DE10252584A1

DE10252584A1 - Anordnung zum Schutz elektrischer Schaltungen vor Überspannung

Info

Publication number: DE10252584A1
Application number: DE2002152584
Authority: DE
Inventors: Oliver Nell
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2002-11-12
Publication date: 2004-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit mehreren elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen auf einer Leiterplatine (1), die mindestens eine mit einem Bezugspotential verbundene leitende Struktur (6) enthält, mit mindestens einem elektrischen Verbindungselement (8) und mit Mitteln zum Schutz der Bauteile vor elektrischer Entladung aufgrund von Überspannung, wobei an dem Verbindungselement (8) mindestens ein Anschlusspin (9) vorgesehen ist, der an einer Kontaktierungsstelle (10) mit der Leiterplatine (1) elektrisch leitend verbunden ist. Erfindungsgemäß ist an dem Anschlusspin (9) des Verbindungselementes (8) die Kontaktierungsstelle (10) mit der Leiterplatine (1) als leitende, ringförmige, mit mehreren Ausformungen (4) versehene Struktur (3) ausgebildet, wobei die Ausformungen (4) mit der mit dem Bezugspotential verbundenen Struktur (6) bei Auftreten der Überspannung eine Funkenstrecke bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit mehreren elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen auf einer Leiterplatine, die mindestens eine mit einem Bezugspotential verbundene leitende Struktur enthält, mit mindestens einem elektrischen Verbindungselement und mit Mitteln zum Schutz der Bauteile vor elektrischer Entladung aufgrund von Überspannung, wobei an dem Verbindungselement mindestens ein Anschlusspin vorgesehen ist, der an einer Kontaktierungsstelle mit der Leiterplatine elektrisch leitend verbunden ist.
In elektronischen Geräten müssen die innenliegenden Bauteile bzw. Baugruppen vor der Zerstörung durch die Entladung einer von außen aufgebrachten Überspannung geschützt werden. Die Überspannung wird dabei über elektrische Verbindungselemente aufgebracht, die das Innere des elektronischen Gerätes mit der Außenwelt verbinden. Solche Verbindungselemente sind z.B. Versorgungsstecker, Kabel oder Steckverbindungen für den Datenaustausch zu anderen elektronischen Geräten.
Es existieren heute verschiedene Ansätze zur Lösung des Überspannungsproblems. Der Grundgedanke dahinter ist stets das Vorsehen einer Sollentladestrecke an einer von den inneren Bauteilen entfernten Stelle. Die Spannungsfestigkeit dieser Sollentladestrecke ist niedriger als die der zu schützenden Bauteile. Überschreitet die von außen aufgebrachte Überspannung einen Grenzwert, wird die Sollentladestelle elektrisch leitend. Durch einen Entladevorgang wird dann die Überspannung gegen ein Bezugspotential, normalerweise Masse, abgeleitet. Als Sollentladestrecken werden entweder elektrische Bauteile bzw. ganze Schutzschaltungen angebracht, die z.B. Zener-Dioden oder Varistoren enthalten, oder es werden sogenannte Funkenstrecken vorgesehen. Unter einer Funkenstrecke versteht man zwei durch eine isolierende Schicht getrennte leitende Bereiche. Diese kapazitive Anordnung ist durch ihre sogenannte Durchbruchsspannung gekennzeichnet. Überschreitet die Überspannung den Wert der Durchbruchsspannung entlädt sie sich schlagartig in Form eines Funkens. Ist eine Seite der Funkenstrecke mit einem Bezugspotential verbunden, kann der Entladestrom dahin abgeleitet werden.

