DE10358911B3

DE10358911B3 - Flexibler Flachleiter mit integriertem Ausgangsfilter

Info

Publication number: DE10358911B3
Application number: DE10358911A
Authority: DE
Inventors: Michael Bothe; Stefan Mörbe
Original assignee: Friwo Mobile Power GmbH
Current assignee: Power Systems Technologies GmbH
Priority date: 2003-12-16
Filing date: 2003-12-16
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2023-12-17
Also published as: US20050139379A1; EP1544867A3; EP1544867A2; JP2005197244A; JP4184336B2; US7173190B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen flexiblen Flachleiter mit mindestens zwei elektrisch leitenden Schichten, die von einer elektrisch isolierenden Umhüllung wenigstens teilweise umgeben sind, wobei die elektrisch leitenden Schichten durch mindestens eine zwischen ihnen angeordnete dielektrische Schicht voneinander isoliert sind. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Netzteil, das einen derartigen flexiblen Flachleiter aufweist. Um einen verbesserten flexiblen Flachleiter sowie ein Netzgerät mit einem derartigen Flachleiter anzugeben, bei dem die Filterung verbessert werden kann, der Platzbedarf reduziert werden kann und gleichzeitig die Herstellungskosten gesenkt werden können, ist mindestens eine erste der elektrisch leitenden Schichten in mindestens einem Teilbereich durch Aussparungen so strukturiert, dass eine Vielzahl von Mäanderelementen gebildet ist, wobei die Mäanderelemente in einer durch den Flachleiter definierten Ebene seriell aneinander gereiht sind, um eine Filterstruktur auszubilden.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen flexiblen Flachleiter mit mindestens zwei elektrisch leitenden Schichten, die von einer elektrisch isolierenden Umhüllung wenigstens teilweise umgeben sind, wobei die elektrisch leitenden Schichten durch mindestens eine zwischen ihnen angeordnete dielektrische Schicht voneinander isoliert sind.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Netzteil, das einen derartigen flexiblen Flachleiter aufweist.

Stromversorgungen und Ladegeräte im Kleinleistungsbereich sind heute aufgrund von Anforderungen an den weiten Eingangsspannungsbereich und geringeren Verlusten als ein Schaltnetzteil aufgebaut. Weit verbreitet ist hierbei die Ausführungsform eines Steckernetzgerätes 1, bei dem eine elektronische Schaltung zur Leistungsumwandlung in einem unmittelbar an dem Netzstecker angebrachten Gehäuse angeordnet ist, wie dies in 1 gezeigt ist. Eine Vielzahl solcher Geräte wird zum Laden von portablen Geräten, wie z. B. Mobiltelefonen, PDAs, CD/DVD/MD/MP3-Abspielgeräten und dergleichen eingesetzt. Dabei spielt für die Portabilität vor allem die Größe des Ladegeräts, sein Gewicht sowie die Einfachheit des Transports eine wichtige Rolle. Die Verbindung zum Verbraucher (in der Figur nicht dargestellt) erfolgt dabei meist über einen Ausgangsstecker 2 und eine zweipolige Ausgangsleitung 3, die als Rundleitung oder Zwillingsleitung ausgeführt ist, wie dies in 1 gezeigt ist.

Weiterhin ist es bekannt, in derartigen Netzgeräten Flachkabel, die mit einer Aufwickelvorrichtung versehen sind, einzusetzen. Ein Beispiel für eine derartige Anordnung ist beispielsweise in der JP 2001/128350 und der WO 01/21521 A1 gezeigt. Derartige Anordnungen ermöglichen eine besonders platzsparende und geordnete Aufbewahrung des Kabels während des Transports.

Zur Leistungsumwandlung dient heute meist ein Sperrwandler, der aufgrund der geringen Schaltungskomplexität in diesem Leistungsbereich bevorzugt wird. Wenn die Energieübertragung mittels einer Primärregelung erfolgt, wie dies in der DE 100 18 229 A1 gezeigt ist, befindet sich auf der Sekundärseite lediglich eine Diode zur Gleichrichtung sowie ein LC-Filter zur Siebung der Ausgangsspannung. Ein Schaltbild einer solchen bekannten ausgangsseitigen Beschaltung ist in 2 dargestellt. Während für den in 2 gezeigten Kondensator C2 meist ein keramischer Kondensator zum Einsatz kommt, wird aufgrund der Anforderungen an einen niedrigen Ersatzserienwiderstand bei minimalen Kosten für den Kondensator C1 üblicherweise ein Elektrolytkondensator gewählt. Die in 2 gezeigten Komponenten haben typischerweise die folgenden Kennwerte:
C1: 22 μF ... 470 μF
L: 1 μH ... 100 μH
C2: 10 pF ... 10 μF

