DE60302462T2

DE60302462T2 - Integrierte vorrichtung mit überstrom- und überspannungschutzschaltung und gleichtaktfilterung für die datenbusschnittstelle

Info

Publication number: DE60302462T2
Application number: DE60302462T
Authority: DE
Inventors: Adrian Mikolajczak; Dean Huumala
Original assignee: Tyco Electronics Corp
Current assignee: TE Connectivity Corp
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2003-06-16
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2023-06-17
Also published as: TW200409430A; WO2004001773A2; WO2004001773A3; US6937454B2; EP1516404A2; KR20050014884A; EP1516404B1; DE60302462D1; JP2005535110A; US20040042141A1; CN1666397A; CN100477438C

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft integrierte elektrische Schaltungskomponenten, die für eine Technologie der Oberflächenanbringung ausgelegt sind. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine integrierte Einrichtung mit einem Überspannungsschutz zu einer Versorgungsleitung sowie mit einem Überspannungsschutz und einer Gleichtaktfilterung zu Datenleitungen an einer Datenbusschnittstelle.
EINLEITUNG ZU DER ERFINDUNG
Mit dem Aufkommen der digitalen Signalverarbeitung und der digitalen Signalübertragung werden Hochgeschwindigkeits-Datenbusse benötigt, um Computer und Computerperipheriegeräte, wie Drucker, mit Consumer Electronics Produkten, wie Camcordern, VCRs, TVs, Set-Top-Boxen und digitalen Kameras, untereinander zu verbinden. Eine Standardbuskonvention ist als die IEEE 1394 Multimedia-Verbindung bekannt. Diese bestimmte Buskonvention verwendet zwei differenzielle Doppelader-Hochgeschwindigkeits-Datenkabel, die bei einer Datentransferrate von 400 MBits/s oder größer arbeiten. Für IEEE-1394-Bus-Abschlüsse an jeder Einrichtung ist es sehr üblich ein Gleichtakt-Filter (Common-Mode-Filter) zu erfordern, mit dem ein Common-Mode-Rauschen und eine Störung von jedem differenziellen Paar entfernt wird. Ein anderer Standard-Schnittstellenbus ist der mit Universal Serial Bus (USB). Die Struktur des USB Standardbusses verwendet einen einzelnen differenziellen Datenpfad mit einem verdrillten Paar zum Transferieren von Daten bei hoher Geschwindigkeit. Wie bei dem IEEE-1394-Standardbus können USB Abschlüsse an jeder verbundenen Einrichtung ein Common-Mode-Filter erfordern, mit dem Common-Mode-Rauschen und Störungen von dem einzelnen differenziellen Paar entfernt werden. Ein anderer ähnlicher Standard-Schnittstellenbus ist die über IEEE 802.3af getriebene Ethernet-Schnittstelle. Diese Schnittstelle überträgt sowohl Daten als auch DC Energie über differenzielle Datenpaare. Sie verwendet typischerweise Gleichtakt-Filter, einen Überstromschutz, und einen Überspannungsschutz.
Herkömmlicherweise kann ein Common-Mode-Filter als ein Breitband-Transformator implementiert werden, der aus zwei oder mehr Wicklungen auf einem Ferritkern gebildet ist. Für den IEEE 1394 Busabschluss ist das Common-Mode-Filter aus zwei Paaren von Wicklungen gebildet, die durch einen Ferritkern gewickelt sind, der zwei longitudinale Kanäle oder Öffnungen definiert, als Beispiel. Common-Mode-Filter von diesem Typ sind typischerweise als eine Komponente mit einem Kopfteil zur Verankerung des Kerns und einem Zuleitungsrahmen zum Bereitstellen von Verbindungen zu den Wicklungen implementiert worden. Diese Filterkomponente des Standes der Technik hatte typischerweise auch Lötanschlüsse oder Lötanschlussflecken, die eine Oberflächenanbringung und -verbindung mit einer gedruckten Schaltungsplatine der Consumer-Einrichtung oder dem Consumer-Gerät erlauben. Ein kommerziell erhältliches Beispiel einer allein stehenden Common-Mode-Filter-Drosselspule, die ein den Kern verankernden Kopfteil und einen Verbindungs-Zuleitungsrahmen für USB Anwendungen einschließt, ist die Modell C9513L Common-Mode-Drosselspule, die von CoEv, Inc., eine Einheit von Tyco Electronics Corporation, dem Anmelder dieses Patents, erhältlich ist. Diese bestimmte Komponente umfasst einen Ferritkern und stellt einen 6 dB Common-Mode-Abfall bei ungefähr 60 MHz bereit, während das differenzielle Datensignal bei der gleichen Frequenz weniger als 1 dB gedämpft wird.
Viele standardisierte Busstrukturen, einschließlich des IEEE 1394 seriellen Busses, des USB seriellen Busses, und des "getriebenen Ethernet" (z.B. IEEE 802.3af und ähnliche Technologien) stellen als Beispiele eine sich auf dem Kabel (on-cable) befindliche Energieleitung bereit, um Leistung zuzuführen, um Peripheriegeräte und Netzeinrichtungen und Schaltungen zu betreiben, beispielsweise Festplattenlaufwerke, Tastaturen, Mäuse, DVD Abspielgeräte und Computer und/oder um die physikalische Schicht einer Einrichtung am Laufen zu halten, während die primäre Energieversorgung für das bestimmte Gerät oder die bestimmte Einrichtung abgeschaltet ist, sodass das bestimmte Gerät oder die bestimmte Einrichtung weiter sich selbst identifizieren und ihren Status an andere Einrichtungen und Hosts auf dem Netz berichten kann, um z.B. Benutzerbeschwerden zu minimieren.
