudokapazitiven Redoxreaktionen verbunden mit faradayschem Ladungstausch beruht. Sie können mit Hilfe von Elektroden mit großer Pseudokapazität, die leitfähige Polymere oder Oxide von Übergangsmetallen umfassen können, hergestellt werden.
Hybridkondensatoren, oder Superkondensatoren allgemein, gehören als Industrieprodukte zu den passiven elektronischen Bauelementen. Sie haben die höchsten Kapazitätswerte pro Bauvolumen und die größte Energiedichte aller Kondensatoren. In Superkondensatoren kann ein Elektrolyt die leitfähige Verbindung zwischen zwei Elektroden bilden. Das unterscheidet sie von Elektrolytkondensatoren, bei denen der Elektrolyt die Kathode ist und somit die zweite Elektrode bildet. Superkondensatoren können als gepolte Bauelemente gefertigt werden, die einen Betrieb mit korrekter Polarität erfordern.
Bei Hybridkondensatoren kann die Speicherung elektrischer Energie sowohl in einer statischen Doppelschichtkapazität als auch in einer faradayschen Pseudokapazität, stattfinden wobei beide Speicherarten nennenswerten Anteil an der Gesamtkapazität besitzen können.
Flüssigelektrolyt-Polymerkondensatoren, auch als Polymerhybrid-Kondensatoren bezeichnet, bilden eine Untergruppe der Hybridkondensatoren. Sie können die im Vergleich zu anderen Kondensatoren herausragenden Eigenschaften von Elektrolytkondensatoren, insbesondere solchen mit flüssigen Elektrolyten, wie z.B. hoher Spannungsbereich, hoher Kapazitätsbereich, geringer Leckstrom und geringer Preis, mit den Eigenschaften der Polymer-Elektrolytkondensatoren, wie z.B. geringer äquivalenter Serienwiderstand (engl.: Equivalent Series Resistance, ESR), hohe Rippelstrombelastbarkeit und lange Lebensdauer, verbinden. Im ESR sind die ohmschen Leitungs- und die dielektrischen Umpolungsverluste des Kondensators zusammengefasst Als Rippelstrom bezeichnet man einen Wechselstrom beliebiger Frequenz und Kurvenform, der einem Gleichstrom überlagert ist.
Flüssigelektrolyt-Polymerkondensatoren können in SMD-Bauform ausgeführt werden, was eine Parallelschaltung mehrerer dieser Kondensatoren erheblich vereinfacht. Flüssigelektrolyt-Polymerkondensatoren umfassen einen Elektrolyt in flüssiger Form sowie Polymerelektroden, und sind temperaturbeständiger als z.B. reine Polymerkondensatoren oder Elektrolytkondensatoren (Elkos), d.h. Temperaturschwankungen wirken sich weniger stark auf die kapazitiven Eigenschaften des Kondensators aus.
Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Filterschaltung in einem Kraftfahrzeug zwischen ein Fahrzeugbordnetz und einen Motor bzw. Startergenerator geschaltet sein, um das Fahrzeugbordnetz vom Motor elektrisch zu entkoppeln. Von dem Motor ausgehende Störungen können somit gefiltert werden, bevor sie auf das Fahrzeugbordnetz negativen Einfluss nehmen können. Die Filterschaltung kann sich beispielsweise zwischen einer Batterie und einem Motor, etwa in einer Batteriezuleitung, innerhalb eines Fahrzeugs befinden. Im Bereich des Motors oder Teilen des Motors, also z.B. Zündkerzen, Förderpumpen etc., auftretende Störungen, z.B. Spannungsausschläge (Spitzen, Peaks), können somit unterdrückt werden, und ein schädlicher Einfluss der Störungen auf das Bordnetz und an das Bordnetz gekoppelte elektrische und elektronische Geräte vermieden werden.
Elektrische Komponenten der Filterschaltung sind miteinander mittelbar über eine weitere Komponente oder unmittelbar miteinander derart gekoppelt, dass diese einen Stromfluss zwischen den betreffenden Komponenten ermöglichen.