Wie weiterhin in 3 gezeigt, wird zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen meist eine stromkompensierte Drossel L3' mit abschließendem Filterkondensator C3 nachgeschaltet. Die in den 2 und 3 gezeigten Filteranordnungen benötigen jedoch als herkömmliche diskrete Komponenten im Steckemetzgerät erheblichen Platz und stehen daher einer weiteren Miniaturisierung des Netzgeräts entgegen. Darüber hinaus können sich über die Ausgangsleitung auch hochfrequente Störungen einkoppeln, die im Verbraucher üblicherweise ein zusätzliches Eingangsfilter erforderlich machen und daher Größe, Gewicht und Kosten des Verbrauchers erhöhen.

Schließlich ist bekannt, um Filterstrukturen möglichst einfach kostengünstig und platzsparend zu realisieren, diese in einer integrierten Bauweise mit einem flexiblen Flachleiter herzustellen. Aus der japanischen Offenlegungsschrift JP 06-139831 A ist ein flexibles Flachkabel mit darin integrierten elektronischen Bauteilen bekannt. Dabei werden verschiedene leitfähige Strukturen, die von einer elektrischen Isolation umgeben sind, durch eine weitere dielektrische Schicht voneinander isoliert, so dass eine Kapazität gebildet wird. Mittels einer mäanderförmigen Strukturierung der Leiterebenen kann nach einem anschließenden Faltprozess, bei dem die einzelnen Mäander in der dritten Dimension leporelloförmig übereinandergelegt werden, eine Induktivität realisiert werden. Die Kombination von Kapazität und Induktivität liefert hier ein integriertes Filter.

Nachteilig ist jedoch bei dieser Lösung, dass, um die für eine Filterstruktur erforderlichen Induktivitäten auszubilden, der flexible Flachleiter auf eine definierte Art und Weise mehrfach gefaltet werden muss, was neben einem erhöhten Aufwand bei der Produktion außerdem einen erhöhten Platzbedarf bedingt. Darüber hinaus bedingt die erforderliche Faltung des flexiblen Flachleiters gemäß der JP 06-139831 A, dass nur bestimmte Bereiche des flexiblen Flachleiters für die integrierte Filterstruktur genützt werden können, weite Strecken des Kabels jedoch ungenutzt bleiben müssen.

Die DE 36 32 281 A1 offenbart eine Installationsleitung, deren Leiterbahnen auf eine sie trennende Trägerfolie aufgebracht sind, wobei die Leiterbahnen mäanderförmig ausgestaltet und paarweise gegeneinander versetzt auf der Trägerfolie angeordnet sind. Die sich überdeckenden Leiterbahnflächen befinden sich an den Überkreuzungspunkten der beiden Leiterbahnen und werden so gering wie möglich dimensioniert, um parasitäre Kapazitäten zu reduzieren.

Aus der Druckschrift DE 91 04 160 U1 ist ein Widerstandselement für elektrische Widerstandsgeräte (beispielsweise Bremswiderstände oder dergleichen) bekannt, bei dem eine mäanderförmige Ausgestaltung durch Einfügen von Schlitzen in die Widerstandsbleche realisiert wird.

Aus der DE 100 01 942 A1 ist ein Mehrschichtleiter bekannt, der in einem Folienleiter integriert ist. Dabei ist der Mehrschichtleiter an dem freien Ende eines dreiadrigen Folienleiters als Teil des Folienleiters angeordnet und somit in einem Endabschnitt des Folienleiters integriert.

Die DE 101 57 678 C2 offenbart ein hochfrequenzfestes Folienkabel für Datenleitungen, bei dem die Leiterbahnen durch Leiterbahnsegmente gebildet werden, die in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind. Jede der Leiterbahnen wechselt zwischen Überkreuzungen die Ebene, so dass sich eine Verdrillung der beiden Leiterbahnen ergibt.

Die DE 29 52 441 C2 offenbart verschiedene Möglichkeiten, laminierte, chipförmige Induktivitäten herzustellen, bei denen die Spulenwindungen durch übereinanderliegende Metallisierungsschichten, die durch Isolationsschichten voneinander getrennt sind, gebildet sind.