In der IEEE 1394 Busstruktur, wie bei vielen anderen mit Energie versorgten Busstrukturen, muss ein Überstromschutz bereitgestellt werden. Eine besonders zufriedenstellende Vorgehensweise zum Bereitstellen eines Überstromschutzes besteht darin, Widerstand mit einem polymerischen positiven Temperaturkoeffizienten (Polymeric Positive Temperature Coeffizient; PPTC) zu verwenden, beispielsweise einen PolySwitch^TM PPTC Widerstand, der von der Raychem Circuit Protection Division von Tyco Electronics Corporation, dem Anmelder der vorliegenden Erfindung, bereitgestellt wird. Die Verwendung von derartigen PPTC Einrichtungen innerhalb der IEEE 1394 Busstruktur wird in "Meeting IEEE 1394 Overcurrent Protection Requirements Using PolySwitch Devices", Autor Adrian Mikolajczak, Tyco Electronics Corporation, 1. Mai 2001 beschrieben.
Schaltungsschutzeinrichtungen mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (Positive Temperature Coefficient; PTC) sind altbekannt. Die Einrichtung wird in Reihe zu einer Last angeordnet und befindet sich bei normalen Betriebsbedingungen in einem Zustand mit niedriger Temperatur und niedrigem elektrischem Widerstand. Wenn jedoch der Strom durch die PTC Einrichtung stark ansteigt und/oder die Umgebungstemperatur um die PTC Einrichtung herum stark ansteigt, und wenn eine dieser Bedingungen über eine ausreichende Zeit beibehalten wird, dann wird die PTC Einrichtung "gekippt", d.h. auf einen Zustand mit hoher Temperatur und hohem elektrischen Widerstand umgewandelt, sodass der durch die Einrichtung fließende Strom stark verringert wird. Im Allgemeinen wird die PTC Einrichtung in dem gekippten Zustand bleiben, sogar dann, wenn der Strom und/oder die Temperatur auf normale Pegel zurückkehren, bis die PTC Einrichtung von der Energiequelle getrennt worden ist und ihr erlaubt wird sich abzukühlen. Besonders nützliche PTC Einrichtungen enthalten ein PTC Element, welches aus einem PTC leitendem Polymer gebildet ist, d.h. einer Zusammensetzung, die (1) einen organischen Polymer, und (2) einen leitenden Teilchenfüllstoff, vorzugsweise Ruß, Metall, und/oder einen leitenden anorganischen Füllstoff, z.B. ein keramisches Oxyd oder ein Metallkarbit, Nitrit oder Borit, wie Titankarbit, welches in dem Polymer verteilt oder anders dispergiert wird, umfasst. PTC leitende Polymere und Einrichtungen, die sie enthalten, werden zum Beispiel in den U.S. Patenten mit den Nummern 4,237,441 (van Konyenburg et al.), 4,238,812 (Middleman et al.), 4,315,237 (Middleman et al.), 4,317,027 (Middleman et al.), 4,426,633 (Taylor), 4,545,926 (Fouts et al.), 4,689,475 (Matthiesen), 4,724,417 (Au et al.), 4,774,024 (Deep et al.), 4,780,598 (Fahey et al.), 4,800,253 (Kleiner et al.), 4,845,838 (Jacobs et al.), 4,859,836 (Lunk et al.), 4,907,340 (Fang et al.), 4,924,074 (Fang et al.), 4,935,156 (van Konynenburg et al.), 5,049,850 (Evans et al.), 5,378,407 (Chandler et al.), 5,852,397 (Chan et al.), 6,130,597 (Toth et al.), 6,300,859 (Myong et al.) und 6,392,528 (Myong) zum Beispiel beschrieben. Keramische PTC Materialien sind in dem technischen Gebiet ebenfalls altbekannt. Schaltungsschutzeinrichtungen mit einem negativen Temperaturkoeffizienten (Negative Temperature Coefficient; NTC), die keramischen NTC Materialien enthalten, sind in dem technischen Gebiet ebenfalls altbekannt. Zum Beispiel beschreibt das U.S. Patent Nr. 6,300,859 (Myong et al.) eine Mehrschicht-Schaltungs-schutzeinrichtung, die eine Schicht aus einem polymerischen Widerstandsmaterial mit positiven Temperaturkoeffizienten, eingebettet zwischen leitende Folienschichten, einschließt. Eine isolierende Schicht wird ebenfalls beschrieben.
Eines der Probleme und Nachteile des Standes der Technik ist gewesen, dass die Überstromschutzeinrichtung und das Common-Mode-Sperrfilter (Gleichtakt-Sperrfilter), obwohl beide benötigt werden, getrennte Komponenten gewesen sind und wertvollen Platz auf der gedruckten Schaltungsplatine innerhalb von Einrichtungen und Geräten benötigen, die getriebene Hochgeschwindigkeitsbusse implementieren, wie IEEE 1394, USB, oder Powered Ethernet. Ein Beispiel des Standes der Technik ist in dem Schaltbild der 1 gezeigt. Darin umfasst eine IEEE 1394 Busschnittstellenschaltung 10 an einer Einrichtung oder einem Gerät ein Schnittstellen-IC-Chip 12, das zwei IEEE 1394 Kanäle implementiert, die zu zwei standardisierten 6-Stift Verbinder 14 und 16 führen. Energie von einer Quelle 18 wird an einen Energiestift des Verbinders 14 durch eine PPTC Widerstands-Überstromschutzeinrichtung 20 geführt. Energie von der Quelle 18 wird ebenfalls an einen Energiestift des Verbinders 16 über eine zweite PPTC Widerstands-Überstromschutzeinrichtung 22 geführt. Getrennt, wie in 1 gezeigt, sind zwei Gleichtakt-Rauschsperrfilter 24 und 26 zwischen dem Kanalchip 12 und jedem Verbinder 14, 16 der IEEE 1394 Schnittstelle vorgesehen. Die PPTC Einrichtungen 20 und 22 und die Filter 24 und 26 sind getrennt an einer Schaltungsplatine der Schaltung 10 in der Nähe der Verbinder 14 und 16 angebracht.
