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Die Erfindung betrifft eine Leiterplatte aufweisend eine Drossel und ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte aufweisend eine Drossel.
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Drosseln werden für eine Mehrzahl von elektronischen und/oder elektrischen Anwendungen verwendet, vorzugsweise zur Begrenzung von Strömen in elektrischen Leitungen, zur Zwischenspeicherung von Energie in Form ihres Magnetfeldes, zur Impedanzanpassung oder zur Filterung eines elektronischen oder elektrischen Signals.
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Bei der Verwendung von Drosseln zur Entstörung in bspw. Netzfiltern oder Schaltnetzteilen sollen niederfrequente Ströme durch die Drossel nicht oder nur wenig beeinflusst werden, hochfrequente Ströme dagegen sollen unter Ausnutzung der Impedanz der Induktivität wirksam verringert werden.
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Insbesondere bei Anwendungen der Leistungselektronik, wo hohe Stromstärken benötigt werden, ergeben sich thermische Anforderungen an die Wicklungen der Drossel, sodass ein hoher Leiterquerschnitt der Leiter für die Wicklungen benötigt wird.
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Bei zu hohem Leiterquerschnitt können die Wicklungen aufgrund der gestiegenen Wickelkräfte nur noch manuell gewickelt werden.
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Dies ist insbesondere für die automatisierte Fertigung einer Drossel eine Herausforderung.
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Ferner steigen durch die gestiegenen benötigten Wickelkräfte die mechanischen Belastungen auf den weichmagnetischen Magnetkern, sodass ein umhüllendes Gehäuse mit einer erhöhten Festigkeit notwendig werden kann. Dadurch können zum Einen der Preis der Drossel und zum Anderen die erforderlichen Mindestmaße für eine spezifizierte Stromstärke steigen.
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Insbesondere für mobile Anwendungen und/oder andere bauraumsensitive Anwendungen besteht der Wunsch Drosseln möglichst klein zu gestalten und dabei gleichzeitig eine gute Filterwirkung für hochfrequente Störströme und eine möglichst konstante und gleichzeitig niedrige Temperatur der Drossel zu realisieren. Ferner besteht insbesondere der Wunsch Drosseln möglichst einfach und automatisiert zu fertigen, um eine Produktion in hohen Stückzahlen zu ermöglichen. Dies ist speziell im Automobilsektor ein entscheidender Faktor.
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Ausgehend von den zuvor beschriebenen Nachteilen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Leiterplatte aufweisend eine Drossel bereitzustellen, deren Mindestmaße für eine spezifizierte Stromstärke verringert ist und welche automatisiert gefertigt werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Leiterplatte aufweisend eine Drossel gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Die Erfindung sieht eine Leiterplatte aufweisend eine Drossel vor, wobei die Drossel einen weichmagnetischen Magnetkern und eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Leiterstücken aufweist. Jedes Leiterstück bildet in elektrisch leitfähiger Verbindung mit der Leiterplatte einen Bestandteil einer Wicklung um den Magnetkern, wobei der Magnetkern vollständig elektrisch isolierend ummantelt ist und die Drossel zumindest zwei Wicklungen um den Magnetkern mit jeweils gleicher Anzahl von Leiterstücken aufweist. Der Magnetkern weist eine relative Permeabilität von größer oder gleich 10.000 auf, bevorzugt eine relative Permeabilität von größer oder gleich 50.000 und besonders bevorzugt eine relative Permeabilität von größer oder gleich 110.000. Die Leiterstücke sind u-förmig ausgebildet und mittels SMT (surfacemounting technology) elektrisch leitfähig mit der Leiterplatte verbunden.
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Die Leiterplatte kann als gedruckte Schaltung, insbesondere als PCB (printed circuit board) ausgebildet sein.
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Die Drossel kann als Gleichtaktdrossel (common mode choke) ausgebildet sein.
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Der weichmagnetische Magnetkern kann als metallisches Glas und/oder als nanokristalliner Werkstoff ausgebildet sein.
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Die Leiterstücke können als Kupferdrahtstücke ausgebildet sein. Die Kupferdrahtstücke können einen Leiterquerschnitt von größer oder gleich 4 mm2 aufweisen, bevorzugt einen Leiterquerschnitt von größer oder gleich 6 mm2 und besonders bevorzugt einen Leiterquerschnitt von größer oder gleich 8 mm2. Die Kupferdrahtstücke können zudem einen Leiterquerschnitt von größer oder gleich 10 mm2 aufweisen, bevorzugt einen Leiterquerschnitt von größer oder gleich 16 mm2 und besonders bevorzugt einen Leiterquerschnitt von größer oder gleich 25 mm2. Dadurch kann die maximal mögliche Stromstärke, welche durch die Leiterstücke fließen kann erhöht werden.