Aus DE 19601650 A1 ist eine Anordnung zum Schutz elektronischer Bauteile vor elektrostatischer Entladung bekannt, bei der die die Bauteile tragende Leiterplatine über eine Isolationsschicht mit einer Metallplatte stoffschlüssig verbunden ist. Die Funkenstrecke wird dadurch ausgebildet, dass in der Isolationsschicht eine Öffnung vorgesehen ist, und zwar so dass eine Leiterbahn der Leiterplatine, die Metallplatte und die dazwischenbefindliche Luft die kapazitive Anordnung darstellen. Diese Öffnung ist sinnvollerweise zwischen dem Verbindungselement zur Außenwelt, in diesem Fall einem Stecker, und dem zu schützenden Bauteil angeordnet. Nachteilig an dieser Anordnung ist die auf einer Seite der Leiterplatine anzubringende Metallplatte, die nicht nur zusätzlichen Bauraum erfordert und das Gewicht der Anordnung erhöht, sondern auch das beidseitige Bestücken der Leiterplatine verhindert. Einseitig bestückte Leiterplatinen benötigen deutlich mehr Platz als beidseitig bestückte, da zum einen alle Bauteile nebeneinander angeordnet werden müssen und zum anderen mehr Leiterbahnen zur Verbindung der Bauteile benötigt werden und weniger Durchkontaktierungsstellen genutzt werden können. Das Aufbringen der Isolationsschicht und der Metallplatte erhöht außerdem den Herstellungsaufwand und damit die Kosten.

In DE10041290 A1 wird eine extern am Gehäuse eines elektronischen Gerätes anzubringende Schutzplatine als Überspannungsschutzeinrichtung beschrieben. An dem Gehäuse ist ein Steckerelement vorgesehen, welches eine elektrische Schaltung im Inneren des Gehäuses mit der Außenwelt verbindet, und an diesem Steckerelement wird die Schutzplatine angebracht. Auf der Schutzplatine sind verschiedene Funkenstrecken ausgebildet, die eine über den Stecker aufgebrachte Überspannung ableiten, noch bevor diese auf das Gehäuseinnere übergeht. Der Nachteil an dieser Ausführungsform eines Überspannungsschutzes ist die zusätzlich anzufertigende und anzubringende Schutzplatine, welche einen erhöhten Herstellungsaufwand bedeutet.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung zum Schutz vor Überspannungen zu finden, die an elektrischen Verbindungselementen zwischen elektronischer Schaltung und Außenwelt angebracht wird, wenig Aufwand beim Schaltungsentwurf und der Herstellung des elektronischen Gerätes erfordert, keine zusätzlichen Bauelemente benötigt und sowohl für ein- als auch beidseitig bestückte Leiterplatinen verwendbar ist. Die Überspannung soll gegen ein Bezugspotential abgeleitet werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass mindestens an einem Anschlusspin des Verbindungselementes die Kontaktierungsstelle mit der Leiterplatine als leitende, ringförmige, mit mehreren Ausformungen versehene Struktur ausgebildet ist, wobei die Ausformungen mit der mit dem Bezugspotential verbundenen Struktur bei Auftreten der Überspannung eine Funkenstrecke bilden.

Als Kontaktierungsstelle wird dabei die Stelle verstanden, an der der Anschlusspin des Verbindungselementes mit einer Leiterbahn der Leiterplatine elektrisch leitend verbunden wird. Um diese Kontaktierungsstelle herum wird ein elektrisch leitender Ring vorgesehen, an welchem sich elektrisch leitende Ausformungen befinden, die bevorzugt als Spitzen ausgeführt werden. Diese Spitzen stehen einer elektrisch leitenden Struktur gegenüber, welche als Fläche oder ebenfalls als Spitze ausgeführt sein kann, und mit dem Bezugspotential verbunden ist. Normalerweise wird dieses Bezugspotential das Massepoten tial sein. Zwischen den beiden elektrisch leitenden Strukturen befindet sich eine isolierende Schicht. Bevorzugt wird diese isolierende Schicht durch das Lötstoppmaterial auf der Leiterplatine gebildet. Auf diese Weise entsteht eine Funkenstrecke, über die eine Überspannung, die von außen auf das Verbindungselement aufgebracht wurde, direkt an dessen Anschlusspin abgeleitet werden kann. Die Überspannung gelangt gar nicht erst zu den anderen Bauteilen auf der Leiterplatine.