Aus der DE 44 46 533 C1 schließlich ist ein Verfahren zur Herstellung von keramischen Verbundkörpern bekannt, bei dem eine keramische Substratfolie dadurch erzeugt wird, dass sie auf einer Kunststoffträgerfolie in Form einer Vorstufe aufgebracht und anschließend gesintert wird.

Es besteht daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen verbesserten flexiblen Flachleiter sowie ein Netzgerät mit einem derartigen Flachleiter anzugeben, bei dem die Filterung verbessert werden kann, der Platzbedarf reduziert werden kann und gleichzeitig die Herstellungskosten gesenkt werden können.

Diese Aufgabe wird durch einen flexiblen Flachleiter mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Netzteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand mehrerer Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf der Erkenntnis, dass eine besonders einfache und platzsparende Realisierung einer Filterstruktur durch eine integrierte Anordnung erreicht werden kann, bei der mindestens eine der elektrisch leitenden Schichten des flexiblen Flachleiters durch Aussparungen so strukturiert ist, dass eine Vielzahl von Mäanderelementen gebildet ist, und bei der die Mäanderelemente in einer durch den Flachleiter definierten Ebene seriell aneinandergereiht sind, um die Filterstruktur auszubilden. Kostenintensive Prozessschritte, wie beispielsweise das Falten des Flachleiters, entfallen bei dieser Lösung. Weiterhin ist die Flexibilität bei der Gestaltung beispielsweise eines Ausgangsfilters in einem Netzgerät wesentlich erhöht, weil die gesamte Länge der Leitung für das Filter genutzt werden kann. Die Biegsamkeit des Kabels bleibt auf der gesamten Länge erhalten, und es kann beispielsweise eine Aufwickelvorrichtung ohne Probleme eingesetzt werden. Hierfür wird vorzugsweise ein flexibles keramisches Dielektrikum zwischen den elektrisch leitenden Schichten eingebettet.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung nehmen die Aussparungen weniger als 50 % der Fläche eines jeden Mäanderelements ein. Dadurch kann eine ausreichend hohe Induktivität bei gleichzeitig nur unwesentlich erhöhtem Gleichstromwiderstand erreicht werden. Auch die erforderliche Kapazität kann ohne Probleme hergestellt werden.

Insbesondere, wenn die Aussparungen durch Schlitze gebildet sind, die sich über etwa 50 % der Breite der ersten leitenden Schicht quer zur Längsachse des Flachleiters erstreckt und selbst eine Breite von weniger 10 % ihrer Länge haben, bleibt die Zunahme des Gleichstromwiderstandes in Größenordnungen von weniger als 1,5 %.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung, ist die dielektrische Schicht durch mindestens eine Aussparung in einzelne Teilbereiche untergliedert. Dadurch können in vorteilhafter Weise verschiedene seriell oder parallel geschaltete Kapazitäten realisiert werden.

So können beispielsweise über eine entsprechende Schaltung der Mäanderstrukturen in der ersten elektrisch leitenden Schicht die Π-Filter ausgebildet werden, wie sie beispielsweise gemäß der 2 benötigt werden.

Komplexere Filterstrukturen können weiterhin dadurch realisiert werden, dass Aussparungen sowohl quer zur Richtung der Längsachse des flexiblen Flachleiters wie auch in Richtung der Längsachse in der dielektrischen Schicht vorgesehen werden. Damit können auf äußerst kostengünstige Weise eine Vielzahl von benötigten Filterstrukturen realisiert werden.

Strukturiert man eine weitere der elektrisch leitenden Schichten ebenfalls durch Ausbilden von Mäanderstrukturen, so können Gegen- und Gleichtaktfilter realisiert werden. Dies lässt sich in sehr einfacher Weise dadurch erreichen, dass die Mäanderstrukturen entweder gleichsinnig angeordnet sind (wodurch ein Gegentaktfilter realisiert werden kann) oder aber gegensinnig angeordnet sind, wodurch ein Gleichtaktfilter entsteht.

Die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen flexiblen Flachleiters kommen besonders dann zum Tragen, wenn er in einem Netzteil mit einer primärseitigen Steckverbindung und einer sekundärseitigen Steckverbindung zwischen der sekundärseitigen Steckverbindung und dem eigentlichen Netzteil als Ausgangsleitung eingesetzt wird. Ein derartiges Netzteil bietet einerseits den Vorteil, dass der Platzbedarf für die Filterstrukturen im Steckernetzgerät drastisch reduziert werden kann, und dass andererseits auch die Systemkosten im Verbraucher, also dem mobilen Endgerät, gesenkt werden können, weil ein Eingangsfilter vermieden werden kann. Weiterhin kann in sehr platzsparender und kostengünstiger Art und Weise die Funktionalität des Ausgangsfilters an die Bedürfnisse des Netzteils angepasst werden.

