JP6012539B2 - Noise filter - Google Patents
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Description
本発明は、信号ラインに重畳されたノイズを除去するノイズフィルタに関し、特に、プリント基板等の積層体に形成された導電パターンを用いて構成されるノイズフィルタに関する。 The present invention relates to a noise filter that removes noise superimposed on a signal line, and more particularly to a noise filter configured using a conductive pattern formed on a laminate such as a printed circuit board.
一般に、電気回路を構成する場合には、信号ラインや電源ラインに重畳されたノイズを除去すべく、当該信号ライン等とグランドラインとの間にバイパスコンデンサが挿入されたり、当該信号ライン等に直列にインダクタ(コイル)が挿入される。これらの構成においては、信号ライン等に重畳されたノイズを高周波インピーダンスの低いバイパスコンデンサを介してグランドラインへ逃がしたり、高周波インピーダンスの高いコイルにより当該信号ライン等におけるノイズの伝搬を阻止することで、当該ノイズが除去される。 In general, when an electric circuit is configured, a bypass capacitor is inserted between the signal line or the like and the ground line in order to remove noise superimposed on the signal line or the power supply line, or in series with the signal line or the like. An inductor (coil) is inserted into the. In these configurations, the noise superimposed on the signal line or the like is released to the ground line via a bypass capacitor having a low high-frequency impedance, or the propagation of noise in the signal line or the like is prevented by a coil having a high-frequency impedance. The noise is removed.
一方で、単体電気部品としてのコイルは、一般に、導電線を螺旋状に巻いて構成されるためそのサイズの小型化には限界がある。このため、制御装置を構成するプリント基板上に電気部品コイルを実装すると、当該プリント基板上の部品実装空間が高さ方向に拡大されることとなり、当該制御装置を構成する筐体の小型化が困難となる。 On the other hand, since a coil as a single electric component is generally formed by winding a conductive wire in a spiral shape, there is a limit to downsizing the size. For this reason, when an electrical component coil is mounted on the printed circuit board constituting the control device, the component mounting space on the printed circuit board is expanded in the height direction, and the housing constituting the control device is reduced in size. It becomes difficult.
したがって、電気回路にノイズフィルタを用いる場合、プリント基板上の配線パターンとして予め必要なインダクタを形成しておくことができれば、単体電気部品としてのコイルが不要となり、装置の小型化を図る上で便宜である。 Therefore, when a noise filter is used in an electric circuit, if a necessary inductor can be formed in advance as a wiring pattern on a printed circuit board, a coil as a single electric component becomes unnecessary, which is convenient for downsizing the apparatus. It is.
従来、配線パターンによりインダクタを構成したプリント配線基板として、多層プリント基板の内層に設けた電源層を磁性体混合絶縁体で挟んで分布インダクタンスを高めると共に、当該電源層に、直流インピーダンスの小さい電流配分用の幹配線と、当該幹配線から各回路ブロックに電流を分配するための枝配線とを形成し、当該枝配線をつづら折り状又は交差状に構成することで、当該枝配線部分のインダクタンスを更に高めてインダクタとしても機能させた、多層プリント基板が知られている(特許文献1)。 Conventionally, as a printed wiring board in which an inductor is configured with a wiring pattern, a power distribution layer provided on the inner layer of a multilayer printed circuit board is sandwiched between magnetic substance mixed insulators to increase distributed inductance, and current distribution with a small DC impedance is applied to the power supply layer. And a branch wiring for distributing current from the trunk wiring to each circuit block, and the branch wiring is formed in a zigzag or cross shape to further increase the inductance of the branch wiring portion. A multilayer printed circuit board that is enhanced and functions as an inductor is also known (Patent Document 1).
このプリント基板では、電源層の分布インダクタンスを高めると共に枝配線のインダクタンスを高めて、各回路ブロックから見た電源パターンの交流インピーダンスを高め、一の回路ブロックの電源電流変動が他の回路ブロックの電源ラインに影響を与えてしまうのを防止している。 In this printed circuit board, the distributed inductance of the power supply layer is increased and the inductance of the branch wiring is increased, so that the AC impedance of the power supply pattern seen from each circuit block is increased, and the power supply current fluctuation of one circuit block is the power supply of the other circuit block. This prevents the line from being affected.