Ein anderes Beispiel des Standes der Technik wird in 2 dargestellt. Darin umfasst eine USB Schnitstellenschaltung 11 ein USB Schnittstellenchip 13, und zwei standardmäßige USB Schnittstelle Verbinder 15 und 17 mit vier Anschlussstiften. Energie von einer Quelle 19 wird an parallel geschaltete Energieanschlussstifte der Verbinder 15 und 17 über eine einzelne PPTC Widerstands-Überstromschutzeinrichtung 21 geführt. Die USB Schnittstellenschaltung 11 stellt getrennte differenzielle Datenpaare an jeden Verbinder durch ein einzelnes herkömmliches Common-Mode-Sperrfilter 23 bereit. Wie bei dem IEEE 1394 Beispiel, in dem USB Beispiel der 2, sind der PPTC Widerstand 21 und das Filter 23 getrennt an einer Host-Schaltungsplatine, die die USB Schnittstelle bereitstellt, angebracht.
In einigen Implementierungen oder einem mit Energie versorgten Datenbus kann der Entwickler einen zusätzlichen Überspannungsschutz auf den Daten- und Energieleitungen erfordern, um gegenüber unerwünschtem und möglicherweise schädlichem ESD und Überspannungsstößen zu schützen. Typische Überspannungsschutzeinrichtungen umfassen TVS Dioden, Zener-Dioden, Funkenspalt-Polymermaterialien, oder andere Funkenspalt-Konzepte. Diese Überspannungs/ESD-Schutzeinrichtungen befinden sich typischerweise auf den Datenleitungen, zwischen der Common-Mode-Drosselspule und dem I/O Verbinder oder auf der Energieleitung zwischen dem PPTC und dem I/O-Verbinder. Dies wird in dem technischen Gebiet gut verstanden. Das Dokument US-A-S 982253 offenbart ein austauschbares Plug-in In-Line Modul zum Dämpfen von elektrischem Rauschen.
Eine bislang ungelöste Notwendigkeit hat sich ergeben, um eine einzelne integrierte Einrichtung (z.B. eine Signalkonditionierungseinrichtung) bereitzustellen, die ein Common-Mode-Filterelement mit einem Überstromschutzelement und/oder einem Überspannungs-Schutzelement kombiniert, um dadurch wertvollen Platz auf der gedruckten Schaltungsplatine einzusparen, um die Anzahl von Komponenten und die Kosten zu verringern und um Zusammenbaukosten, die ansonsten in Verbindung mit der bestimmten Einrichtung oder dem bestimmten Gerät erwachsen, zu verringern.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin eine einzelne elektronische Komponente bereitzustellen, die einen Common-Mode-Sperrfilter mit wenigstens einer anderen Komponente, beispielsweise einem Überstrom-Schutzelement oder einem Überspannungs-Schutzelement kombiniert, und zwar in einer Weise, die Beschränkungen und Nachteile des Standes der Technik beseitigt.
Eine andere allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine elektrische Einrichtung oder eine Komponente bereitzustellen, die sich für eine Oberflächenanbringung eignet und ein geschichtetes Substrat aufweist, mit einer Schicht aus einem PPTC Material, die ein Überstrom-Schutzelement mit Bahnmustern bildet, mit Verbindungsanschlussflecken, die durch isolierte Kontaktierungslöcher untereinander verbunden sind, und anderen leitenden Mustern, Bahnen, Anschlussflecken und Strukturen, die dem geschichtetem Substrat erlauben eine breite Vielfalt von elektrischen Komponenten aufzunehmen, anzubringen und zu verbinden, wie beispielsweise Spulen, Kondensatoren, Widerstände, Dioden etc., um dadurch gleichzeitig andere Schaltungsfunktionen bereitzustellen, wie beispielsweise eine Common-Mode-Rauschabweisung, einen Überspannungsschutz etc., und zwar in einer Weise, die Beschränkungen und Nachteile des Standes der Technik beseitigt.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin die Anzahl von Komponenten, die Einheits- und Herstellungskosten und die Platzanforderungen der Schaltungsplatine für Komponenten, die Hochgeschwindigkeits-Digitalschnittstellen innerhalb von Consumer Electronics Produkten unterstützen, zu verringern.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine elektrische Komponente mit den Merkmalen des Anspruchs 1 definiert. Sie umfasst ein Substrat, welches für eine Oberflächenanbringung und für eine Verbindung zu einer gedruckten Hosts-Schaltungsplatte, die eine Bus-Schnittstellenschaltung bildet, ausgelegt ist. Die elektrische Komponente umfasst einen Common-Mode-Sperrfilter, das an dem Substrat angebracht ist, und wenigstens ein Schaltungsschutzelement, wie beispielsweise ein Überstromschutzelement zum Schützen einer Energieversorgungsleitung der Schnittstelle vor Überstrombedingungen, und/oder ein Überspannungs-Schutzelement zum Schützen einer Datenleitung vor einer elektrostatischen Entladung und anderen Überspannungs-Bedingungen. Das Substrat umfasst eine Vielzahl von Verbindungselektroden, mit Filterelektroden, die mit dem Common-Mode-Sperrfilter verbunden sind, Schutzelektroden, die mit dem Schutzelement verbunden sind, und Elektroden, um eine direkte mechanische und elektrische Verbindung der Komponente mit der gedruckten Host-Schaltungsplatte zu ermöglichen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Überstrom-Schutzelement ein polymerisches Widerstandselement mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PPTC), das Substrat ist aus einem PPTC Material gebildet, welches auch das PPTC Widerstandselement bildet, und die Filterelektroden sind elektrisch von dem PPTC Widerstandselement isoliert.