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Der Magnetkern kann eine relative Permeabilität von größer oder gleich 5.000 aufweisen, bevorzugt eine relative Permeabilität von größer oder gleich 15.000, besonders bevorzugt eine relative Permeabilität von größer oder gleich 20.000 und abermals bevorzugt eine relative Permeabilität von größer oder gleich 80.000. Der Magnetkern kann eine relative Permeabilität von größer oder gleich 130.000 aufweisen, bevorzugt eine relative Permeabilität von größer oder gleich 150.000 und besonders bevorzugt von größer oder gleich 180.000. Durch diese besonders hohe relative Permeabilität kann das von einem stromdurchflossenen Leiter ausgehende magnetische Feld einen vergleichsweisen hohen magnetischen Fluss in dem Magnetkern hervorrufen und umgekehrt. Dadurch kann das magnetische Übertragungsverhalten des Magnetkerns und damit die Empfindlichkeit der Drossel verbessert werden. Ferner kann für einen designierten Anwendungsfall die Anzahl der Windungen der Wicklungen der Drossel bei gleichbleibendem magnetischen Fluss reduziert werden. Dadurch kann die Drossel mit kleineren Mindestmaßen hergestellt werden.
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Durch die elektrisch leitfähige Verbindung der Leiterstücke mit der Leiterplatte mittels SMT, kann die Fertigung der Leiterplatte aufweisend eine Drossel automatisiert werden. Insbesondere können die Leiterstücke und der Magnetkern durch die verringerte Größe und damit durch das verringerte Gewicht vereinfacht während des Bestückungsprozess der Leiterplatte auf der Leiterplatte angeordnet und die Leiterplatte und die Leiterstücke großserientauglich mittels SMT verbunden werden.
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Der Magnetkern kann eine Koerzitivfeldstärke von kleiner oder gleich 10 A/m aufweisen, bevorzugt eine Koerzitivfeldstärke von kleiner oder gleich 5 A/m und besonders bevorzugt eine Koerzitivfeldstärke von kleiner oder gleich 3 A/m. Wiederum vorzugsweise kann der Magnetkern eine Koerzitivfeldstärke von kleiner oder gleich 1,5 A/m aufweisen, bevorzugt eine Koerzitivfeldstärke von kleiner oder gleich 0,5 A/m und besonders bevorzugt eine Koerzitivfeldstärke von kleiner oder gleich 0,1 A/m. Je geringer die Koerzitivfeldstärke des Magnetkerns ausgebildet ist, desto geringer sind die in dem Magnetkern entstehenden Hystereseverluste und damit die entstehende Dissipation durch die wechselnde Polarisierung des Magnetkerns wenn ein Leiterstück der Drossel von einem Strom mit wechselnder Stromstärke durchflossen wird. Aufgrund dieser erhöhten Effizienz kann bei einer definierten Stromstärke eines spezifischen Anwendungsfalls die Drossel, insbesondere der Magnetkern, mit kleineren Mindestmaßen thermisch stabil ausgeführt werden. So kann zudem eine leichtere Drossel erreicht werden.
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Die Drossel kann zumindest zwei Leiterstücke aufweisen, vorzugsweise zumindest vier Leiterstücke und besonders bevorzugt zumindest sechs Leiterstücke. Weiterhin kann die Drossel zumindest acht Leiterstücke aufweisen, bevorzugt zumindest zehn Leiterstücke und besonders bevorzugt zumindest zwölf Leiterstücke.
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Die Leiterstücke können jeweils eine rechteckige Querschnittsfläche aufweisen. Dadurch können die Leiterstücke automatisiert gebogen und auf dem Magnetkern und der Leiterplatte angeordnet und mittels SMT mit der Leiterplatte verbunden werden.
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Alternativ können die Leiterstücke jeweils eine runde Querschnittsfläche aufweisen. Dadurch können die Leiterstücke vereinfacht gewickelt werden.
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Die Erfindung sieht weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer Leiterplatte aufweisend die nachfolgenden Verfahrensschritte vor:
- - Bereitstellen einer Leiterplatte;
- - Bereitstellen einer Drossel;
- - Anordnen der Drossel auf der Leiterplatte; und
- - Verbinden der Drossel mit der Leiterplatte mittels SMT.
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Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich nachfolgend aus den erläuterten Ausführungsbeispielen. Dabei zeigen im Einzelnen:
- 1: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung in einer Draufsicht von oben, und
- 2: eine schematische Darstellung der ersten Ausführungsform der Erfindung in einer Schnittansicht von der Seite.
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In der nun folgenden Beschreibung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Bauteile bzw. gleiche Merkmale, so dass eine in Bezug auf eine Figur durchgeführte Beschreibung bezüglich eines Bauteils auch für die anderen Figuren gilt, sodass eine wiederholende Beschreibung vermieden wird. Ferner sind einzelne Merkmale, die in Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben wurden, auch separat in anderen Ausführungsformen verwendbar.