Bei Ausführungsbeispielen kann die erste Filterstufe ein oberflächenmontiertes erstes induktives Element und die zweite Filterstufe ein oberflächenmontiertes zweites induktives Element umfassen. Hierdurch kann weiterer Bauraum und weiteres Gewicht eingespart werden. Ein oberflächenmontiertes induktives Element kann als Planarspule oder SMD-Spule ausgeführt sein oder eine solche umfassen. Die Induktivität einer SMD-Spule kann in manchen Ausführungsbeispielen in einem Bereich von 0,5 bis 5 Mikrohenry (µH), vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 2 µH liegen. Es können in weiteren Ausführungsbeispielen in der Filterschaltung auch mehrere Induktivitäten in Serie geschaltet sein, wodurch eine gute Skalierbarkeit auf Laststromanforderungen ermöglicht werden kann. Durch den mindestens zweistufigen Aufbau, d.h. eine steilere Filtercharakteristik, können wesentlich kleinere Induktivitäten verwendet werden als bei einem einstufigen Aufbau. So können auch bei hohen Strömen die induktiven Elemente noch als SMD-Elemente ausgeführt werden. Induktivitäten, oder genauer gesagt, Spulen, können bei anliegendem Gleichstrom leitend und bei Wechselstrom oder schwankendem Strom oberhalb einer Grenzfrequenz nahezu isolierend wirken. Anteile eines anliegenden Potentials mit Frequenzen oberhalb einer Grenzfrequenz können dadurch abgeschwächt werden.
Bei Ausführungsbeispielen können die erste und die zweite Filterstufe jeweils als Tiefpassfilter wenigstens erster Ordnung ausgeführt sein. Störungen oberhalb einer Grenzfrequenz, also z.B. Spannungsspitzen, können so am Durchdringen der Filterschaltung gehindert werden. Als Tiefpass bezeichnet man Filter, die Signalanteile mit Frequenzen unterhalb ihrer Grenzfrequenz annähernd ungeschwächt passieren lassen, Anteile mit höheren Frequenzen dagegen abschwächen. Die Grenzfrequenz kann bei einigen Ausführungsbeispielen in einem Bereich von 1 bis 100 Kilohertz (kHz) liegen.
Bei Ausführungsbeispielen kann der wenigstens eine erste oberflächenmontierte Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator zwischen ein Bezugspotential und einen ersten Schaltungsknoten geschaltet sein. Auch kann der wenigstens eine zweite oberflächenmontierte Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator zwischen das Bezugspotential und einen zweiten Schaltungsknoten geschaltet sein. Das Bezugspotential, z.B. Masse, kann beispielsweise durch eine Kopplung der Filterschaltung an eine Fahrzeugkarosserie oder, im Falle einer stationären Anwendung, eine Kopplung an Erde sein. Kondensatoren können bei anliegendem Gleichstrom isolierend und bei Wechselstrom oberhalb einer Grenzfrequenz leitend wirken. Hochfrequente, also über der Grenzfrequenz liegende Anteile eines elektrischen Potentials können also durch einen mit einem Bezugspotential verbundenen Kondensator, wie den ersten oder zweiten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator, nahezu vollständig auf Masse gelegt werden.
Optional kann bei einem solchen Ausführungsbeispiel zwischen das Bezugspotential und den ersten Schaltungsknoten eine erste Parallelschaltung aus einer Mehrzahl oberflächenmontierter Flüssigelektrolyt-Polymerkondensatoren geschaltet sein. Auch kann dabei zwischen das Bezugspotential und den zweiten Schaltungsknoten eine zweite Parallelschaltung aus einer Mehrzahl oberflächenmontierter Flüssigelektrolyt-Polymerkondensatoren geschaltet sein. Der an den einzelnen Flüssigelektrolyt-Polymerkondensatoren jeweils auftretende elektrische Strom kann somit reduziert werden. Wird eine Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren anstelle eines einzelnen Kondensators verwendet, kann also die Kapazität der einzelnen Kondensatoren entsprechend verringert werden. Außerdem kann durch das Parallelschalten mehrerer Kondensatoren eine gute Skalierbarkeit erreicht werden, d.h. beispielsweise die Anzahl der Kondensatoren und deren Kapazitäten auf eine zu erwartende Laststromanforderung individuell angepasst werden. Die Parallelschaltung kann in einigen Ausführungsbeispielen nicht nur Flüssigelektrolyt-Polymerkondensatoren, sondern auch andere Kondensatortypen, wie z.B. Keramikkondensatoren, umfassen, die in manchen Ausführungsbeispielen auch in SMD-Bauform realisierbar sind. Manche oder sogar alle von der ersten oder zweiten Parallelschaltung umfassten Kondensatoren können als SMD-Kondensatoren ausgeführt sein.