Aufgrund des Vorhandenseins mehrer Ausformungen und deren Verbindung über einen Ring tritt ein zusätzlicher Effekt auf, der die Lebensdauer der geschützten Schaltung erhöht. So kann es passieren, dass aufgrund von Abbrandeffekten eine der Ausformungen verkleinert und damit ihr Abstand zu der mit Masse verbundenen Struktur vergößert wird. Dadurch steigt die Durchbruchsspannung dieser Funkenstrecke. Wäre nur diese eine Funkenstrecke in der Nähe eines zu schützenden Bauteils vorhanden, so könnte sich bei zu großer Durchbruchsspannung die Überspannung doch irgendwann über das Bauteil entladen und dieses beschädigen oder zerstören. Der Überspannungsschutz wäre also nur eine begrenzte Zeit wirksam. Durch den Ring ist nun eine Art Übergabeeffekt möglich, d.h. im Fall einer durch Abbrand verkleinerten Ausformung kann die Überspannung problemlos über die benachbarte Ausformung zur Masse abgeleitet werden.

Die Form der Kontaktierungsstelle kann vorteilhafterweise bereits beim Schaltungslayout berücksichtigt werden. Eine sogenannte Layoutzelle mit der entsprechenden Form wird in der Bibliothek des Layoutwerkzeugs vorgesehen und kann dann problemlos an einem oder mehreren der Anschlusspins der Verbindungselemente platziert werden. Da es sehr unterschiedliche Ausführungen von z.B. Steckerelementen gibt, können auch bereits vorgefertigte Gruppierungen der Layoutzelle bereit gestellt werden, um diese je nach Verbindungselement beim Schaltungsentwurf zu verwenden. Beim Herstellen der Leiterplatine werden dann die ringförmigen Strukturen um die Kontaktie rungsstellen automatisch in demselben leitenden Material ausgeführt wie die Leiterbahnen sowie die mit Masse verbundenen Strukturen. In heutigen Platinen ist das üblicherweise Kupfer.