しかしながら、上記従来の多層プリント基板では、枝配線部分のインダクタンスにより阻止された電源電流変動のエネルギは、もっぱら枝配線部分において発生する渦電流等により消費されて熱を生じさせる。このため、枝配線部分の配置によっては、当該部分で生じた熱を効果的に放熱することが困難となり、基板温度が上昇して当該基板上の半導体素子等の動作に影響を与えることとなる。 However, in the above conventional multilayer printed circuit board, the energy of the power source current fluctuation blocked by the inductance of the branch wiring portion is consumed solely by the eddy current generated in the branch wiring portion and generates heat. For this reason, depending on the arrangement of the branch wiring part, it is difficult to effectively dissipate the heat generated in the part, and the substrate temperature rises and affects the operation of the semiconductor elements and the like on the substrate. .
また、枝配線部分をつづら折り状パターン等とすることにより当該部分のインダクタンスを高めているため、その電流経路の長さは同じインダクタンスを有するコイルに比べて格段に長くなり、外来ノイズの影響を受け易くなる。従って、このような経路長の長い平面配線パターンをノイズフィルタ用のインダクタとして用いることは、外来ノイズに対する耐力向上の観点からは望ましいものではない。 In addition, since the inductance of the portion of the branch wiring is increased by forming a folded pattern or the like, the length of the current path is significantly longer than that of a coil having the same inductance, and is affected by external noise. It becomes easy. Therefore, it is not desirable to use such a planar wiring pattern having a long path length as an inductor for a noise filter from the viewpoint of improving the resistance to external noise.
上記の背景より、プリント基板等の積層体に形成された導電パターンにより構成されるノイズフィルタにおいては、信号ラインの経路長を増大させることなく、当該信号ラインに重畳されているノイズを効率的に除去することが望まれている。 From the above background, in a noise filter composed of a conductive pattern formed on a laminate such as a printed circuit board, noise superimposed on the signal line can be efficiently removed without increasing the path length of the signal line. It is desired to be removed.
本発明は、プリント基板等の積層体に形成されるノイズフィルタに関するものであって、本ノイズフィルタは、導電性材料より成る導電パターンが形成された層及び絶縁性材料により構成された層を有する積層体と、第1の導電パターンと、前記第1の導電パターンの周りを旋回する螺旋様に構成された第2の導電パターンと、前記第2の導電パターンの両端に接続され当該第2の導電パターンと共に閉回路を構成する抵抗体と、を備える。
本発明の一の態様によると、前記積層体は多層プリント基板である。
本発明の他の態様によると、前記積層体は集積回路である。
本発明の他の態様によると、前記絶縁性材料うち、前記第1の導電パターンと前記第2の導電パターンとの間に介在する部分が、磁性を有する絶縁性材料により構成されている。
本発明の他の態様によると、前記抵抗体の電気抵抗値により、前記第1の導電パターンを伝搬する電気信号の遮断周波数が調整される。
本発明は、また、前記ノイズフィルタを備える制御装置である。
本発明の一の態様によると、前記制御装置は車両の動作を制御するものである。
The present invention relates to a noise filter formed on a laminate such as a printed circuit board, and the noise filter has a layer in which a conductive pattern made of a conductive material is formed and a layer made of an insulating material. A laminated body, a first conductive pattern, a second conductive pattern configured in a spiral manner around the first conductive pattern, and the second conductive pattern connected to both ends of the second conductive pattern. And a resistor constituting a closed circuit together with the conductive pattern.
According to one aspect of the present invention, the laminate is a multilayer printed circuit board.
According to another aspect of the invention, the stack is an integrated circuit.
According to another aspect of the present invention, a portion of the insulating material that is interposed between the first conductive pattern and the second conductive pattern is made of a magnetic insulating material.
According to another aspect of the present invention, the cutoff frequency of the electrical signal propagating through the first conductive pattern is adjusted by the electrical resistance value of the resistor.
The present invention is also a control device including the noise filter.
According to one aspect of the present invention, the control device controls the operation of the vehicle.