Optional kann bei einem solchen Ausführungsbeispiel ferner zwischen den ersten Schaltungsknoten und ein Versorgungspotential eine erste oberflächenmontierte Spule geschaltet sein. Auch kann dabei zwischen den ersten Schaltungsknoten und den zweiten Schaltungsknoten eine zweite oberflächenmontierte Spule geschaltet sein. Die erste und die zweite oberflächenmontierte Spule können auch jeweils als Reihenschaltung mehrerer SMD-Spulen realisiert werden. Das Versorgungspotential kann beispielsweise durch eine Batterie oder einen Akkumulator realisiert sein.
Ergänzend oder alternativ kann bei Ausführungsbeispielen die erste Filterstufe mit einem Versorgungspotentialanschluss (z.B. Batterieanschluss) gekoppelt sein. Dabei kann zwischen den Versorgungspotentialanschluss und das Bezugspotential ein zusätzlicher Kondensator geschaltet sein, um Versorgungspotentialschwankungen zu glätten. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann der zusätzliche Kondensator einen Eingangskondensator bilden. Schwankungen des Versorgungspotentials, also etwa eine einem Gleichstrom überlagerte Wechselstromkomponente, kann durch den zusätzlichen Kondensator in ihrer Amplitude gedämpft oder unterdrückt werden.
Optional kann bei einem solchen Ausführungsbeispiel der zusätzliche Kondensator ein Keramikkondensator oder ein Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator sein. Dieser zusätzliche Kondensator kann auch als SMD-Kondensator ausgeführt sein.
Ausführungsbeispiele umfassen ferner ein Kraftfahrzeug mit einer Filterschaltung zwischen einem Fahrzeugbordnetz und einem Fahrzeugmotor. Das Kraftfahrzeug kann ein Landfahrzeug, wie etwa ein PKW oder LKW, aber auch ein Luft- oder Wasserfahrzeug sein.
Ausführungsbeispiele umfassen weiterhin ein Verfahren zur Entkopplung eines Fahrzeugbordnetzes von einem Fahrzeugmotor. Das Verfahren umfasst ein Anordnen, zwischen dem Fahrzeugbordnetz und dem Fahrzeugmotor, einer oberflächenmontierten Filterschaltung wenigstens zweiter Ordnung. Die Filterschaltung umfasst dabei eine erste oberflächenmontierte Filterstufe wenigstens erster Ordnung mit wenigstens einem ersten oberflächenmontierten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator, sowie eine zweite oberflächenmontierte Filterstufe wenigstens erster Ordnung mit wenigstens einem zweiten oberflächenmontierten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen, auf welche Ausführungsbeispiele jedoch nicht beschränkt sind, näher beschrieben.
So zeigen die Figuren schematisch die nachfolgenden Ansichten:
1 ein Vergleichsbeispiel einer konventionellen Filterschaltung; und
2 ein Ausführungsbeispiel einer oberflächenmontierten Filterschaltung wenigstens zweiter Ordnung.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Darstellungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. Ferner werden zusammenfassende Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Darstellung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Komponenten oder Objekte, die mit gleichen oder zusammenfassenden Bezugszeichen beschrieben werden, können hinsichtlich einzelner, mehrerer oder aller Merkmale, beispielsweise ihrer Dimensionierungen, gleich, jedoch gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgeführt sein, sofern sich aus der Beschreibung nicht etwas anderes explizit oder implizit ergibt.