In einer verwandten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Common-Mode-Sperrfilter ein oder mehrere Mehrwicklungs-Breitbandtransformatoren, wobei jeder Transformator aus einem Ferritkern gebildet ist, und wobei die Wicklungen davon mit getrennten Filterelektroden verbunden sind. Um Busse mit zwei differenziellen Datenpaaren zu behandeln, wie bei einer IEEE 1394 Bus-Architektur, kann der Mehrwicklungs-Breitbandtransformator einen Ferritkern mit zwei Öffnungen umfassen, wobei wenigstens ein Paar von Wicklungen durch jede Öffnung geht und mit getrennten Filterelektroden des Substrats verbunden ist. Alternativ können getrennte Transformatoren für jedes Paar von Wicklungen vorgesehen werden, um eine Isolation zwischen den Kanälen zu verbessern. Alternativ, in Situationen, bei denen nur ein verdrilltes Paar benötigt wird, wie beispielsweise bei einer USB Architektur, kann die gesamte Vorrichtung nur einen Transformator mit einem verdrillten Paar einschließen, verbunden mit vier Filterelektroden auf dem Substrat.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Element für den Schutz vor einer elektrostatischen Entladung (ESD)/einer Überspannung zwischen einer Filterelektrode und einer Masseelektrode des Substrats geschaltet. Dieses ESD Überspannungs-Schutzelement kann auch zwischen eine Überstrom-Schutzelektrode und Masse geschaltet werden.
Die vorliegende Erfindung, wie mit den Merkmalen des Anspruchs 18 definiert, stellt auch eine für die Oberflächenanbringung gedachte elektrische Komponente bereit, die aufweist:
ein flaches Substrat mit einer oberen Hauptoberfläche und einer unteren Hauptoberfläche, die im Wesentlichen koplanar dazu ist, wobei die untere Hauptoberfläche dafür ausgelegt ist, um über eine Oberflächenanbringung an der gedruckten Schaltungsplatte angebracht zu werden,
einen ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten voneinander beabstandeten Oberflächenanbringungs-Kontaktsatz, wobei ein Kontaktsatz einen Kontakt, der auf der oberen Hauptoberfläche gebildet ist, und einen damit verbundenen Kontakt, der auf der unteren Hauptoberfläche gebildet ist, einschließt,
ein Strom begrenzendes polymerisches Widerstandselement mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PPTC), das sich zwischen ersten und zweiten Kontaktsätzen erstreckt, und
ein Common-Mode-Sperrfilterelement, umfassend ein Paar von Wicklungen, die auf einem gemeinsamen induktiven Kern gebildet sind, wobei sich das Element an der oberen Hauptoberfläche befindet und eine Wicklung aufweist, die zwischen dritte und vierte Kontaktsätze geschaltet ist, und eine andere Wicklung aufweist, die zwischen fünfte und sechste Kontaktsätze geschaltet ist.
In einer bevorzugten Ausbildung ist das Substrat eine Mehrschicht-Struktur mit wenigstens einer Schicht, die aus dem gleichen Material gebildet ist, aus dem das PPTC Widerstandselement gebildet ist, und in diesem Fall sind der dritte, vierte, fünfte und sechste Kontaktsatz elektrisch von der PPTC Schicht isoliert. Die Komponente kann auch ein erstes Überspannungs-Schutzelement, welches zwischen einen der dritten und vierten Kontaktsätze und Masse geschaltet ist, und ein zweites Überspannungs-Schutzelement, welches ein Funkenspalt sein kann, geschaltet zwischen einen der fünften und sechsten Kontaktsätze und Masse, aufweisen.
Die Erfindung stellt ferner eine elektrische Einrichtung bereit, die mit den Merkmalen des Anspruchs 12 definiert ist.
Diese und andere Aufgaben, Vorteile, Aspekte und Merkmale der vorliegenden Erfindung lassen sich vollständiger verstehen und können bei einer Betrachtung der ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, die in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen dargeboten werden, besser gewürdigt werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung ist mit den folgenden Zeichnungen dargestellt. In den Zeichnung zeigen:
1 ein Block- und Schemaschaltbild einer herkömmlichen Schaltungsanordnung für eine IEEE 1394 Schnittstelle, die diskrete Komponenten für einen Überstromschutz und eine Common-Mode-Abweisung verwendet;
2 ein Block- und Schemaschaltbild einer herkömmlichen Schaltungsanordnung für eine USB Schnittstelle, die getrennte diskrete Komponenten für einen Überstromschutz und eine Common-Mode-Abweisung verwendet;
3 ein Block- und Schemaschaltbild einer integrierten elektrischen Komponente für ein IEEE-1394-Schnittstellenschaltung, wobei ein Common-Mode-Sperrfilterelement zu einem Überstrom-Schutzelement hinzugefügt ist, wobei eine gemeinsame Anbringung und ein Verbindungssubstrat in Übereinstimmung mit Prinzipien der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird;
4 ein Block- und Schemaschaltbild einer integrierten elektrischen Komponente für eine USB Schnittstellenschaltung, wobei ein Common-Mode-Sperrfilterelement zu einem Überstrom-Schutzelement hinzugefügt ist, wobei eine gemeinsame Anbringung und ein Verbindungssubtrat in Übereinstimmung mit Prinzipien der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird;
5A eine isometrische Explosionsaufbau-Zeichnung der Einrichtung der 3; und
5B eine isometrische Ausbauzeichnung der fertiggestellten Einrichtung der 3;
6 eine vergrößerte isometrische Aufbauzeichnung der umgekehrten Seite der fertiggestellten Einrichtung der 3;
7 eine vergrößerte diagrammartige obere Draufsicht einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen Überspannungsschutz zu den Datenleitungen innerhalb der Einrichtung der 3 hinzufügt; und
8A eine vergrößerte diagrammartige Querschnittsansicht der Einrichtung der 3 durch eine Elektrode, die von einer PPTC Schicht des Substrats isoliert ist; und
