JP2005136842A

JP2005136842A - フィルタ

Info

Publication number: JP2005136842A
Application number: JP2003372655A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Hirabayashi; 憲幸平林; Hiroyuki Takashina; 博之高科; Masaru Wazaki; 賢和崎; Yoshihiro Saito; 義広齋藤
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】広い周波数範囲においてノイズを安定して抑制でき、かつ小形化が可能なフィルタを提供する。
【解決手段】中間タップを有する第１の巻線４と、中間タップを有すると共に第１の巻線４と磁気的に結合する第２の巻線５と、直列に接続された一対のキャパシタ６ａ，６ｂで構成されて、一端が第１の巻線４の中間タップに接続されると共に他端が第２の巻線５の中間タップに接続された直列回路６と、直列回路６の中点に一端が接続されたコイル７とがプリント配線基板８上に実装されて構成されると共に、コモンモードノイズが伝搬する導電線２１ａ，２１ｂに第１の巻線４および第２の巻線５がそれぞれ挿入可能で、かつコイル７の他端が接地可能に構成され、直列回路６の中点とコイル７の一端とがディスクリートワイヤ１５で接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、２本の導電線上を同じ位相で伝搬するコモンモードノイズを抑制可能なフィルタに関するものである。

この種のフィルタとして、特許第２７８４７８３号公報に開示されたフィルタが知られている。このフィルタは、同公報中の第６図に示すように、２本の導電線のそれぞれに挿入された２つのコイルと、各コイルの巻線の中間部位とアース間に設けられた２つのキャパシタとで構成されている。

特許第２７８４７８３号公報（第６図）

ところが、このフィルタには、以下の問題点がある。すなわち、このフィルタでは、インダクタンスおよびキャパシタンスで決まる固有の共振周波数を有しているため、所望の減衰量を狭い周波数範囲でしか得ることができないという問題点がある。

また、電力輸送用の導電線に挿入されるフィルタに対しては、電力輸送用の電流が流れている状態で所望の特性が得られることと、温度上昇に対する対策とが要求される。このため、通常、電力変換回路用のフィルタにおけるインダクタンス素子では、磁芯として、ギャップ付きのフェライト磁芯が用いられている。しかしながら、このようなインダクタンス素子では、その特性が空芯のインダクタンス素子の特性に近づくため、所望の特性を実現するためには巻線の巻回数を増加させる必要が生じる。その結果、インダクタンス素子が大型化し、ひいてはフィルタ自体が大型化するという問題点がある。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、広い周波数範囲においてノイズを安定して抑制でき、かつ小形化が可能なフィルタを提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく本発明に係るフィルタは、中間タップを有する第１の巻線と、中間タップを有すると共に前記第１の巻線と磁気的に結合する第２の巻線と、直列に接続された一対のキャパシタで構成されて、一端が前記第１の巻線の前記中間タップに接続されると共に他端が前記第２の巻線の前記中間タップに接続された直列回路と、当該直列回路の中点に一端が接続されたコイルとがプリント配線基板上に実装されて構成されると共に、コモンモードノイズが伝搬する第１および第２の導電線に前記第１の巻線および前記第２の巻線がそれぞれ挿入可能で、かつ前記コイルの他端が接地可能に構成され、前記直列回路の中点と前記コイルの一端とがディスクリートワイヤで接続されている。

この場合、前記プリント配線基板に形成されたアースパターンと対向しない位置に前記ディスクリートワイヤを配設するのが好ましい。

本発明に係るフィルタによれば、一対のキャパシタで構成される直列回路とコイルとを一対の導電線に挿入される第１の巻線および第２の巻線の中間タップに付加しただけの簡単な構成のため、フィルタを小形化しつつ、広い周波数範囲においてコモンモードノイズを効果的に抑制することができる。しかも、直列回路の中点とコイルの一端とをディスクリートワイヤで接続したことにより、直列回路の中点とコイルの一端とをプリント配線パターンで接続する構成と比較して、同一の断面積に形成したときの線幅（ワイヤ幅）を大幅に狭めることができる結果、直列回路の中点とプリント配線基板のアースパターンとの間に生じる浮遊容量を大幅に低減することができる。このため、大きな浮遊容量に起因して第１および第２の巻線のインダクタンスとコイルのインダクタンスとの間でバランスが崩れることを有効に防止することができる。したがって、フィルタ特性の劣化を回避することができる結果、コモンモードノイズを安定して抑制することができる。