In 1 ist ein Vergleichsbeispiel einer konventionellen Filterschaltung 10 gezeigt. Zwischen einen Eingangsanschluss 12 und einen Ausgangsanschluss 14 ist eine Spule 16 gekoppelt bzw. geschaltet. Zwischen der Spule 16 und dem Eingangsanschluss 12 befindet sich ein erster Schaltungsknoten 18. Ein erster Kondensator 20 zwischen den ersten Schaltungsknoten 18 und ein Bezugspotential 22 geschaltet. Zwischen der Spule 16 und dem Ausgangsanschluss 14 befindet sich ein zweiter Schaltungsknoten 24. Ein zweiter Kondensator 26 ist zwischen den zweiten Schaltungsknoten 24 und das Bezugspotential 22 geschaltet.
Aufgrund der Form ihres Aufbaus wird die konventionelle Filterschaltung 10 in 1 auch pi-Filter genannt. Durch das pi-Filter 10 können unerwünschte Frequenzen eines elektrischen Signals unterdrückt werden. Der erste Kondensator 20 bietet hierbei einer Wechselstromkomponente einer am Eingangsanschluss 12 anliegenden Spannung nur einen geringen Wechselstromwiderstand, wohingegen sein Widerstand gegenüber einer Gleichstromkomponente nahezu unbegrenzt hoch sein kann. Durch den Kondensator 20 kann nun ein erheblicher Anteil der Wechselstromkomponente abgeleitet werden, während die Gleichstromkomponente die Spule 16 erreicht. Die Spule 16 setzt der Wechselstromkomponente einen hohen Blindwiderstand entgegen, der Gleichstromkomponente jedoch einen Widerstand von nahezu Null. Folglich fließt die Gleichstromkomponente durch die Spule 16, während die Wechselstromkomponente blockiert wird. Der zweite Kondensator 26 leitet den Anteil der Wechselstromkomponente ab, der durch die Spule 16 zuvor nicht blockiert wurde. Somit kann eine an den Ausgangsanschluss 14 gekoppelte elektrische Last nur noch von der Gleichstromkomponente erreicht werden.
In 2 ist ein Ausführungsbeispiel einer oberflächenmontierten Filterschaltung 100 wenigstens zweiter Ordnung gezeigt. Die oberflächenmontierte Filterschaltung 100 umfasst eine erste oberflächenmontierte Filterstufe 102 wenigstens erster Ordnung mit wenigstens einem ersten oberflächenmontierten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator 104. Auch umfasst die Filterschaltung 100 eine zweite oberflächenmontierte Filterstufe 106 wenigstens erster Ordnung mit wenigstens einem zweiten oberflächenmontierten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator 108. In anderen Worten ausgedrückt kann die Filterschaltung 100 zumindest teilweise in SMD-Technik auf einem geeigneten Substrat, z.B. einer Leiterplatte, hergestellt sein.
Die Filterschaltung 100 weist zunächst einen ersten Anschluss 110 auf, der mit einem Knotenpunkt 112 leitend verbunden ist. Über den Knotenpunkt 112 ist die erste Filterstufe 102 mit dem ersten Anschluss 110 gekoppelt. Dabei ist zwischen den Knotenpunkt 112 und ein Bezugspotential 114 optional ein zusätzlicher Kondensator 116 geschaltet. Dieser kann auch als Eingangskondensator bezeichnet werden, welcher den beiden Filterstufen 102, 106 vorgeschaltet ist. Der zusätzliche Kondensator 116 kann bei manchen Ausführungsbeispielen ein Keramikkondensator oder ein Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator sein. Als Eingangskondensator können sogar wahlweise ein oder mehrere parallel geschaltete Keramikkondensatoren und/oder ein oder mehrere Flüssigelektrolyt-Polymerkondensatoren verwendet werden.