8B eine ähnliche Ansicht durch eine Elektrode, die mit der PPTC Schicht verbunden ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In Übereinstimmung mit Prinzipien der vorliegenden Erfindung und wie in den Schaltungen der 3 und 4 gezeigt umfassen Mehrfunktionseinrichtungen 32, 33 und 34 hauptsächlich ein Substrat 40. Das Substrat 40 umfasst am meisten bevorzugt ein PPTC Widerstandselement. Das PPTC Widerstandselement wird durch eine Schicht 100 eines PPTC Materials gebildet, das zwischen einer Isolationsschicht 98 und äußeren leitenden Schichten 92 und 94 (siehe 8A und 8B) eingebettet ist. Die Einrichtung 32 weist zwei Überstrom-Schutzanschlusselektroden 42 und 44 auf, die elektrisch mit der PPTC Schicht verbunden sind. In dem Beispiel, das in den 5A, 5B, 6 und 7 zum Beispiel gezeigt ist, sind die Überstrom-Schutzelektroden auf gegenüberliegenden Enden eines allgemein rechteckförmigen, dünnen, kastenartigen Körpers gebildet. Die PPTC Widerstandsschicht 100 kann in Übereinstimmung mit Verfahren und Strukturen, die in dem technischen Gebiet altbekannt sind, formuliert und konstruiert sein. Zusätzlich zu den Überstrom-Schutzanschlusselektroden 42 und 44 umfasst das Substrat 40 Bahnen, Verbindungsanschlussflecken und Pfade. Zum Beispiel illustrieren die 5A, 5B, 6 und 7 eine integrierte Komponente mit acht isolierten Verbindungspfaden in der Form von Elektroden 46, 48, 50, 52, 54, 56, 58 und 60. Diese Elektroden 46 bis 60 erscheinen am meisten bevorzugt und umfassen oder stellen dar Verbindungsanschlussflecken an einer oberen Hauptoberfläche 41 und stellen auch Verbindungsanschlussflecken an der unteren Hauptoberfläche 43 des PPTC Widerstandskörpers 40 bereit. Isolierte Kontaktierungslöcher verbinden die oberen Verbindungsanschlussflecken mit jeweiligen der unteren Verbindungsanschlussflecken. Die Anzahl der gesamten Elektroden kann angehoben oder abgesenkt werden, je nach Anforderung, um mehr bzw. weniger Datenleitungen unterzubringen.
Ein Breitband-Common-Mode-Sperrfilter 62 umfasst einen Ferritkern 63 mit wenigstens einer Öffnung. In dem Beispiel einer IEEE 1394 Schnittstelle, die in 3 dargestellt ist, gibt es zwei Datenleitungen mit einem verdrillten Paar, und der Ferritkern 36 weist am meisten bevorzugt zwei Öffnungen auf, eine für gekoppelte Common-Mode-Sperrwicklungen auf jedem Datenpaar. Eine ähnliche Anordnung wird zur Verwendung in dem Beispiel der USB Schnittstelle, die in 4 dargestellt ist, bevorzugt, wobei getrennte differenzielle Datenpaare sich getrennt zu jedem USB Verbinder 15 und 17 erstrecken. Alternativ können getrennte Filter, die getrennte Kerne und Wicklungen umfassen, für jeden Datenkanal in dem IEEE 1394 Beispiel sowie in dem USB Beispiel bereitgestellt werden, um eine größere Isolation zwischen den Datenkanälen bereitzustellen. Alternativ kann ein einzelnes Filter, welches mit einem einzelnen verdrillten Paar konstruiert ist, verwendet werden. Wie Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet verstehen sind das bestimmte Filterkernmaterial, die Filtergeometrie und die Wicklungen dafür ausgelegt, um eine effektive Abweisung des Common-Mode-Rauschens und der Störungen auf Grundlage der Anforderungen einer bestimmten Schnittstelle, die gerade gefiltert wird, bereitzustellen.
Wie in den 5A und 5B gezeigt können ein Paar von Wicklungen um jede Öffnung herum und einen angrenzenden äußeren Wandabschnitt des Kerns 63 bereitgestellt werden. Für ein Datenleitungspaar werden Wicklungen 64 und 66 durch eine erste Öffnung bereitgestellt. Für das andere Datenleitungspaar werden Wicklungen 68 und 70 durch eine zweite Öffnung bereitgestellt. Alternativ können die vier Wicklungen gemeinsam um die zwei Öffnungen des Kerns 63 herum und durch diese gewickelt werden. Alternativ können getrennte einzelne Kerne oder Kerne mit mehreren Öffnungen verwendet werden, die Wicklungen für jedes differenzielle Datenpaar aufweisen, um eine elektrische Isolation zwischen den jeweiligen Datenkanälen zu erhöhen. Während die 5A, 5B, 6 und 7 ein Common-Mode-Sperrfilter illustrieren, das aus getrennten Komponenten gebildet ist, werden Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet erkennen, dass das Filter als eine vollständig integrierte Chip-Induktor-Struktur, gebunden durch Oberflächenanbringungs-Techniken an der Oberseite des Substrats 40, bereitgestellt werden könnte. In 5 sind die Enden der Wicklungen 64 an oberen Anschlussflecken über Kontaktierungslöcher 46 und 48 gebunden. Die Enden der Wicklungen 66 sind an obere Anschlussflecken über Kontaktierungslöcher 50 und 52 gebunden. Die Enden der Wicklungen 68 sind an obere Anschlussflecken über Kontaktierungslöcher 54 und 56 gebunden, bzw. gebondet; und die Enden von Wicklungen 70 sind mit oberen Anschlussflecken von Kontaktierungslöchern 58 und 60 gebunden. Jeweilige Verbindungen der Wicklung und der Anschlussflecken sind in der Ansicht der 5B dargestellt.
Während der PPTC Widerstandskörper 40 am meisten bevorzugt eine Schicht aus einem PPTC Widerstandsmaterial umfasst und die Kontaktierungslöcher 48 bis 60 innerhalb von isolierten Wannen, die durch das PPTC Material gebildet werden, gebildet sind, ist es praktisch, die Einrichtung 32 auf einem geeigneten dielektrischen Substrat zu bilden und PPTC Widerstand 40 als einen Film, eine Schicht, eine Beschichtung oder ein anderes strukturelles Element, welches sich zwischen Elektroden 42 und 44 erstreckt, zu definieren. Durch die Verwendung eines dielektrischen Substrats, anstelle eines PPTC Widerstandsmaterials mit einem nominell geringen Widerstand, können die Kontaktierungslöcher 48 bis 60 herkömmlicherweise ohne die Notwendigkeit einer elektrischen Isolation aus dem PPTC-Widerstandsmaterial gebildet werden.