Das erfindungsgemäße Netzteil kann außerdem mit einer Aufwickelvorrichtung ausgestattet werden, um den flexiblen Flachleiter beispielsweise für den Transport oder zum Verkürzen des Ausgangskabels zumindest teilweise aufzurollen.

Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten vorteilhaften Ausgestaltungen wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende Einzelheiten des erfindungsgemäßen Gegenstandes sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Steckemetzteils nach dem Stand der Technik;
2 ein Schaltbild einer sekundärseitigen Filteranordnung;
3 eine weitere sekundärseitige Filterstruktur;
4 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen flexiblen Flachleiter;
5 eine schematische Darstellung des flexiblen Flachleiters aus 4 in der Draufsicht;
6 eine Draufsicht auf den erfindungsgemäßen flexiblen Flachleiter gemäß einer ersten Ausführungsform;
7 eine schematische Darstellung einer einzelnen Mäanderstruktur aus 6;
8 eine schematische Darstellung eines flexiblen Flachleiters gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform;
9 eine schematische Darstellung eines flexiblen Flachleiters gemäß einer dritten vorteilhaften Ausführungsform;
10 eine schematische Darstellung eines flexiblen Flachleiters gemäß einer vierten vorteilhaften Ausführungsform;
11 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Anordnung nach 10;
12 eine generische Stufe des Ersatzschaltbilds nach 11;
13 eine Übertragungsfunktion für ein Filter mit 10, 20 oder 30 Stufen aus 12;
14 ein elektrisches Ersatzschaltbild der Anordnung aus 5;
15 ein elektrisches Ersatzschaltbild eines RCLC-Filters;
16 die Übertragungsfunktionen der Filterstrukturen aus den 14 und 15;
17 verschiedene Übertragungsfunktionen der Struktur aus 15;
18 einen flexiblen Flachleiter gemäß einer weiteren Ausführungsform;
19 das elektrische Ersatzschaltbild der Struktur aus 18;
20 eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen flexiblen Flachleiters;
21 das Ersatzschaltbild der Anordnung aus 20;
22 die perspektivische Darstellung eines Netzteils mit einem erfindungsgemäßen flexiblen Flachleiter.
4 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen flexiblen Flachleiter 100. Der flexible Flachleiter 100 weist zwei elektrisch leitende Schichten 102 und 104 auf, die von einer elektrisch isolierenden Umhüllung 106 umgeben sind. Erfindungsgemäß sind, um die Funktion eines Filters in den flexiblen Flachleiter 100 zu integrieren, die beiden elektrisch leitenden Schichten 102, 104, die beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium bestehen können, durch ein Dielektrikum 108 voneinander getrennt. Dabei entsteht zunächst ohne weitere Strukturierungen der metallischen Schichten 102 und 104 eine Kapazität zwischen den Leitern, die sich nach der folgenden Gleichung [1] berechnet. C = ε0 εr A/d [1]
Als Dielektrikum wird vorzugsweise ein flexibles keramisches Dielektrikum mit einer Dielektrizitätskonstanten von ε_r = 100 bis 5000 zwischen die beiden Lagen der metallischen Leiter 102, 104 eingebettet und mit zwei äußeren Isolationsfolien 106 zusammenlaminiert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann eine erfindungsgemäße Ausgangsleitung zwei Meter Gesamtlänge und einen Querschnitt von 2 × 0,25 mm² aufweisen. Die geometrischen und elektrischen Parameter können beispielsweise die folgenden Werte annehmen: Breite der Kupferfolie 7 mm, Dicke der Kupferfolie 35 μm, Dicke der dielektrischen Schicht 5 μm, relative Dielektrizitätskonstante ε_r = 1000 und Dicke der Isolationsfolie 25 μm.
Um eine gleichmäßige Laminierung der äußeren Isolationslagen 106 zu erreichen, ergibt sich als resultierende Gesamtbreite der Leitung 100 ein Wert von 7,5 mm bei einer Dicke von nur 0,125 mm. Diese Abmessungen eignen sich besonders für eine platzsparende Aufwicklung bei Einsatz des flexiblen Flachleiters 100 in einem Netzteil, wie es in 22 dargestellt ist. Der Platzbedarf gegenüber einer herkömmlichen Rundleitung (wie beispielsweise in 1 gezeigt) ist um 22 % verringert.