Ein von der ersten Filterstufe 102 umfasstes erstes induktives Element 118 ist an den Knotenpunkt 112 und an einen ersten Schaltungsknoten 120 gekoppelt. Das erste induktive Element 118 kann z.B. eine oberflächenmontierte Spule (d.h. SMD-Spule) sein. Weiterhin ist der von der ersten Filterstufe 102 umfasste erste oberflächenmontierte Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator 104 zwischen den ersten Schaltungsknoten 120 und das Bezugspotential 114 geschaltet. Optional kann der erste oberflächenmontierte Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator 104 auch, wie 2 zeigt, von einer ersten Parallelschaltung 122 umfasst sein. Die erste Parallelschaltung 122 kann wahlweise einen oder mehrere parallel geschaltete Keramikkondensatoren und mindestens einen oder mehrere Flüssigelektrolyt-Polymerkondensatoren aufweisen. In 2 sind diese Möglichkeiten durch eine punktierte Linie und einen ersten Zusatzkondensator 124 angedeutet, der mit dem ersten Schaltungsknoten 120 und dem Bezugspotential 114 verbunden ist.
Ein von der zweiten Filterstufe 106 umfasstes zweites induktives Element 126 ist an den ersten Schaltungsknoten 120 und an einen zweiten Schaltungsknoten 128 gekoppelt. Das zweite induktive Element 126 kann z.B. eine oberflächenmontierte Spule (d.h. SMD-Spule) sein. Weiterhin ist der von der zweiten Filterstufe 106 umfasste zweite oberflächenmontierte Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator 108 zwischen den zweiten Schaltungsknoten 128 und das Bezugspotential 114 geschaltet. Optional kann der zweite oberflächenmontierte Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator 108 auch, wie 2 zeigt, von einer zweiten Parallelschaltung 130 umfasst sein. Die zweite Parallelschaltung 130 kann wahlweise einen oder mehrere parallel geschaltete Keramikkondensatoren und mindestens einen oder mehrere Flüssigelektrolyt-Polymerkondensatoren aufweisen. In 2 sind diese Möglichkeiten durch eine punktierte Linie und einen zweiten Zusatzkondensator 132 angedeutet, der mit dem zweiten Schaltungsknoten 128 und dem Bezugspotential 114 verbunden ist. Der zweite Schaltungsknoten 128 ist weiterhin an einen zweiten Anschluss 134 (Versorgung, Motorbrücke) gekoppelt.
Superkondensatoren, und damit auch Flüssigelektrolyt-Polymerkondensatoren, sind gepolte Bauelemente, die einen Betrieb mit korrekter Polarität erfordern. Bei dem ersten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator 104, dem ersten Zusatzkondensator 124, dem zweiten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator 108 und dem zweiten Zusatzkondensator 132 ist die Lage der Anode in 2 jeweils durch ein Pluszeichen angedeutet. Der erste Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator 104, der erste Zusatzkondensator 124, der zweite Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator 108, der zweite Zusatzkondensator 132 und der zusätzliche Kondensator 116 können jeweils in SMD-Technik ausgeführt sein.
Die Filterschaltung 100 in 2 stellt anders ausgedrückt einen zweistufig aufgebauten, passiven Filter dar, der in Kombination mit mehreren parallel geschalteten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensatoren in SMD-Bauform ausgeführt ist. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Filterschaltung 100 auch ein aktives Filter umfassen, dessen Wirkung durch eine externe Versorgungsspannung steuerbar ist. Bei weiteren Ausführungsbeispielen kann die Filterschaltung 100 auch mehr als zwei Filterstufen umfassen; die Filterschaltung 100 ist, mit anderen Worten, gemäß einigen Ausführungsbeispielen – je nach Anforderung – skalierbar.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann die Filterschaltung 100 zwischen ein Fahrzeugbordnetz und einen Fahrzeugmotor geschaltet sein, um das Fahrzeugbordnetz vom Fahrzeugmotor elektrisch zu entkoppeln. Bei dem Fahrzeugmotor kann es sich um eine elektrische Maschine, wie z.B. einen Startergenerator, oder einen Verbrennungsmotor handeln. D.h., der erste Anschluss 110 kann beispielsweise ein bordnetzseitiger Anschluss sein (z.B. ein Batterie- oder Bordnetzversorgungspotentialanschluss), wobei der zweite Anschluss 134 ein motorseitiger Anschluss sein kann. Umgekehrt ist es auch denkbar.