Wie in 4 gezeigt ist die Bodenfläche 43 im Wesentlichen flach und ist dafür ausgelegt, um mit ausgerichteten Verbindungsbahnen/Anschlussflecken registriert bzw. ausgerichtet zu sein und dann an einer gedruckten Host-Schaltungsplatte durch die Verwendung von herkömmlichen Oberflächenanbringungs-Verbindungstechniken per Oberflächenanbringung angebracht zu werden.
Es ist auch praktisch die Möglichkeit eines Schutzes für eine elektrostatische Entladung (Electrostatic Discharge; ESD) oder eine Überspannung an der Einrichtung bereitzustellen. Eine derartige Technologie und derartige Einrichtungen verwenden typischerweise Materialien, die einen sehr hohen elektrischen Widerstand bei normalen Betriebsspannungen aufweisen, die aber höchstleitend werden, wenn hohe Spannungen angelegt werden. Diese Materialien können verwendet werden, um ESD/Überspannungs-Schutzelemente zu bilden, um Hochspannungsimpulse nach Masse kurzzuschließen. Überspannungs-Schutzelemente werden einfach in die Hochgeschwindigkeits-Datenbusse und die Bus-Schnittstellen, je eine IEEE-1394-Bus-Schnittstelle und die USB Schnittstelle, eingebaut.
7 zeigt eine Einrichtung 34, die einen ESD/Überspannungsschutz enthält. Darin kann das Einrichtungssubstrat 45 aus einem geeigneten dielektrischen Material gebildet werden, wie beispielsweise einem phenolischen oder einem keramischen, und kann ein PPTC Widerstandselement 47 einschließen, welches sich zwischen den Elektroden 42 und 44 erstreckt. Das PPTC Widerstandselement 47 kann eine Schicht oder eine Beschichtung aus einem PPTC Widerstandsmaterial sein, welches integral mit dem Substrat 45 gebildet ist, oder das Widerstandselement 47 kann eine diskret gebildete Komponente oder ein Chip sein, der an die Elektroden 42 und 44 während der Einrichtungsherstellung gebunden wird. Alternativ kann das Substrat 45 identisch mit dem Substrat 40 der Einrichtung 32 sein, wobei in diesem Fall Elektroden für das Common-Mode-Sperrfilter und die ESD/Überspannungs-Schutzelemente elektrisch von der PPTC Schicht des Substrats isoliert sein werden. In dem Beispiel der 7 definiert das Substrat 45 zwei zusätzliche Kontaktierungslöcher 80 und 82, geeignete direkte Masseverbindungen durch Masseebenenbahnen einer gedruckten Host-Schaltungsplatte bereitstellen. Vier Überspannungs-Schutzelemente 84, 86, 88 und 90 sind vorgesehen. In dem Beispiel der 7 sind Überspannungs-Schutzelement 84 und 86 jeweils von Kontaktierungslöchern 46 und 50 mit dem Massekontaktierungsloch 80 verbunden. Überspannungs-Schutzelement 88 und 90 sind jeweils von Kontaktierungslöchern 54 und 58 mit dem Massekontaktierungsloch 82 verbunden. In diesem bestimmten Beispiel verbindet die gedruckte Host-Schaltungsplatte (die Host-Schaltungsplatine) Kontaktierungslöcher 46, 50, 54 und 58 direkt mit einem Schnittstellenverbinder 14 oder 16, wie in 2 gezeigt ist, und verbindet Kontaktierungslöcher 48, 52, 56 und 60 mit dem Schnittstellenchip 12. Alternativ kann die Anzahl von Massekontaktierungsflecken und Verbindungen in Abhängigkeit von den Layout Techniken und der Anzahl von Signalelektroden, die gerade geschützt werden, zunehmen oder abnehmen.
Überspannungs-Schutzelemente 84 und 86 können irgendwelche geeigneten Strukturen, Beschichtungen, Einrichtungen oder Materialien sein, die schnell und effektiv reagieren, um ESD/Überspannungs-Impulse nach Masse kurzzuschließen und dadurch den Datenbus zu schützen. Die Überspannungs-Schutzelemente 84 bis 90 können vorgefertigte Funkenspalt-Chips sein, die an Kontaktierungslöchern 46 bis 58 und Massekontaktierungslöcher 80, 82 an der Oberfläche angebracht sind. Alternativ können die Überspannungselemente 84 bis 90 als eine Paste angebracht und dann an der Stelle ausgehärtet werden. Die Überspannungselemente 84 bis 90 können auch durch Aufbringen (z.B. durch Aufstäuben bzw. Sputtern) und Ätzen eines Funkenspalt-Materials auf das Substrat 45, das die Einrichtung 34 bildet, gebildet werden. Alternativ können die Überspannungselemente 84 bis 90 Hochgeschwindigkeits-Dioden, Triacs und andere Halbleiterstrukturen zum Kurzbeschließen von Überspannungen über einem Schwellenpegel nach Masse umfassen.