本発明によれば、プリント基板等の積層体に形成された導電パターンにより構成されるノイズフィルタにおいて、信号ラインの経路長を増大させることなく、当該信号ラインに重畳されているノイズを効率的に除去することができる。 According to the present invention, in a noise filter constituted by a conductive pattern formed on a laminate such as a printed circuit board, noise superimposed on the signal line can be efficiently reduced without increasing the path length of the signal line. Can be removed.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
本実施形態に係るノイズフィルタは、多層プリント配線基板(以下、多層配線基板)を用いて構成される。なお、本実施形態で用いる「多層配線基板」は、導電性材料より成る導電パターンが形成された層及び絶縁性材料により構成された層を有する積層体の一例であって、本ノイズフィルタは、多層配線基板に限らず、例えば3次元集積回路を構成する半導体基板に形成されるものとしてもよい。なお、このような3次元集積回路を構成する半導体基板の場合には、「導電パターンが形成された層」とは、当該基板上への膜形成(例えば、金属蒸着)により形成される層のほか、当該基板中へ金属を拡散することにより形成された導電部分を含む、当該基板表面から所定の深さの層をも意味するものとする。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The noise filter according to the present embodiment is configured using a multilayer printed wiring board (hereinafter referred to as a multilayer wiring board). The “multilayer wiring board” used in the present embodiment is an example of a laminated body having a layer formed with a conductive pattern made of a conductive material and a layer made of an insulating material. For example, the multilayer wiring board may be formed on a semiconductor substrate constituting a three-dimensional integrated circuit. In the case of a semiconductor substrate constituting such a three-dimensional integrated circuit, the “layer on which the conductive pattern is formed” refers to a layer formed by film formation (for example, metal deposition) on the substrate. In addition, a layer having a predetermined depth from the substrate surface including a conductive portion formed by diffusing metal into the substrate is also meant.
本ノイズフィルタは、例えば制御回路に用いられ、当該制御回路に入力されるセンサ信号等に重畳されたノイズを除去又は低減する。また、当該制御回路は、例えば車両の動作を制御する電子制御装置(ECU、Electronic Control Unit)とすることができる。 This noise filter is used in, for example, a control circuit, and removes or reduces noise superimposed on a sensor signal or the like input to the control circuit. The control circuit may be an electronic control unit (ECU, Electronic Control Unit) that controls the operation of the vehicle, for example.
図1及び図2を用いて、本発明の一実施形態に係るノイズフィルタの構成を説明する。
図1は、本ノイズフィルタを構成する多層配線基板の構成を示す図である。本多層配線基板100は、例えば5つの導電体層102、104、106、108、110を持つ多層プリント基板である。各導電体層は、導電性材料である金属(例えば、銅)で構成されている。
A configuration of a noise filter according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a multilayer wiring board constituting the noise filter. The
また、多層配線基板100は、各導電体層102〜110の層間に、絶縁性材料(例えばガラスエポキシ)により構成された絶縁体層122〜128を備える。
導電体層102は、例えば電気部品が実装される表(おもて)面であり、裏面である導電体層110と導電体層108は、例えば電源に接続されて、それぞれグランド層及び電源層として用いられる。
The
The
図2は、本ノイズフィルタの構成を示す図である。
本ノイズフィルタ10は、ノイズが重畳された電気信号等が伝搬する第1の導電パターンを備える。当該第1の導電パターンは、導電体層102に形成された導電パターン200、202と、導電体層104に形成された導電パターン204と、導電パターン200及び202を導電パターン204にそれぞれ電気的に接続するビア206、208により構成されている。
FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of the noise filter.
The
なお、ビアは、一般的には円柱状を為す導電材料で構成されるが、図2においては、図を簡素化して理解を容易にするため点線により示している。また、3次元集積回路の一部として本ノイズフィルタを構成する場合には、ビアに代えて、例えばシリコン貫通電極を用いることができる。 The via is generally made of a conductive material having a cylindrical shape, but in FIG. 2, the via is shown by a dotted line in order to simplify the drawing and facilitate understanding. Further, when the present noise filter is configured as a part of the three-dimensional integrated circuit, for example, a silicon through electrode can be used instead of the via.