また、本発明に係るフィルタによれば、プリント配線基板に形成されているアースパターンと対向しない位置にディスクリートワイヤを配設した（這わせた）ことにより、直列回路の中点とプリント配線基板のアースパターンとの間に生じる浮遊容量をさらに低減することができる。このため、大きな浮遊容量に起因して第１および第２の巻線のインダクタンスとコイルのインダクタンスとの間でバランスが崩れることを一層有効に防止することができる。したがって、フィルタ特性の劣化をより確実に回避することができる結果、コモンモードノイズを一層安定して抑制することができる。この場合、若干の浮遊容量を必要とするときには、ディスクリートワイヤの一部をプリント配線基板のアースパターンに対向するようにして這わせることもできる。

以下、本発明に係るフィルタの最良の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、フィルタ１の構成について、図面を参照して説明する。

フィルタ１は、図１に示すように、一対の端子部２ａ，２ｂ、他の一対の端子部３ａ，３ｂ、第１の巻線４、第２の巻線５、直列回路６、コイル７およびプリント配線基板（以下、「基板」ともいう）８を備えて構成されている。基板８は、図２に示すように、表面側全面にアースパターン８ａが形成されている。また、基板８は、絶縁被膜（例えばレジスト被膜）がアースパターン８ａの表面に形成されることにより、半田付けで固定されるコイル７等の電子部品をこの表面に実装可能に構成されている。なお、各電子部品を実装するために基板８に形成するプリント配線パターンの配置については、使用する電子部品に応じて適宜規定することができる。したがって、以下、プリント配線パターンの一例を参照して説明するものとする。

第１の巻線４は、例えば、磁芯（一例としてトロイダルコア）９に線材が同じ回数だけ巻回されて構成された巻線４ａおよび巻線４ｂを備えて構成されている。同様にして、第２の巻線５も、磁芯９に線材が同じ回数（巻線４ａと同じ回数）だけ巻回されて構成された巻線５ａおよび巻線５ｂを備えて構成されている。また、磁芯９は、各巻線４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂが巻回された状態で基板８の表面に実装されている。また、巻線４ａの他端（巻線４ｂ側の端部）と巻線４ｂの一端はプリント配線基板８に形成されたプリント配線パターン１０ａ（図１参照）に接続されている。また、巻線４ａの一端は端子部２ａに接続され、巻線４ｂの他端は端子部３ａに接続されている。これにより、巻線４ａおよび巻線４ｂは互いに直列に接続された状態で、端子部２ａと端子部３ａとの間に挿入された状態となる。また、プリント配線パターン１０ａは、第１の巻線４の中間タップとして機能する。一方、巻線５ａの他端（巻線５ｂ側の端部）と巻線５ｂの一端は、プリント配線基板８に形成されたプリント配線パターン１０ｂ（図１参照）に接続されている。また、巻線５ａの一端は端子部２ｂに接続され、巻線５ｂの他端は端子部３ｂに接続されている。これにより、巻線５ａおよび巻線５ｂは互いに直列に接続された状態で、端子部２ｂと端子部３ｂとの間に挿入された状態となる。また、プリント配線パターン１０ｂは、第２の巻線５の中間タップとして機能する。以上の構成により、第１の巻線４および第２の巻線５は、互いに磁気的に結合されて、磁芯９と相俟って、コモンモードノイズを抑制し、かつノーマルモード信号を通過させる一般的なコモンモードコイルを構成する。