Die 8A und 8B zeigen bestimmte strukturelle Einzelheiten in Bezug auf das Substrat 40. Die 8A zeigt eine Vorgehensweise für eine elektrische Isolation der Elektrode 46 von dem PPTC Widerstandsmaterial. In dieser Darstellung umfasst das Substrat 40 eine zentrale Schicht aus einem PPTC Material 100, umgeben durch eine obere Metallfolien-Leiterschicht 92, eine untere Metallfolien-Leiterschicht 94, und Isolationsschichten 98, die die PPTC Materialschicht 100 umgeben und diese von den äußeren leitenden Schichten 92 und 94 trennen. Die Isolationsschichten 98 sind aus einem elektrisch isolierenden Material, z.B. einem faserverstärkten Epoxydharz oder einem gegenüber hohen Temperaturen beständigen Polymerfilm, wie Polyester, Polyvinyliden-Fluorid, oder Nylon, gebildet. Die Isolationsschichten 98, sollten eine ausreichende Dicke aufweisen, um praktisch hergestellt werden zu können, und sollten die gewünschten elektrischen dielektrischen Eigenschaften zum Isolieren der PPTC Schicht 100 von jeder isolierten Elektrodenstruktur, wie der Elektrode 46, die in 8A gezeigt ist, aufweisen. Ferner sind die dielektrischen Eigenschaften und Dicken der Isolationsschicht 98 gewählt, um eine parasitische verteilte Kapazität, die ansonsten an den isolierten Elektroden vorhanden ist, die mit den differenziellen Datenleitungen verbunden sind, zu minimieren. Wie dort gezeigt, umfasst die dielektrische Schicht 98 Bereiche 99, die ein zentrales leitendes Kontaktierungsloch 96 umgeben und dieses effektiv von der PPTC Schicht 100 trennen, wodurch die Elektrode 46 von dem Überstrom-Schutzelement elektrisch isoliert wird. Im Gegensatz dazu zeigt 8B Einzelheiten von einer nicht-elektischen isolierten Elektrode, die eine direkte elektrische Verbindung mit der PPTC Schicht 100 bildet. In 8B kommt die PPTC Schicht 100 in einen engen Kontakt mit dem Kontaktierungsloch 96, wodurch Metallfolien 92 und 94 verbunden werden, die obere und untere Abschnitte der Elektrode 42 umfassen. Obwohl in den 8A und 8B nicht gezeigt, ist es gebräuchlich, dass die PPTC Schicht 100 direkt zwischen Metallfolienschichten eingebettet ist und mit diesen in Kontakt ist. Diese Metallfolienschichten bilden auch einen Kontakt mit dem Kontaktierungsloch 96 für die Ansicht der 8B.
Nachdem somit bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben worden sind wird nun verstanden werden, dass die Aufgaben der Erfindung vollständig gelöst worden sind, und Durchschnittsfachleute in dem technischen Gebiet werden erkennen, dass zahlreiche Änderungen in der Konstruktion und in den unterschiedlichen Anwendungen sich selbst ohne Abweichen von dem Umfang der Erfindung, sowie er durch die Ansprüche definiert ist, vorschlagen werden. Zum Beispiel können elektrische andere Elemente als Common-Mode-Sperrfilter und Überspannungs-Schutzelemente an einem Substrat, das eine PPTC Schicht einschließt, angebracht oder mit diesem gebildet werden, wodurch diskrete Elemente in ein Element einer integrierten Schaltung kombiniert werden, das einen Überspannungsschutz und außerdem andere diesbezügliche elektrische Funktionen bereitstellt. Deshalb sind die Offenbarungsstellen und Beschreibungen hier illustrativ und nicht dafür vorgesehen, um einschränkend zu sein.

Claims

Elektrische Komponente, umfassend ein Substrat, welches für eine Oberflächenmontage und eine Verbindung mit einer gedruckten Host-Schaltungsplatine, die eine Busschnittstellenschaltung bildet, ausgelegt ist, wobei die Komponente ein Common-Mode-Sperrfilter, das an dem Substrat montiert ist, und wenigstens ein Schaltungsschutzelement einschließt, wobei das Substrat eine Vielzahl von Verbindungselektroden mit Filterelektroden, die mit dem Filter verbunden sind, und Schutzelektroden, die mit dem Schutzelement verbunden sind, einschließt, wobei die Elektroden zur Ermöglichung einer direkten mechanischen und elektrischen Verbindung der Komponente mit der gedruckten Host-Schaltungsplatine vorgesehen sind.
Elektrische Komponente nach Anspruch 1, wobei das Schutzelement ein Überstrom-Schutzelement ist.
Elektrische Komponente nach Anspruch 2, wobei das Überstrom-Schutzelement ein polymerisches Widerstandselement mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PPTC) umfasst.
Elektrische Komponente nach Anspruch 1, wobei das Substrat eine PPTC-Materialschicht, die das PPCC-Widerstandselement bildet, umfasst und wobei Filterelektroden von der PPTC-Materialschicht elektrisch isoliert sind.
Elektrische Komponente nach Anspruch 1, wobei das Common-Mode-Sperrfilter einen Mehrwicklungs-Breitbandtransformator mit einem Ferritkern umfasst und wobei die Wicklungen zwischen getrennten Elektroden der Filterelektroden verbunden sind.
Elektrische Komponente nach Anspruch 5, wobei der Mehrwicklungs-Breitbandtransformator einen Ferritkern mit zwei Öffnungen umfasst und wobei wenigstens ein Paar von Wicklungen durch jede Öffnung geht.
Elektrische Komponente nach Anspruch 1, wobei das Schutzelement ein Überspannungs-Schutzelement ist.
Elektrische Komponente nach Anspruch 7, wobei das Substrat eine Masseelektrode einschließt und das Überspannungs-Schutzelement zwischen eine Filterelektrode und die Masseelektrode geschaltet ist.
Elektrische Komponente nach Anspruch 1, wobei das Schutzelement ein Überstrom-Schutzelement und ein Überspannungs-Schutzelement umfasst.
Elektrische Komponente nach Anspruch 9, wobei das Überstrom-Schutzelement einen PPTC-Widerstand zwischen Überstrom-Schutzverbindungselektroden umfasst und wobei das Überspannungs-Schutzelement zwischen eine Filterelektrode und eine Masseelektrode des Substrats geschaltet ist.
Elektrische Komponente nach Anspruch 10, wobei das Überspannungs-Schutzelement zwischen die Überstrom-Elektrode und eine Masseelektrode des Substrats geschaltet ist.