Mit den oben genannten Beispielwerten der Parameter ergibt sich eine resultierende Gesamtkapazität zwischen den beiden Leitern 102 und 104 von ca. 25 μF. Bei Schaltnetzteilen mit einer Schaltfrequenz von beispielsweise 100 kHz reicht dieser Wert aus, um eine ausreichende Siebung der Ausgangsspannung zu erhalten. Weiterhin verfügt das keramische Dielektrikum 108 über bessere Hochfrequenzeigenschaften, insbesondere über einen geringeren Serienersatzwiderstand (Low Equivalent Series Resistance, ESR) als ein vergleichbarer Elektrolytkondensator, so dass trotz der vergleichsweise geringen Kapazität ein ausreichend niedriger Spannungs-Ripple am Ende der Leitung erreicht wird. Zudem ergibt sich durch die flächige Verteilung der Kapazität über die gesamte Oberfläche der Leitung in Verbindung mit dem sehr guten Wärmeübergang durch die Kupferelektroden eine geringe Eigenerwärmung des flexiblen Flachleiters 100 auch bei hohen Strömen durch das Dielektrikum.
Erfindungsgemäß wird die erste der beiden elektrisch leitenden Schichten 102 so strukturiert, dass eine Mäanderstruktur ausgebildet wird, wie sie in 6 dargestellt ist. Ge mäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bleibt die gegenüberliegende Kupferfolie 104 unstrukturiert. Dadurch wird eine zu dem Kondensator parallel liegende Induktivität, deren Wert sich näherungsweise aus der Formel für eine flache quadratische Spule mit einer Windung berechnen lässt, ausgebildet.
Erfindungsgemäß werden dabei einzelne Mäanderelemente 110 in der Ebene des flexiblen Flachleiters seriell aneinandergereiht, um die erforderliche Induktivität herzustellen.
Bei der in 6 dargestellten Mäanderstruktur, die aus einer seriellen Aneinanderreihung von Mäanderelementen 110 besteht, die jeweils durch flächenmäßig relativ kleine Aussparungen 109, 111 gebildet sind, kann die für ein integriertes Filter benötigte Induktivität auf elegante Weise nur innerhalb der Ebene des flexiblen Flachleiters hergestellt werden, ohne beispielsweise eine Faltung, wie in der JP 06-139831 gezeigt, zu benötigen. Auf diese Weise kann, falls erforderlich, die gesamte Länge des flexiblen Flachleiters für die entsprechende Induktivität mit Mäanderelementen 110 versehen werden. Dies ist allerdings nicht zwingend erforderlich, sondern hängt von den jeweils benötigten Parametern ab.
Mit Bezug auf 7 soll nunmehr näherungsweise die erreichte Induktivität berechnet werden. Dabei wird von der Annahme ausgegangen, dass sich die Induktivität des in 7 dargestellten einzelnen Mäanderelementes 110 durch die Grundgeometrie einer flachen quadratischen Spule mit nur einer Windung, die einen Windungsdurchmesser a und eine Leiterbahnbreite w aufweist. Die Induktivität L eines solchen Mäanderelements 110 lässt sich dann nach der folgenden Gleichung [2] berechnen zu:
Das einzelne Mäanderelement 110 der 7 zeichnet sich dadurch aus, dass es durch einen vergleichsweise kleinen Schlitz 109 in dem elektrisch leitenden Material der Leiterbahn 102 gebildet ist. Zwischen den einzelnen Mäanderelementen 110 sind Schlitze 111, die in der gezeigten Ausführungsform dieselben Abmessungen aufweisen wie die Schlitze 109, angeordnet. So kann beispielsweise der Schlitz eine Länge von etwa 3,5 mm und eine Breite von nur 0,2 mm aufweisen. Bei einer Kantenlänge a von 7 mm beträgt somit die übrig bleibende Leiterbahnbreite w 3,4 mm. Setzt man diese beiden Werte in die Gleichung [2] ein, so hat ein einzelnes Mäanderelement 110 mit den genannten Abmessungen eine Induktivität von etwa 9 nH. Die Dicke t der Metallisierung wurde für diese Berechnung zu 35 μm angenommen.
Eine Aneinanderreihung von Mäanderelementen 110 auf die gesamte Länge des flexiblen Flachleiters von zwei Metern würde damit zu einer Induktivität von 2,5 μH führen. Dabei erhöht sich aufgrund der speziellen Geometrie der Mäanderelemente der Gleichstromwiderstand mit ca. 1,4 % nur unwesentlich.