Bei einigen Ausführungsbeispielen können die erste Filterstufe 102 und die zweite Filterstufe 106 jeweils Tiefpassfilter wenigstens erster Ordnung sein, wie in 2 zu sehen ist. Der zweite Anschluss 134 ist in 2 an einen Motor koppelbar, sodass der Motor „störseitig“ liegt, und eine Störung über den zweiten Anschluss 134 in die Filterschaltung 100 läuft. Gelangt die Störung, z.B. ein Rippelstrom, über den Anschluss 134 in die Filterschaltung 100, passiert sie zuerst den zweiten Schaltungsknoten 128. Hochfrequente Spannungsanteile (Wechselspannung) des Rippelstroms können über den zweiten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator 108 oder über die zweite Parallelschaltung 130 wenigstens teilweise auf das Bezugspotential 114 herabgezogen (auf Masse gezogen, „geerdet“) werden, wohingegen konstante oder niederfrequente Anteile (Gleichspannung) das zweite induktive Element 126 nahezu ungehindert passieren können. Bei einer SMD-Bauweise kann die Induktivität des zweiten induktiven Elements 126 deutlich kleiner als bei einer konventionellen bedrahteten Spule sein, sodass die Amplitude hochfrequenter Stromanteile zwar durch die zweite Filterstufe 106 abgeschwächt, aber gegebenenfalls nicht vollständig unterdrückt werden kann. Der abgeschwächte Rippelstrom gelangt so zu dem ersten Schaltungsknoten 120. Auch hier werden hochfrequente Anteile durch den ersten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator 104 oder die erste Parallelschaltung 122 auf Masse gezogen, während konstante oder niederfrequente Anteile das erste induktive Element 118 passieren. Die kumulative Abschwächung der Amplitude hochfrequenter Anteile kann durch die Serienschaltung der ersten Filterstufe 102 und der zweiten Filterstufe 106 effizient genug sein, um schädliche Einflüsse auf das Bordnetz abzuwenden. Eventuell verbliebene Schwankungen können durch den zusätzlichen Kondensator 116 weiter geglättet werden, bevor der erste Anschluss 110 erreicht wird, der in 2 batterie- bzw. netzseitig gelegen ist. Auch kann mit dem zusätzlichen Kondensator 116 in einigen Ausführungsbeispielen eine Versorgungspotentialschwankung geglättet werden, d.h. eine Versorgungsspannung, die zwischen einer an den Anschluss 110 gekoppelten Batterie und einem an den Anschluss 134 gekoppelten Motor abfällt. Der erste Anschluss 110 ist bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel an eine Batterie, oder allgemeiner, ein Fahrzeugbordnetz koppelbar.
Einige Ausführungsbeispiele umfassen auch ein Kraftfahrzeug mit einem Ausführungsbeispiel einer Filterschaltung 100 zwischen einem Fahrzeugbordnetz und einem Fahrzeugmotor. Bei elektromotorischen Anwendungen, z.B. in einem Kraftfahrzeug, können von dem Fahrzeugmotor oder zu dem Motor gehörigen Schaltkreisen Störungen ausgehen. Diese können sich z.B. in Form von Spannungsspitzen äußern, die von dem Motor in das Bordnetz abstrahlen können. Die Filterschaltung 100 kann daher von einer Batteriezuleitung umfasst sein, um diese Störungen einzuschränken. Üblicherweise können Induktivitäten bei konventionellen Filterschaltungen bei Werten über 2–4 µH liegen, um motorseitige Störungen wirksam vom Bordnetz zu entkoppeln. Durch den zwei- oder auch mehrstufigen Aufbau kann die Induktivität der Spulen (in 2 sind dies das erste induktive Element 118 und das zweite induktive Element 126) soweit reduziert werden, dass diese als SMD-Elemente ausführbar sind, da SMD-Spulen konstruktionsbedingt in der Regel niedrigere Induktivitäten aufweisen als bedrahtete Spulen. Die Induktivität kann so bei einzelnen Ausführungsbeispielen um mindestens einen Faktor 2 oder 4 verringert werden, was eine Ausführbarkeit als SMD-Spule ermöglicht und so den für die Filterschaltung 100 erforderlichen Bauraum erheblich reduziert. Sind herkömmliche Kondensatoren starken Temperaturschwankungen ausgesetzt, können sich damit deren kapazitive Eigenschaften und die Größe des anliegenden Stroms ändern. Die Verwendung von Flüssigelektrolyt-Polymerkondensatoren oder Keramikkondensatoren kann durch deren Temperaturbeständigkeit dazu beitragen, diesen Effekt erheblich zu mindern.