Elektrische Einrichtung, umfassend: ein flaches Substrat mit einer oberen Hauptoberfläche und einer unteren Hauptoberfläche, die im Wesentlichen koplanar zueinander sind, wobei die untere Hauptoberfläche dafür ausgelegt ist, um an einer gedruckten Host-Schaltungsplatine per Oberflächenmontage angebracht zu sein, einen ersten, zweiten, dritten, vierten, fünften und sechsten voneinander beabstandeten Oberflächenmontage-Kontaktsatz, wobei ein Kontaktsatz ein Kontaktfeld, das auf der oberen Hauptoberfläche gebildet ist, und ein untereinander verbundenes Kontaktfeld, das auf der unteren Hauptoberfläche gebildet ist, einschließt, ein Überstrom-Schutzelement, das zwischen den ersten und zweiten Kontaktsatz geschaltet ist, und ein Mehrwicklungs-Common-Mode-Sperrfilterelement, das auf der oberen Hauptoberfläche angeordnet ist und eine erste Wicklung, die zwischen den dritten und vierten Kontaktsatz geschaltet ist, und eine zweite Wicklung, die zwischen den fünften und sechsten Kontaktsatz geschaltet ist, aufweist.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 12, wobei das Überstrom-Schutzelement ein polymerisches Widerstandselement mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PPTC) umfasst, wobei das Substrat eine Schicht aus einem PPTC-Material, die das PPTC-Widerstandselement bildet, umfasst, und wobei der dritte, vierte, fünfte und sechste Kontaktsatz von der Schicht des PPTC-Materials elektrisch isoliert sind.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 12, wobei das Common-Mode-Sperrfilterelement einen Mehrwicklungs-Breitbandtransformator mit einem Ferritkern umfasst und wobei Wicklungen jeweils mit oberen Oberflächenverbindungsfeldern des dritten, vierten, fünften und sechsten Kontaktsatzes verbunden sind.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 14, wobei die Einrichtung einen siebten, achten, neunten und zehnten Kontaktsatz einschließt, wobei das Common-Mode-Sperrfilterelement einen zweiten Mehrwicklungs-Breitbandtransformator mit einem Ferritkern und Wicklungen, die jeweils mit oberen Oberflächenverbindungsfeldern des siebten, achten, neunten und zehnten Kontaktsatzes verbunden sind, einschließt.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 14, wobei der Mehrwicklungs-Breitbandtransformator einen Ferritkern mit zwei Öffnungen umfasst und wobei ein erstes Paar von Wicklungen durch eine erste Öffnung gehen und jeweils mit dem dritten und vierten Kontaktsatz verbunden sind, wobei das Substrat einen siebten, achten, neunten und zehnten Kontaktsatz definiert und wobei ein zweites Paar von Wicklungen durch eine zweite Öffnung geht und jeweils mit dem siebten, achten, neunten und zehnten Kontaktsatz verbunden ist.
Elektrische Einrichtung nach Anspruch 14, wobei das Substrat einen Massekontaktsatz definiert und ferner ein erstes Überspannungs-Schutzelement, welches zwischen einen des dritten und vierten Kontaktsatzes und den Massekontaktsatz geschaltet ist, umfasst und ferner ein zweites Überspannungs-Schutzelement, das zwischen den fünften und sechsten Kontaktsatz und den Massekontaktsatz geschaltet ist, umfasst.
Elektrische Komponente für eine Schaltung, die eine mit Energie versorgte Datenschnittstelle unterstützt, umfassend: (1) ein flaches Substrat mit: (a) einer oberen Hauptoberfläche und einer unteren Hauptoberfläche, die im Wesentlichen koplanar dazu ist, (b) einem Muster von elektrisch leitenden oberen Bahnen, die auf der oberen Hauptoberfläche definiert sind, (c) einem Muster von elektrisch leitenden unteren Bahnen, die auf der unteren Hauptoberfläche definiert sind, zum elektrischen Verbinden der Komponente mit einer gedruckten Host-Schaltungsplatine, die die mit Energie versorgte Datenschnittstelle bereitstellt, (d) Kontaktierungslöcher, die durch das Substrat gehen, um getrennte der oberen Bahnen mit getrennten der unteren Bahnen untereinander zu verbinden, um Überstrom-Schutzelektroden und Filterelektroden zu bilden, (e) einer Schicht aus einem polymerischen Widerstandsmaterial mit einem positiven Temperaturkoeffizienten (PPTC), die ein Überstrom-Schutzelement zum Schützen einer Energieversorgung zu dem Datenschnittstellenbus gegenüber Überstrom und verbunden mit den Überstrom-Schutzelektroden bildet, und (f) einem Isolationsmaterial zum Isolieren der Filterelektroden von dem Überstrom-Schutzelement, und (2) ein Common-Mode-Rauschsperrfilterelement, das auf der oberen Hauptoberfläche angeordnet und mit den Filterelektroden verbunden ist, zum Schützen von Datenleitungen der mit Energie versorgten Datenschnittstelle gegenüber einer Common-Mode-Störung.
Elektrische Komponente nach Anspruch 18, wobei das Common-Mode-Rauschsperrfilterelement wenigstens einen Breitbandtransformator mit Wicklungen, die mit den Filterelektroden verbunden sind, umfasst.
Elektrische Komponente nach Anspruch 18, ferner umfassend wenigstens eine Masseelektrode, die von dem Überstrom-Schutzelement isoliert ist, und wenigstens ein Überspannungs-Schutzelement, das zwischen eine Filterelektrode und die Masseelektrode geschaltet ist.
Elektrische Komponente nach Anspruch 20, wobei ein Überspannungs-Schutzelement zwischen jede Filterelektrode und eine Masseelektrode der Komponente geschaltet ist.
Elektrische Komponente nach Anspruch 18, wobei das Muster von elektrisch leitenden unteren Bahnen angeordnet ist, um eine Oberflächenmontage der elektrischen Komponente an der gedruckten Host-Schaltungsplatine zu ermöglichen.