また、ノイズフィルタ10は、上記第1の導電パターンの周りを旋回する螺旋様に形成された第2の導電パターンを有する。ここで、「螺旋様」とは、円を描きつつ旋回する形状のほか、例えば矩形などの他の形状を描きながら旋回する形状をも含むものとする。
Further, the
当該第2の導電パターンは、導電体層102に形成された導電パターン210、212と、導電体層106に形成された導電パターン214、216と、導電パターン210、212と導電パターン214、216とを接続するビア218、220、222、224、226、228、230、232と、により構成されている。図示のように、導電パターン210〜216及びビア218〜232は、第1の導電パターンの一部を為す導電パターン204の周りを旋回する螺旋様の導電経路を構成している。
The second conductive pattern includes
さらに、ノイズフィルタ10は、上記第2の導電パターンと共に閉回路を構成する抵抗体であるチップ抵抗器240を備える。なお、図2においては、各導電パターンの配置の理解を容易にするためチップ抵抗器240を図示上部に独立して描いているが、実際には、チップ抵抗器240は、その2つの端子(図示ハッチング部分)が、導電パターン210の一部を為す矩形のランド234と、導電パターン236を介してビア232に接続された矩形のランド238とに、それぞれ電気的に接続され、第2の導電パターンと共に閉回路を構成する。
Furthermore, the
図3は、図2に示すノイズフィルタ10の立体構成を、回路記号を用いて模式的に示したものである。ライン300は、導電パターン200、204、202等で構成される第1の導電パターンであり、ノイズが重畳された電気信号等の電流Isigが流れる。
FIG. 3 schematically shows a three-dimensional configuration of the
コイルL302は、ライン300の周りを旋回する螺旋様に形成されたコイルであり、導電パターン210、214、212、216等で構成される第2の導電パターンを表している。また、抵抗R304は、ランド234、238により上記第2の導電パターンに接続されて閉回路を構成するチップ抵抗器240を表している。
The coil L302 is a spiral coil that turns around the
第1の導電パターンであるライン300を流れる電気信号は、ライン300の周囲に磁界(以下、周囲磁界)を生じさせる。この周囲磁界は、ライン300を流れる電気信号に重畳されたノイズ等の交流成分により変動し、当該磁界変動により第2の導電パターンであるコイルL302に起電力を発生させ、その結果、コイルL302と抵抗R304で構成される閉回路に交流電流が流れる。
The electrical signal flowing through the
上記閉回路に流れる交流電流は、コイルL302に新たな磁界を生じさせ、当該新たな磁界の変動により、ライン300には、上記ノイズ等による電流変化を阻止する向きに起電力が発生する。これにより、ライン300におけるノイズ等の交流成分に対するインピーダンスが高くなり、当該ノイズ等の伝搬が阻止される。
The alternating current flowing in the closed circuit generates a new magnetic field in the coil L302, and an electromotive force is generated in the
上記の構成を有するノイズフィルタ10は、多層配線基板100に形成される導電パターンにより構成されるため、従来のようにノイズ除去用の電気部品としての巻線コイルを信号伝送用パターン(ライン300に相当)に直列に接続する必要はない。このため、多層配線基板100の表面(例えば、導電体層102)上に搭載する電気部品の高さを制限して装置の小型化を図ることができる。
Since the
また、従来の構成では、巻線コイルは信号伝送用パターンに直列に接続されるため、その実装位置は信号伝送用パターンの配置により制限される。このため、当該コイルがノイズ電力を消費して発生する熱は、信号伝送用パターン近傍の温度を上昇させることとなり、その周囲に存在する半導体部品等の動作に影響を与えることとなる。 In the conventional configuration, since the winding coil is connected in series to the signal transmission pattern, the mounting position is limited by the arrangement of the signal transmission pattern. For this reason, the heat generated when the coil consumes noise power increases the temperature in the vicinity of the signal transmission pattern, and affects the operation of the semiconductor components and the like existing around the temperature.
これに対し、本ノイズフィルタ10では、抵抗R304、すなわちチップ抵抗器240により、ノイズ電力が熱として消費され、かつ、当該チップ抵抗器240は第2の導電パターンから他の導電パターンを介して離れた位置に実装することが可能なため、チップ抵抗器240を放熱効率のよい場所(例えば、裏面グランド層である導電体層110上や、放熱板(不図示)の近傍など)に移動して、多層配線基板100全体としての温度上昇を抑制することができる。
On the other hand, in the
図4は、ノイズフィルタ10の等価回路を表す図である。
第1の導体パターンは直線状導体パターンで構成された場合にもインダクタンスを有しており、第1の導体パターンと第2の導体パターンとは、磁気的に結合された2つのコイルで構成されるトランスと等価なものとして捉えることができる。
FIG. 4 is a diagram illustrating an equivalent circuit of the
The first conductor pattern also has an inductance when it is composed of a linear conductor pattern, and the first conductor pattern and the second conductor pattern are composed of two magnetically coupled coils. It can be understood as equivalent to a transformer.
図4に示すトランスT400は、第1の導電パターンと第2の導電パターンとが磁気的に結合した状態を表している。ここで、コイルL402は、第1の導電パターンに相当するインダクタンスを持ったコイルであり、コイルL404は、第2の導電パターンと同じインダクタンスを持つコイルである。 A transformer T400 illustrated in FIG. 4 represents a state in which the first conductive pattern and the second conductive pattern are magnetically coupled. Here, the coil L402 is a coil having an inductance corresponding to the first conductive pattern, and the coil L404 is a coil having the same inductance as that of the second conductive pattern.