In einigen Ausführungsbeispielen kann die Kapazität eines oder mehrerer parallelgeschalteter Flüssigelektrolyt-Polymerkondensatoren in einem Bereich von 100 bis 500 Mikrofarad (µF), vorzugsweise von 270 bis 330 µF, liegen. Die Induktivität einer einzelnen SMD-Spule kann dabei in einem Bereich zwischen 1 und 2 µH liegen. Dadurch können Grenzfrequenzen im kHz-Bereich, beispielsweise zwischen 5 und 15 kHz oder zwischen 6 und 10 kHz erreichbar sein, sodass durch die Filterschaltung z.B. Signale in einem Frequenzbereich von 150 kHz bis 1 MHz zum größten Teil unterdrückbar sind.
Ausführungsbeispiele ermöglichen die Verwendung von kleinen platzsparenden SMD-Komponenten, die über einen SMD-Lötprozess direkt auf eine Leiterplatte gelötet werden können. Ein zusätzliches Trägermodul, z.B. um die Vibrationsanfälligkeit zu verringern kann dadurch entfallen. Auch ein weiterer Fertigungsprozess für das Anbringen des Trägermoduls an die Leiterplatte kann somit entfallen. Zusätzlich können Ausführungsbeispiele die Möglichkeit bieten, das Filter an eine Stromanforderung der Motoranwendung in Stufen anzupassen und damit Bauteilkosten zu reduzieren.
Bei manchen Ausführungsbeispielen sind die beiden Induktivitäten als SMD-Bauformen ausgeführt. Durch den zweistufigen Aufbau, d.h. durch die sehr steile Filtercharakteristik, können wesentlich kleinere Induktivitäten verwendet werden, d.h. auch bei hohen Strömen sind noch SMD-Bauformen verwendbar. Die verwendeten SMD-Polymerkondensatoren weisen im Vergleich zu herkömmlichen Kondensatoren einen sehr niedrigen ESR auf, was eine hohe Rippelstrombelastbarkeit ermöglichen kann. Schaltet man mehrere Kondensatoren parallel bzw. mehrere Induktivitäten in Reihe, kann eine Skalierung auf die Laststromanforderung erfolgen. In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es möglich, die Kondensatoren und die Spulen über ein thermisch leitendes Material zur Kühlung an ein Metallgehäuse anzubinden. Dieses kann auch zur mechanischen Stabilisierung bei Vibration dienen. Außerdem ist es möglich, noch weitere Filterstufen hinzuzufügen.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den beigefügten Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln wie auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung eines Ausführungsbeispiels in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein und implementiert werden.