Der zusätzlich um die Kontaktierungsstellen vorzusehende Platinenplatz fällt nur gering aus bzw. wird aufgrund der Baugröße der Verbindungselemente und des dadurch zwangsläufig vorhandenen Abstandes zwischen den einzelnen Anschlusspins gar nicht benötigt. Zusätzliche Bauelemente oder gar extern anzubringende Zusatzbeschaltungen entfallen ebenfalls. Die ringförmige Struktur um die Kontaktierungsstellen kann auf jeder Seite der Leiterplatine und bei Multilayer-Platinen sogar in den Zwischenschichten vorgesehen werden. Erfindungsgemäß ist es außerdem vorgesehen, die ringförmige Struktur an Durchkontaktierungsstellen einzusetzen und dort entweder einseitig oder auf Ober- und Unterseite der Leiterplatine. Ein Bestücken der Leiterplatinen kann in jedem Fall sowohl ein- als auch zweiseitig erfolgen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Ausführungsform einer Durchkontaktierungsstelle.
2 einen Schnitt durch die Durchkontaktierungsstelle aus 2.
3 eine Durchkontaktierungsstelle mit einem Steckerelement.
In 1 ist ein Ausschnitt aus einer Leiterplatine 1 in der Aufsicht dargestellt, wobei die Leiterplatine eine Bohrung 2 aufweist, die als Durchkontaktierungsstelle ausgeführt ist. Die Bohrung 2 ist von einer ringförmigen Struktur 3 aus Kupfer umgeben, an der acht Spitzen 4 vorgesehen sind. Die Spitzen 4 sind von einer Schicht aus Lötstopplack 5 umgeben, an die sich eine Struktur 6 aus Kupfer anschließt, welche mit dem Massepotential 7 verbunden ist. Die Anzahl der Spitzen ist nur beispielhaft gewählt worden. Im allgemeinen gilt, dass sich mit steigender Anzahl der Spitzen auch die Lebensdauer der Schutzanordnung und damit die Lebensdauer der geschützten Schaltung erhöht.
Ein Schnitt entlang der Schnittlinie S ist in 2 zu sehen. Da die Schnittlinie entlang zweier Spitzen 4 führt, geht in 2 die ringförmige Struktur 3 direkt in die Spitzen 4 über. Die aus Kupfer bestehenen Strukturen 3, 4 und 6 sind auf dem Substrat der Leiterplatine 1 aufgetragen und ihr Zwischenraum ist vollständig mit Lötstopplack aufgefüllt, um zu verhindern, dass bei einer späteren Bestückung der Leiterplatine die sehr nah gegenüberliegenden Strukturen 4 und 6 durch unerwünschte Lötbrücken kurzgeschlossen werden.
In 3 ist ein Verbindungselement 8 zu sehen, hier dargestellt als Steckergehäuse, welches über den Anschlusspin 9 mit der Leiterplatine 1 verbunden wird. Dabei wird in dieser Darstellung die Bohrung 2 als Kontaktierungsstelle 10 zwischen Leiterplatine und Anschlusspin 8 angesehen. Das Verbindungselement 8, also hier der Stecker, kann über mehr als den einen sichtbaren Anschlusspin 9 mit der Leiterplatine 1 verbunden sein und es können mehr als nur die eine Kontaktierungsstelle 10 von der ringförmigen Struktur 3 mit den Spitzen 4, dem Lötstopplack 5 und der mit der Masse 7 verbundenen Struktur 6 umgeben sein.

Claims

Schaltungsanordnung mit mehreren elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen auf einer Leiterplatine (1), die mindestens eine mit einem Bezugspotential verbundene leitende Struktur (6) enthält, mit mindestens einem elektrischen Verbindungselement (8) und mit Mitteln zum Schutz der Bauteile vor elektrischer Entladung aufgrund von Überspannung, wobei an dem Verbindungselement (8) mindestens ein Anschlusspin (9) vorgesehen ist, der an einer Kontaktierungsstelle (10) mit der Leiterplatine (1) elektrisch leitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens an dem einen Anschlusspin (9) des Verbindungselementes (8) die Kontaktierungsstelle (10) mit der Leiterplatine (1) als leitende, ringförmige, mit mehreren Ausformungen (4) versehene Struktur (3) ausgebildet ist, wobei die Ausformungen (4) mit der mit dem Bezugspotential verbundenen Struktur (6) bei Auftreten der Überspannung eine Funkenstrecke bilden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (8) ein Steckerelement ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformungen (4) als Spitzen ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bezugspotential (7) durch ein Massepotential gebildet wird.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsstelle (10) des Verbindungselementes (8) als Durchkontaktierungsstelle ausgebildet ist und die ringförmige Struktur (3, 4) an der Durchkontaktierungsstelle auf einer Seite der Leiterplatine (1) oder beidseitig auf der Ober- und der Unterseite angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Leiterplatine (1) Durchkontaktierungsstellen zur Verbindung von leitenden Schichten auf einer Oberseite der Leiterplatine mit leitenden Schichten auf einer Unterseite vorgesehen sind und die ringförmige Struktur an der Durchkontaktierungsstelle auf einer Seite der Leiterplatine (1) oder beidseitig auf der Ober- und der Unterseite angeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatine (1) als eine Multilayer-Platine mit mindestens einer innenliegenden, leitenden Schicht ausgebildet ist und die mit dem Bezugspotential verbundene Struktur (6) und die ringförmige Struktur (3, 4) in der mindestens einen leitenden Schicht angeordnet sind.