直列回路６は、図１に示すように、互いに直列に接続された一対のキャパシタ６ａ，６ｂで構成されている。また、直列回路６は、その一端がプリント配線パターン（第１の巻線４の中間タップ）１０ａに接続されると共に、その他端がプリント配線パターン（第２の巻線５の中間タップ）１０ｂに接続されている。コイル７は、例えば、磁芯（一例としてトロイダルコア）７ａ、および磁芯７ａに線材を巻回して形成した巻線７ｂを備えて構成されている。この場合、コイル７のインダクタンスは、各巻線４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂのインダクタンスと同等となるように設定されている。また、コイル７は、基板８の表面に実装されて、その巻線７ｂの各端部が基板８に形成された貫通孔を経由して基板８の裏面側に突出している。この場合、巻線７ｂのキャパシタ６ａに接続される一端については、例えば、図２に示すように、貫通孔を経由して基板８の裏面側に形成されているランド１１に半田付けされている。さらに、巻線７ｂは、例えば同図に示すように、その一端側とキャパシタ６ａの一端側（直列回路６の中点となる側）とが基板８の裏面側において線材（ディスクリートワイヤ１５ａ）によって接続されている。同様にして、巻線７ｂは、例えば同図に示すように、その一端側とキャパシタ６ｂの一端側（直列回路６の中点となる側）とが基板８の裏面側において線材（ディスクリートワイヤ１５ｂ、以下、ディスクリートワイヤ１５ａと共に「ディスクリートワイヤ１５」ともいう）によって接続されている。つまり、コイル７の一端と、直列回路６の中点とが、線材（ディスクリートワイヤ１５）で直接接続されている。この場合、ディスクリートワイヤ１５ａ，１５ｂの各端部は、コイル７（巻線７ｂ）、キャパシタ６ａおよびキャパシタ６ｂに半田付けによって接続されている。また、巻線７ｂは、その他端が基板８に形成されたアースパターン（接地用端子）１４に接続されて接地可能に構成されている。なお、アースパターン１４は、プリント配線基板８に形成された複数のスルーホールを介してプリント配線基板８の表面に形成されたアースパターン８ａに接続されている。

次に、フィルタ１の動作について図１を参照して説明する。なお、フィルタ１は、コモンモードノイズ抑制対象の導電線２１ａの間に第１の巻線４が挿入され、導電線２１ｂの間に第２の巻線５が挿入された状態で装着されている。また、基板８のアースパターン１４は、接地されている。

この状態において、コモンモードの電圧（コモンモードノイズ）Ｖｉが端子部２ａ，２ｂ間に印加された際には、第１の巻線４の左端と接地間、および第２の巻線５の左端と接地間にそれぞれ電圧Ｖｉが発生する。この場合、第１の巻線４側に発生した電圧Ｖｉは巻線４ａとコイル７とによって分圧されて、巻線４ａの両端間とコイル７の両端間にそれぞれ１／２Ｖｉの電圧が発生する。同様にして、第２の巻線５側に発生した電圧Ｖｉは巻線５ａとコイル７とによって分圧されて、巻線５ａの両端間とコイル７の両端間にそれぞれ１／２Ｖｉの電圧が発生する。なお、同図中の矢印は、矢印方向がより高い電位であることを表している。また、巻線４ａの両端間に発生した電圧１／２Ｖｉに応じて、巻線４ｂの両端間にも電圧１／２Ｖｉが発生する。その結果、端子部３ａと接地間の電圧Ｖｏ１は、巻線４ｂの両端間の電圧１／２Ｖｉとコイル７の両端間の電圧１／２Ｖｉとが相殺されることにより、原理的にゼロボルトとなる。同様にして、端子部３ｂと接地間の電圧Ｖｏ２は、巻線５ｂの両端間の電圧１／２Ｖｉとコイル７の両端間の電圧１／２Ｖｉとが相殺されることにより、原理的にゼロボルトとなる。また、逆に、各端子部３ａ，３ｂにコモンモードの電圧が印加されたときも、上記と同様にして、端子部２ａ，２ｂに発生するコモンモードの電圧は、原理的にゼロボルトになる。

また、フィルタ１は、上記したように、一方の端子部２ａ，２ｂ（または端子部３ａ，３ｂ）にコモンモードの電圧Ｖｉが印加されたときに、他方の端子部３ａ，３ｂ（または端子部２ａ，２ｂ）に生じるコモンモードの電圧を原理的にはゼロボルトにするように作動するが、発明者の研究によれば、直列回路６の中点と接地間に生じる浮遊容量Ｃｆ（図１参照）がある程度大きいときには、巻線４ａ，４ｂとコイル７との間でのバランス、および巻線５ａ，５ｂとコイル７との間でのバランスが崩れることに起因して原理通りに作動しなくなり、その結果、他方の端子部３ａ，３ｂ（または端子部２ａ，２ｂ）に生じるコモンモードの電圧をゼロボルトにすることが困難となることが判明した。したがって、直列回路６の中点と接地間に生じる浮遊容量Ｃｆをある程度小容量に抑えるのが好ましい。この点に関して、このフィルタ１では、直列回路６の中点とコイル７の巻線７ｂとを接続するに際して、ディスクリートワイヤ１５によって直接接続することにより、プリント配線パターンを用いる構成と比較して浮遊容量Ｃｆを低減（小容量化）している。このため、このフィルタ１では、上記の原理通りにほぼ作動して、他方の端子部３ａ，３ｂ（または端子部２ａ，２ｂ）に生じるコモンモードの電圧がほぼゼロボルトに抑えられている。