また、抵抗R406は、第1の導電パターンが持つ微小な電気抵抗を表し、抵抗R408は、第2の導電パターンが持つ電気抵抗とチップ抵抗器240の電気抵抗との合成抵抗を表している。
The resistor R406 represents a minute electric resistance of the first conductive pattern, and the resistor R408 represents a combined resistance of the electric resistance of the second conductive pattern and the electric resistance of the
ここで、コイルL402、L404の自己インダクタンスをそれぞれLsig、Lfil、コイルL402とL404との相互インダクタンスをM、抵抗R406及びR408の抵抗値をそれぞれRsig及びRfilとし、コイルL402に流れる電流をIsig、コイルL404に流れる電流をIfil、抵抗R406とコイルL402に印加される電圧をVsig、とすると、次式が成り立つ。 Here, the self-inductances of the coils L402 and L404 are L sig and L fil , the mutual inductance of the coils L402 and L404 is M, and the resistance values of the resistors R406 and R408 are R sig and R fil , respectively. Is I sig , the current flowing through the coil L404 is I fil , and the voltage applied to the resistor R406 and the coil L402 is V sig , the following equation is established.
従って、上式(1)及び(2)から、第1の導体パターン部分のインピーダンスZsigは次式で与えられる。
ここに、
式(4)より、
式(5)の右辺はノイズ伝搬が阻止される周波数(阻止周波数。以下、ω0とする)を表しており、式(5)から明らかなように、当該阻止周波数ω0は、Rfilの値を変えることにより、従って第2の導電パターンに接続される抵抗器であるチップ抵抗器240の抵抗値を変えることにより、調整することができる。
The right side of equation (5) represents the frequency at which noise propagation is blocked (blocking frequency, hereinafter referred to as ω 0 ). As is clear from equation (5), the blocking frequency ω 0 is the value of R fil Adjustment can be made by changing the value, and thus changing the resistance value of the
なお、本実施形態では、絶縁体層122〜128はガラスエポキシ素材等により構成されるものとしたが、これに限らず、例えば、第1の導体パターンと第2の導体パターンとの間に介在する絶縁体層、すなわち本実施形態における絶縁体層122及び124の素材を、磁性を持つ材料(例えば、磁性体を混入した絶縁体材料)として、第1の導体パターンと第2の導体パターンとの磁気的結合を強めることができる。 In the present embodiment, the insulator layers 122 to 128 are made of a glass epoxy material or the like. However, the present invention is not limited to this. For example, the insulator layers 122 to 128 are interposed between the first conductor pattern and the second conductor pattern. The first conductive pattern and the second conductive pattern are made of a material having magnetism (for example, an insulating material mixed with a magnetic material) as an insulating layer to be formed, that is, the material of the insulating layers 122 and 124 in this embodiment. The magnetic coupling of can be strengthened.
この場合には、上記相互インダクタンスMは大きくなり、阻止周波数ω0を低周波側へシフトさせることができるので、チップ抵抗器240の抵抗値によるω0の調整範囲を拡大することができる。なお、上記のように第1及び第2の導電パターン間に磁性絶縁体層を介在させる場合は、複数のノイズフィルタ10を形成する際には、隣接するノイズフィルタ10の間で磁気干渉が生じないよう、当該隣接するノイズフィルタ10を、それらの磁界発生方向が互いに直交するように配置することが望ましい。
In this case, the mutual inductance M is increased and the blocking frequency ω 0 can be shifted to the low frequency side, so that the adjustment range of ω 0 according to the resistance value of the
10・・・ノイズフィルタ、100・・・多層配線基板、102〜110・・・導電体層、122〜128・・・絶縁体層、200〜204、210〜216、236・・・導電パターン、206、208、218〜232・・・ビア、234、238・・・ランド、240・・・チップ抵抗器、300・・・ライン、L302、L402、L404・・・コイル、R304、R406、R408・・・抵抗、T400・・・トランス。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
第1の導電パターンと、
前記第1の導電パターンの周りを旋回する螺旋様に構成された第2の導電パターンと、
前記第2の導電パターンの両端に接続され、当該第2の導電パターンと閉回路を構成する抵抗体と、
を備えるノイズフィルタ。 A laminate having a layer formed with a conductive pattern made of a conductive material and a layer made of an insulating material;
A first conductive pattern;
A second conductive pattern configured in a spiral shape swirling around the first conductive pattern;
A resistor connected to both ends of the second conductive pattern and constituting a closed circuit with the second conductive pattern;
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