8 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Unterbricht man nämlich das Dielektrikum 108 durch einen quer zur Längsachse des flexiblen Flachleiters angeordneten Schlitz 112, ergeben sich zwei Teilbereiche A1 und A2 (zur besseren Übersichtlichkeit ist die strukturierte Schicht 102 abgehoben dargestellt). Als äquivalente Schaltung der Struktur in 8 ergibt sicht das Π-Filter der 2: Durch Verschiebung des Schlitzes 112 entlang der Längsabmessung des flexiblen Flachleiters 100 bei einer konstanten Induktivität kann eine beliebige Aufteilung der Gesamtkapazität erreicht werden. Bei den oben genannten Dimensionen steht jeder Millimeter an Länge für eine Kapazität von ca. 10 nF. Aufgrund der Herstellungstoleranzen sollte die Minimaldimension einer der Dielektrikumsflächen A1, A2 aber nicht weniger als ca. 1 mm betragen.
Als Filterkondensator bei mobilen Telekommunikationsgeräten, wie Mobiltelefonen, ist am Leitungsende eine kleine Kapazität besonders erwünscht, um eine Einkopplung des Trägers im Megahertzfrequenzbereich zu verhindern. Dies lässt sich durch einen zusätzlichen in Richtung der Längsachse des flexiblen Flachleiters verlaufenden Schlitz 114 im Dielektrikum 108 erreichen. Diese weitere Ausführungsform ist schematisch in 9 dargestellt. Dabei ergeben sich zwei Einzelkondensatoren mit halber Kapazität, durch die Flächen A3 und A4 symbolisiert, die über die Rückseitenmetallisierung 104 in Reihe geschaltet sind. Somit ergibt sich eine resultierende Kapazität von ca. 2,5 nF. Ordnet man den Querschnitt 114 unsymmetrisch an, so dass beispielsweise die Fläche A3 gleich 1/6 A4 ausmacht, so ergibt sich aus Gleichung [3] als resultierende Kapazität:
Eine minimale Kapazität im Rahmen der heute üblichen Design-Rules ergibt sich, wenn man mehrere Querschlitze 114 so breit macht, dass nur noch drei Dielektrikumsflächen von 1 mm × 1 mm zurückbleiben. Damit ergibt sich in der Reihenschaltung eine Gesamtkapazität von ca. 100 pF.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht hierbei darin, dass sich diese Kapazität sehr nahe an dem Verbraucher befindet und dass damit Störfrequenzen, die sich über eine herkömmliche Leitung einkoppeln, weitaus effektiver unterdrückt werden. Damit kann gegebenenfalls im Verbraucher auf eine zusätzliche Filterung verzichtet werden, und der Verbraucher kann einfacher und kostengünstiger hergestellt werden.
Über die Wahl verschiedener Längs- und Querstreifen 112, 114 kann man im Rahmen der maximalen Kapazitäten und Induktivitäten liegende beliebiger Filterkombinationen erzeugen. Auch mehrstufige Filter sind damit möglich.
10 zeigt einen flexiblen Flachleiter 100, in den ein derartiges mehrstufiges Filter integriert ist. Das zugehörige elektrische Ersatzschaltbild ist in 11 dargestellt.
Zur Verdeutlichung der vielfältigen Möglichkeiten bei der Auslegung der Filtercharakteristik wird das Filter der 11 in entsprechende generische Stufen zerlegt. Pro Stufe wird eine Längsinduktivität von 9 nH mit einem Ohmschen Widerstand von ca. 100 mΩ und eine Querkapazität Ci von 85 nF angenommen. Die 12 zeigt schematisch die generische Stufe „i".
In 13 sind die Übertragungsfunktionen für flexible Flachleiter mit 10, 20 und 30 Stufen dargestellt. Dabei bezeichnet die Bezugsziffer 116 die Kurve für 10 aneinandergereihte generische Stufen nach 12, die Kurve 118 die Übertragungsfunktion für 20 Stufen und die Kurve 120 die Übertragungsfunktion für 30 Stufen. Wie aus 13 erkennbar, bleibt bei einer Erhöhung der Stufenzahl die Grenzfrequenz konstant, lediglich die Filtersteilheit wird größer. In einem Frequenzbereich von weniger als 100 kHz ist die Filterwirkung eher gering.
Wenn der flexible Flachleiter keine Mäanderstruktur in der elektrisch leitenden Schicht 102, 104 aufweist, das heißt, wenn die Induktivität vernachlässigbar ist, ist nur die Kapazität wirksam und es entsteht ein einfaches RC-Filter wie in 14 gezeigt. Die gesamte erreichbare Kapazität auf eine Länger von 2 m beträgt C1 = 25 μF.