Bezugszeichenliste

10: Konventionelle Filterschaltung
12: Eingangsanschluss
14: Ausgangsanschluss
16: Spule
18: erster Schaltungsknoten
20: erster Kondensator
22: Bezugspotential
24: zweiter Schaltungsknoten
26: zweiter Kondensator
28: Anoden
100: oberflächenmontierte Filterschaltung
102: erste Filterstufe
104: erster Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator
106: zweite Filterstufe
108: zweiter Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator
110: erster Anschluss
112: Knotenpunkt
114: Bezugspotential
116: zusätzlicher Kondensator
118: erstes induktives Element
120: erster Schaltungsknoten
122: erste Parallelschaltung
124: erster Zusatzkondensator
126: zweites induktives Element
128: zweiter Schaltungsknoten
130: zweite Parallelschaltung
132: zweiter Zusatzkondensator
134: zweiter Anschluss

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10155393 A1 [0004]

Claims

Oberflächenmontierte Filterschaltung (100) wenigstens zweiter Ordnung, umfassend: eine erste oberflächenmontierte Filterstufe (102) wenigstens erster Ordnung mit wenigstens einem ersten oberflächenmontierten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator (104); und eine zweite oberflächenmontierte Filterstufe (106) wenigstens erster Ordnung mit wenigstens einem zweiten oberflächenmontierten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator (108).
Filterschaltung (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Filterschaltung (100) zwischen ein Fahrzeugbordnetz und einen Fahrzeugmotor geschaltet ist, um das Fahrzeugbordnetz vom Fahrzeugmotor elektrisch zu entkoppeln.
Filterschaltung (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die erste Filterstufe (102) ein oberflächenmontiertes erstes induktives Element (118) und die zweite Filterstufe (106) ein oberflächenmontiertes zweites induktives Element (126) umfasst.
Filterschaltung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste (102) und die zweite Filterstufe (106) jeweils Tiefpassfilter wenigstens erster Ordnung sind.
Filterschaltung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der wenigstens eine erste oberflächenmontierte Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator (102) zwischen ein Bezugspotential (114) und einen ersten Schaltungsknoten (120) geschaltet ist, und wobei der wenigstens eine zweite oberflächenmontierte Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator (108) zwischen das Bezugspotential (114) und einen zweiten Schaltungsknoten (128) geschaltet ist.
Filterschaltung (100) gemäß Anspruch 5, wobei zwischen das Bezugspotential (114) und den ersten Schaltungsknoten (120) eine erste Parallelschaltung (122) aus einer Mehrzahl oberflächenmontierter Flüssigelektrolyt-Polymerkondensatoren geschaltet ist, und wobei zwischen das Bezugspotential (114) und den zweiten Schaltungsknoten (128) eine zweite Parallelschaltung (130) aus einer Mehrzahl oberflächenmontierter Flüssigelektrolyt-Polymerkondensatoren geschaltet ist.
Filterschaltung (100) gemäß Anspruch 5 oder 6, wobei zwischen den ersten Schaltungsknoten (120) und ein Versorgungspotential eine erste oberflächenmontierte Spule geschaltet ist, und wobei zwischen den ersten Schaltungsknoten (120) und den zweiten Schaltungsknoten (128) eine zweite oberflächenmontierte Spule geschaltet ist.
Filterschaltung (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die erste Filterstufe (102) mit einem Versorgungspotentialanschluss (110) gekoppelt ist, und wobei zwischen den Versorgungspotentialanschluss (110) und ein Bezugspotential (114) ein zusätzlicher Kondensator (116) geschaltet ist, um Versorgungspotentialschwankungen zu glätten.
Filterschaltung (100) gemäß Anspruch 8, wobei der zusätzliche Kondensator (116) ein Keramikkondensator oder ein Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator ist.
Kraftfahrzeug (100) mit einer Filterschaltung (100) zwischen einem Fahrzeugbordnetz und einem Fahrzeugmotor, gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche.
Verfahren zur Entkopplung eines Fahrzeugbordnetzes von einem Fahrzeugmotor, umfassend: Anordnen, zwischen dem Fahrzeugbordnetz und dem Fahrzeugmotor, einer oberflächenmontierten Filterschaltung (100) wenigstens zweiter Ordnung, mit einer ersten oberflächenmontierten Filterstufe (102) wenigstens erster Ordnung mit wenigstens einem ersten oberflächenmontierten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator (104); und einer zweiten oberflächenmontierten Filterstufe (106) wenigstens erster Ordnung mit wenigstens einem zweiten oberflächenmontierten Flüssigelektrolyt-Polymerkondensator (108).