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Eine erste Ausführungsform einer Leiterplatte 10 gemäß 1 weist eine Drossel 20 auf, wobei die Drossel 20 einen weichmagnetischen Magnetkern 30 und eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Leiterstücken 40 aufweist, wobei der Magnetkern 30 vollständig elektrisch isolierend ummantelt ist. Die Drossel 20 weist zwei Wicklungen 50 mit jeweils gleicher Anzahl Leiterstücken 40 um den Magnetkern 30 auf, wobei jedes Leiterstück 40 in elektrisch leitfähiger Verbindung mit der Leiterplatte 10 einen Bestandteil einer Wicklung 50 aufweist. Die Leiterstücke 40 sind u-förmig ausgebildet und mittels SMT auf der Leiterplatte 10 elektrisch leitfähig verbunden. Der Magnetkern 30 weist eine relative Permeabilität von größer oder gleich 10.000 auf, bevorzugt eine relative Permeabilität von größer oder gleich 50.000 und besonders bevorzugt eine relative Permeabilität von größer oder gleich 110.000.
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Der Magnetkern 30 weist eine Durchgangsöffnung 70 und eine axiale Erstreckung in Richtung der Durchgangsöffnung 70 auf. Ferner weist der Magnetkern 30 eine Längserstreckung L und eine Quererstreckung Q auf wobei die Längserstreckung L größer als die Quererstreckung Q sein kann. Die Längserstreckung L und die Quererstreckung Q liegen in einer Ebene und sind orthogonal zur axialen Erstreckung angeordnet. Die zwei Wicklungen 50 sind symmetrisch und beidseitig der Durchgangsöffnung 70 entlang der Längserstreckung L angeordnet.
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Der Magnetkern 30 weist eine im Wesentlichen rechteckige Form in der Ebene auf, welche durch die Längserstreckung L und die Quererstreckung Q aufgespannt wird. Die Durchgangsöffnung 70 weist zudem eine im Wesentlichen rechteckige Form in der gleichen Ebene auf.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann der Magnetkern 30 als Wickelgut mit sich bedingenden Eckradien hergestellt sein und eine im Wesentlichen ovale oder kreisrunde Form in der Ebene aufweisen, welche durch die Längserstreckung L und die Quererstreckung Q aufgespannt wird. Die Durchgangsöffnung 70 kann zudem eine im Wesentlichen ovale, kreisrunde oder rechteckige Form in der gleichen Ebene aufweisen.
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Die Drossel 20 weist acht Leiterstücke 40 auf.
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In einer Schnittansicht der ersten Ausführungsform der Leiterplatte 10 gemäß 2 weisen die Leiterstücke 40 eine rechteckige Querschnittsfläche auf. Zudem sind die Leiterstücke 40 an den Verbindungsstellen 60 mit der Leiterplatte 10 elektrisch leitend verbunden. Dadurch können die Wicklungen 50 direkt durch die Leiterstücke 40 zusammen mit der Leiterplatte 10 gebildet werden.
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Die Leiterstücke 40 umschließen den Magnetkern 30 weniger als vollständig, sodass die Leiterstücke 40 seitlich an dem Magnetkern 30 vorbeiführen und an den Verbindungsstellen 60 mit der Leiterplatte 10 verbunden sind. Mit anderen Worten sind die Leiterstücke 40 derart u-förmig gebogen, dass die Winkelsumme der durch die u-förmige Biegung eingeschlossenen Winkel der Leiterstücke 40 größer oder gleich 180 ° ist. Dadurch kann die Leiterplatte 10 aufweisend die Drossel 20 nochmals mit verringerten Mindestmaßen hergestellt werden.
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Die Leiterstücke 40 sind insbesondere derart seitlich an dem Magnetkern 30 vorbeigeführt und an den Verbindungsstellen 60 mit der Leiterplatte 10 verbunden, dass in Richtung der axialen Erstreckung des Magnetkerns 30 die Leiterstücke 10 nicht zwischen Magnetkern 30 und Leiterplatte 10 verlaufen. Dadurch kann der Magnetkern 30 nochmals dichter an der Leiterplatte 10 angeordnet werden und die Leiterplatte 10 aufweisend eine Drossel 20 mit abermals verringerten Mindestmaßen hergestellt werden.
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Die Leiterstücke 40 sind an den beiden Enden der gebogenen u-Form derart gebogen, dass die Leiterstücke 40 eine im Wesentlichen parallele Auflagefläche zur Leiterplatte 10 bilden. So können die Leiterstücke 40 vereinfacht mittels SMT mit der Leiterplatte 10 an den Verbindungsstellen 60 verbunden werden.
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Der Magnetkern 30 weist zudem eine im Wesentlichen rechteckige Querschnittsfläche entlang der Längserstreckung L und der Quererstreckung Q auf.
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Die Leiterplatte 10 kann zunächst mit einem Magnetkern 30 und danach mit einer Mehrzahl von Leiterstücken 40 bestückt werden. Anschließend können die Leiterstücke 40 mittels SMT mit der Leiterplatte 10 verbunden werden. Alternativ kann die Leiterplatte 10 mit einer Baugruppe bestehend aus einem Magnetkern 30 und einer Mehrzahl auf dem Magnetkern 30 angeordneten Leiterstücken 40 bestückt und anschließend mittels SMT mit der Leiterplatte 10 verbunden werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Leiterplatte
- 20
- Drossel
- 30
- Magnetkern
- 40
- Leiterstück
- 50
- Wicklung
- 60
- Verbindungsstelle
- 70
- Durchgangsöffnung
- L
- Längserstreckung
- Q
- Quererstreckung