Um die Hochfrequenzeigenschaften zu verbessern, kann an diese Anordnung ein weiterer LC-Kreis nachgeschaltet werden, indem der flexible Flachleiter nur in unmittelbarer Nähe des Verbrauchers strukturiert wird. Damit entsteht das in 15 als Ersatzschaltbild dargestellte RCLC-Filter. Die Übertragungsfunktionen der Filterstrukturen aus 14 und 15 sind in 16 in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt. Dabei bezeichnet die Kurve 122 die Übertragungsfunktion des einfachen RC-Filters aus 14 und die Kurve 124 die Übertragungsfunktion des RCLC-Filters gemäß 15. Wie man an der Kurve 124 erkennt, tritt beim RCLC-Filter eine Resonanz bei etwa 5,5 MHz auf. Dies ist die Resonanzfrequenz des LC-Kreises. Ab etwa 8 MHz wird die Dämpfung besser als beim einfachen RC-Filter. Durch eine Variation der Werte für das LC-Filter kann die Grenzfrequenz (und damit die Hochfrequenzdämpfungseigenschaften) beeinflusst werden.
17 stellt verschiedene Übertragungsfunktionen des Filters aus 15 bei einer Variation der Werte für die Kapazität C2 dar. Dabei wurde der Wert der Kapazität C2 im Bereich von 50 nF bis 200 nF in 50 nF-Schritten geändert. Die Grenzfrequenz sinkt bei steigendem Wert von C2. Auf analoge Weise kann dies durch eine Variation der Induktivität L1 erreicht werden. In der 17 bezeichnet die Kurve 126 die Übertragungsfunktion für C2 = 50 nF, die Kurve 128 die Übertragungsfunktion für C2 = 100 nF, die Kurve 130 entspricht C2 = 150 nF und die Kurve 132 einem Wert von C2 = 200 nF.
Eine weitere Erhöhung der Induktivität kann man erhalten, indem man beide Leiterflächen 102, 104 auf der Ober- und Unterseite des Dielektrikums 108 mäanderförmig strukturiert. Damit kann man bei völliger Ausnützung der Länge die Induktivität nochmals verdoppeln.
Man erhält auf der entsprechenden Länge ein Gegentaktfilter (auch als Differential Mode Filter bezeichnet), wie dies in 18 dargestellt ist, bei dem mit den oben genannten Parametern eine effektive Kapazität von bis zu 22 μF und eine effektive Induktivität von bis zu 7 μH erreicht werden können. Diese Auslegung ergibt sich, wenn man die beiden Leiterflächen deckungsgleich, das heißt mit gleichsinnig angeordneten Mäanderelementen 110 strukturiert.
Das der Anordnung aus 18 entsprechende Ersatzschaltbild ist in 19 dargestellt.
Orientiert man dagegen die beiden Leiterflächen 102, 104, wie in 20 dargestellt, spiegelverkehrt, so dass die Mäanderelemente 110 jeweils gegensinnig angeordnet sind, erhält man ein Gleichtaktfilter (Common Mode Filter), dessen Ersatzschaltbild in 21 dargestellt ist. Damit können gleichsinnige Störungen durch die gegensinnigen Felder der beiden Induktivitäten auf der Ober- und Unterseite ausgelöscht werden.
In besonders vorteilhafter Weise kann der erfindungsgemäße flexible Flachleiter für ein Netzgerät, wie in 22 dargestellt, eingesetzt werden. Dabei wird der flexible Flachleiter als Ausgangsleitung 203 eingesetzt, welche die Verbindung zwischen dem eigentlichen Netzteil 201 und einem Ausgangsstecker 202 herstellt. Der Ausgangsstecker 202 kann, wie in 22 angedeutet, mit einer Vielzahl verschiedener Verbraucher 205 (beispielsweise Mobiltelefonen, PDAs, CD/DVD/MD/MP3-Abspielgeräten und dergleichen) verbunden werden, um diese mit elektrischer Energie zu versorgen. Das Netzteil 201 weist in der gezeigten Ausführungsform eine Aufwickelvorrichtung 204 auf, die beispielsweise ähnlich wie in der japanischen Offenlegungsschrift JP 2001/128350 A gezeigt, aufgebaut sein kann. Die Abdeckung des Netzteils 201 ist in der 22 nur gestrichelt dargestellt, um die Übersichtlichkeit nicht zu gefährden.
Mit dem erfindungsgemäßen flexiblen Flachleiter als Ausgangsleitung 203 lassen sich innerhalb der vorgegebenen Geometrie dieser Ausgangsleitung die verschiedensten Filteranordnungen realisieren. Dabei ergibt sich für das Netzteil 201 neben den reduzierten Abmessungen der Leitungsanordnung vor allem eine Platz- und Kostenreduzierung in der Stromversorgung. Aber auch in einem hier nicht dargestellten mit dem Stecker 202 zu verbindenden Endgerät können Platz und Kosten reduziert werden, da auf ein separates Eingangsfilter verzichtet werden kann. Durch die planare Struktur des flexiblen Flachleiters gemäß der vorliegenden Erfindung ergeben sich geringe Toleranzabwei chungen bei hoher Reproduzierbarkeit und erleichterter Herstellbarkeit. Das heißt, die Filterstrukturen können mit einem hohen Reproduktionsgrad gebildet werden.
Schließlich erlaubt die erfindungsgemäße Lösung die Verwendung umweltverträglicher Materialien ohne zusätzliche Weichmacher.