このように、このフィルタ１によれば、中間タップ（プリント配線パターン１０ａ）を有する第１の巻線４と、中間タップ（プリント配線パターン１０ｂ）を有すると共に第１の巻線４と磁気的に結合する第２の巻線５と、直列に接続された一対のキャパシタ６ａ，６ｂで構成されて、一端が第１の巻線４の中間タップに接続されると共に他端が第２の巻線５の中間タップに接続された直列回路６と、直列回路６の中点に一端が接続されたコイル７とが基板８上に実装されて構成されると共に、コモンモードノイズが同じ位相で伝搬する第１および第２の導電線２１ａ，２１ｂに第１の巻線４および第２の巻線５がそれぞれ挿入可能で、かつコイル７の他端が接地可能に構成したことにより、一対のキャパシタ６ａ，６ｂで構成される直列回路６とコイル７とを第１の巻線４および第２の巻線５に付加しただけの簡単な構成のため、フィルタ１を小形化しつつ、広い周波数範囲においてコモンモードノイズを効果的に抑制することができる。しかも、直列回路６の中点とコイル７の一端とをディスクリートワイヤ１５で接続したことにより、直列回路６の中点とコイル７の一端とをプリント配線パターンで接続する構成と比較して、同一の断面積に形成したときの線幅（ワイヤ幅）を大幅に狭めることができる。したがって、ディスクリートワイヤ１５のワイヤ幅を選定したり、アースパターン８ａの一部を削除してディスクリートワイヤ１５の一部のみを基板８のアースパターン８ａに対向するようにして這わせたりすることで、直列回路６の中点とアースパターン８ａとの間に生じる浮遊容量Ｃｆを任意の容量まで低減することができる。このため、大きな値の浮遊容量Ｃｆに起因して第１および第２の巻線４，５のインダクタンスとコイル７のインダクタンスとの間でのバランスが崩れることを有効に防止することができる。したがって、フィルタ特性の劣化を回避することができる結果、コモンモードノイズを安定してほぼゼロボルトに抑制することができる。

具体的に、実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。

図２に示すように、表面全面にアースパターン８ａが形成された基板８を使用すると共に、直列回路６の中点とコイル７の一端とを基板８の裏面側においてディスクリートワイヤ１５で接続することにより、上記のフィルタ１と同じ構成のサンプルを作製して実施例とした。また、表面全面にアースパターン８ａが形成された基板８を使用すると共に、直列回路６の中点とコイル７の一端とを基板８の裏面側においてプリント配線パターンで接続したサンプルを作製して比較例とした。また、実施例および比較例に係るフィルタでは、３０ｍｍ×３０ｍｍの大きさで、厚みが１．６ｍｍのガラスエポキシ樹脂製基板（誘電率：約４．０）を基板８として使用した。また、比較例に係るフィルタについての直列回路６の中点とアースパターン８ａとの間の浮遊容量Ｃｆは約１．６ｐＦであった。また、実施例に係るフィルタについての直列回路６の中点とアースパターン８ａとの間の浮遊容量Ｃｆは約１．６ｐＦを十分に下回る値であった。

次いで、実施例および比較例に係るフィルタについて、コモンモードノイズ（コモンモード信号）の減衰量の周波数特性を測定した。この測定結果を図３に示す。なお、同図では、ゲインが小さいほど、コモンモード信号の減衰量が大きいことを表している。また、同図中の符号Ａで示す線は、ＣＩＳＰＲ２２のクラスＢ（ノイズに対する規格）で規定されるリミットを表している。

図３によれば、比較例のフィルタでは、約１２ＭＨｚ以上３０ＭＨｚ以下の周波数帯域において、ＣＩＳＰＲのクラスＢのリミットを満足する減衰量を確保できないのに対して、実施例のフィルタでは、ＣＩＳＰＲのクラスＢで規定される１５０ｋＨｚ以上３０ＭＨｚ以下の周波数帯域の全域に亘ってリミット以下となる高い減衰量を確保できる性能を有することが確認された。

なお、本発明は、上記の構成に限定されない。例えば、上記のフィルタ１では、コイル７と直列回路６の中点とをディスクリートワイヤ１５で接続することによって浮遊容量Ｃｆを低減させる例について説明したが、図４に示すフィルタ１Ａのように、コイル７と直列回路６の中点とを接続するディスクリートワイヤ１５およびランド１１に対向するアースパターン８ａの部位を除去する構成（言い換えれば、ディスクリートワイヤ１５をアースパターン８ａに対向しない部位に配設した（這わせた）構成）を採用することもできる。なお、同図では、アースパターン８ａを除去した領域を白抜きで表している。また、フィルタ１と同一の構成要素については同一の符号を付して重複する説明を省略する。このフィルタ１Ａでは、ランド１１およびディスクリートワイヤ１５がアースパターン８ａと対向していないため、ランド１１およびディスクリートワイヤ１５と、アースパターン８ａ（接地）との間に生じる浮遊容量Ｃｆをさらに低減することができる。また、ディスクリートワイヤ１５の一部を基板８のアースパターン８ａに対向するようにして這わせることで、浮遊容量Ｃｆを任意の容量に規定することもできる。その結果、浮遊容量Ｃｆに起因する巻線４ａ，４ｂとコイル７との間でのバランスの崩れ、および巻線５ａ，５ｂとコイル７との間でのバランスの崩れをより確実に回避することができる。したがって、このフィルタ１Ａによれば、コモンモードノイズをより安定してほぼゼロボルトに抑制することができる。

また、２本のディスクリートワイヤ１５ａ，１５ｂを用いたフィルタ１，１Ａについて上記したが、本発明はこれに限らない。例えば、キャパシタ６ａ，６ｂの配置を変更して、キャパシタ６ａ，６ｂの端子（直列回路６の中点を構成する端子）を１つのプリント配線パターンに接続し、そのプリント配線パターンとランド１１とを１本のディスクリートワイヤによって接続する構成を採用することもできる。また、１本のディスクリートワイヤで接続する場合、コイル７の巻線７ｂを構成する線材の一部をディスクリートワイヤとして利用して接続する構成を採用することもできる。また、フィルタ１，１Ａでは、基板８の表面側ほぼ全面にアースパターン８ａを形成してコイル７を表面側に実装し、基板８の裏面側においてディスクリートワイヤ１５でコイル７と直列回路６とを接続する構成について説明したが、基板８の裏面側ほぼ全面にアースパターンを形成してコイル７を表面側に実装し、基板８の表面側においてディスクリートワイヤ１５でコイル７と直列回路６とを接続する構成を採用することもできる。

フィルタ１の回路図である。フィルタ１のキャパシタ６ａ，６ｂとコイル７との接続状態の一例を示す基板８の表面側から見た平面図である。実施例および比較例についてのコモンモード信号の減衰量の周波数特性図である。フィルタ１Ａのキャパシタ６ａ，６ｂとコイル７との接続状態の一例を示す基板８の表面側から見た平面図である。

符号の説明

１，１Ａフィルタ
４第１の巻線
５第２の巻線
６直列回路
６ａ，６ｂキャパシタ
７コイル
８基板
１５ディスクリートワイヤ
２１ａ，２１ｂ導電線

Claims

中間タップを有する第１の巻線と、
中間タップを有すると共に前記第１の巻線と磁気的に結合する第２の巻線と、
直列に接続された一対のキャパシタで構成されて、一端が前記第１の巻線の前記中間タップに接続されると共に他端が前記第２の巻線の前記中間タップに接続された直列回路と、
当該直列回路の中点に一端が接続されたコイルとがプリント配線基板上に実装されて構成されると共に、コモンモードノイズが伝搬する第１および第２の導電線に前記第１の巻線および前記第２の巻線がそれぞれ挿入可能で、かつ前記コイルの他端が接地可能に構成され、
前記直列回路の中点と前記コイルの一端とがディスクリートワイヤで接続されているフィルタ。
前記ディスクリートワイヤは、前記プリント配線基板に形成されたアースパターンと対向しない位置に配設されている請求項１記載のフィルタ。