Claims

Flexibler Flachleiter mit mindestens zwei elektrisch leitenden Schichten (102, 104), die von einer elektrisch isolierenden Umhüllung (106) wenigstens teilweise umgeben sind, wobei die elektrisch leitenden Schichten (102, 104) durch mindestens eine zwischen ihnen angeordnete dielektrische Schicht (108) voneinander elektrisch isoliert sind, so dass zwischen den beiden Schichten mindestens eine Kapazität ausgebildet ist, wobei mindestens eine erste (102) der elektrisch leitenden Schichten in mindestens einem Teilbereich durch Aussparungen (109, 111) so strukturiert ist, dass eine Vielzahl von Mäanderelementen (110) gebildet ist, wobei die Mäanderelemente (110) in einer durch den Flachleiter (100) definierten Ebene seriell aneinandergereiht sind, um eine Induktivität auszubilden, und die Aussparungen (109, 111) jeweils weniger als 50 % der Fläche eines jeden Mäanderelements (110) einnehmen, wobei zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss des Flachleiters durch die Kapazität und die durch die Mäanderelemente gebildete Induktivität eine Filterstruktur ausgebildet ist.
Flexibler Flachleiter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (109) durch Schlitze gebildet sind, die sich über etwa 50 % der Abmessung der strukturierten elektrisch leitenden Schicht (102) quer zur Längsachse des Flachleiters (100) erstrecken und eine Breite von weniger als etwa 10 % ihrer Länge haben.
Flexibler Flachleiter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (108) durch ein flexibles keramisches Dielektrikum gebildet ist.
Flexibler Flachleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht (108) durch mindestens eine Aussparung (112, 114) in einzelne Teilbereiche (A1, A2, A3) untergliedert ist.
Flexibler Flachleiter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Teilbereiche (A1, A2) der dielektrischen Schicht (108) so mit den elektrisch leitenden Schichten (102, 104) verbunden sind, dass ein Π-Filter ausgebildet ist.
Flexibler Flachleiter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Teilbereiche (A1, A2, A3) durch mindestens eine quer zur Richtung der Längsachse des flexiblen Flachleiters verlaufende Aussparung (112) und mindestens eine in Richtung der Längsachse des flexiblen Flachleiters verlaufende Aussparung (114) erzeugt sind.
Flexibler Flachleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und eine zweite elektrisch leitende Schicht (102, 104) so strukturiert sind, dass in mindestens einem Teilbereich des flexiblen Flachleiters (100) gleichsinnig angeordnete Mäanderelemente (110) ausgebildet sind, die zu einem Gegentaktfilter verschaltet sind.
Flexibler Flachleiter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und eine zweite elektrisch leitende Schicht (102, 104) so strukturiert sind, dass in mindestens einem Teilbereich des flexiblen Flachleiters (100) gegensinnig angeordnete Mäanderelemente (110) ausgebildet sind, die zu einem Gleichtaktfilter verschaltet sind.
Netzteil mit einer primärseitigen Steckverbindung (200) und einer sekundärseitigen Steckverbindung (202), dadurch gekennzeichnet, dass die sekundärseitige Steckverbindung (202) mit dem Netzteil (201) über einen flexiblen Flachleiter (203) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8 verbunden ist.
Netzteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der flexible Flachleiter (203) mittels einer Aufwickelvorrichtung (204) aufrollbar ist.