WO2011045264A2 - Schutzvorrichtung gegen elektromagnetische störungen - Google Patents

Schutzvorrichtung gegen elektromagnetische störungen Download PDF

Info

Publication number
WO2011045264A2
WO2011045264A2 PCT/EP2010/065173 EP2010065173W WO2011045264A2 WO 2011045264 A2 WO2011045264 A2 WO 2011045264A2 EP 2010065173 W EP2010065173 W EP 2010065173W WO 2011045264 A2 WO2011045264 A2 WO 2011045264A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
circuit
structures
protection
protection device
circuit board
Prior art date
Application number
PCT/EP2010/065173
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2011045264A3 (de
Inventor
Christian Spratler
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Priority to CN2010800464082A priority Critical patent/CN102550134A/zh
Priority to EP10766268A priority patent/EP2489246A2/de
Priority to US13/502,164 priority patent/US20120262829A1/en
Publication of WO2011045264A2 publication Critical patent/WO2011045264A2/de
Publication of WO2011045264A3 publication Critical patent/WO2011045264A3/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/16—Printed circuits incorporating printed electric components, e.g. printed resistor, capacitor, inductor
    • H05K1/162—Printed circuits incorporating printed electric components, e.g. printed resistor, capacitor, inductor incorporating printed capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0213—Electrical arrangements not otherwise provided for
    • H05K1/0216—Reduction of cross-talk, noise or electromagnetic interference
    • H05K1/023—Reduction of cross-talk, noise or electromagnetic interference using auxiliary mounted passive components or auxiliary substances
    • H05K1/0233—Filters, inductors or a magnetic substance
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/02—Details
    • H05K1/0213—Electrical arrangements not otherwise provided for
    • H05K1/0216—Reduction of cross-talk, noise or electromagnetic interference
    • H05K1/023—Reduction of cross-talk, noise or electromagnetic interference using auxiliary mounted passive components or auxiliary substances
    • H05K1/0231—Capacitors or dielectric substances
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K1/00—Printed circuits
    • H05K1/16—Printed circuits incorporating printed electric components, e.g. printed resistor, capacitor, inductor
    • H05K1/165—Printed circuits incorporating printed electric components, e.g. printed resistor, capacitor, inductor incorporating printed inductors
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K2201/00—Indexing scheme relating to printed circuits covered by H05K1/00
    • H05K2201/09—Shape and layout
    • H05K2201/09209—Shape and layout details of conductors
    • H05K2201/09218—Conductive traces
    • H05K2201/09263—Meander

Definitions

  • the invention relates to a protective device for reducing conducted interference, which has a protective circuit as an input filter of an electronic circuit, wherein the electronic circuit is mounted on or at least partially integrated in a multi-layer printed circuit board, wherein individual components of the circuit are implemented as embedded structures in the multi-layer printed circuit board ,
  • ESD electrostatic discharges
  • varistors, voltage-dependent resistors, or spark gaps which are arranged at the beginning of the Einkoppelpfades the circuit to be protected. These are usually expensive and sometimes have a lot of space.
  • SMD capacitors which are placed at the input of the circuit to be protected, which derive a portion of the coupling pulses to ground. The dimensioning of the capacitance is based on empirical values, which in practice often leads to a non-optimal design of the protective circuit.
  • a certain Degrations ie a reduction in capacity by repeated impulse loading and concomitant loss of Abblockrati observed.
  • a parasitic, serial inductance can cause a rapid outflow of the charge coupled to the pulse edge. prevent carrier, whereby the filter characteristics of the arrangement are deteriorated. In particular, high-frequency components of the pulse can still penetrate into the circuit to be protected.
  • an ESD protection device which has an input terminal and an output terminal, between which various protective filters are arranged.
  • embedded component structures are now known, in which the components are integrated on and inside the printed circuit board.
  • embedded capacitor structures can be formed.
  • Some ⁇ publications describe i.a. Such embedded capacitor structures (e.g., "AC coupled backplane communication using embedded capacitor”, Bruce Su et al or "Power Bus decoupling with embedded capacitance in printed circuit board design", Minjia Xu et al).
  • US Pat. No. 6,351,880 B1 describes a method for producing a capacitor element integrated in a multilayered substrate.
  • the above-mentioned disadvantages of conventional protective circuits should also be avoided.
  • the protective circuit is formed from a cascade of at least two capacitances which are coupled to one another with low-inductance conductor track structures, wherein the capacitances are formed as embedded capacitance structures on or within the multi-layer printed circuit board.
  • This arrangement is advantageous over discretely populated protective circuits, since hereby a better filter quality can be achieved, in particular at higher frequencies, so that Also high-frequency interference components beyond a frequency of 1 GHz can be blocked.
  • this is particularly possible because a particularly low-inductive coupling can be achieved by the execution of the capacitances as embedded components.
  • Another advantage over conventional protective circuits results from the fact that no degradation is recorded with multiple impulse loading.
  • the protection circuit is formed from three series-connected capacitances, the low-inductance conductor track structures each having a simulation-optimized line length. In this way, an optimum filter characteristic can be achieved in comparison to a large number of different types of interference pulse shapes. It is achieved a transmission frequency response, which is above a cut-off frequency in the two-digit MHz range to well within the range of several GHz well below -10 dB.
  • the filter structure of the input filter is formed from a surface-optimized arrangement of capacitive surface elements and interconnects.
  • the capacitor structures embedded in the multilayer printed circuit board for forming the capacitances in their layer construction can be formed from a first and a second electrode, each spaced apart by a dielectric, to a grounded one arranged between the electrodes Conductor layer are arranged isolated.
  • the aspired minimum space requirement can be achieved in particular if the dielectric between the electrodes and the grounded conductor layer is formed from a material with high dielectric values and high insulation strength and in each case has a layer thickness of less than 150 ⁇ m.
  • the use of such particularly thin layers allows comparatively large capacitance values.
  • ceramic-PTFE composite materials eg Ro3010 from Rogers Corp.
  • ⁇ ⁇ dielectric constant ⁇ ⁇ of about 10 and in particular in the HF range has very good material properties are suitable.
  • such a material has a good processability for the production of printed circuit boards.
  • the dimensioning of the filter structure of the protection circuit is advantageously formed by means of a network model, in which an input is an ideal transfer function for a transmission path, first by means of a standardized interference source, for example a man-made electrostatic discharge (eg according to the human body model HBM) to an interference sink, in this case, for example, to be protected MOS-FET circuit, the output side determined and in a next step, an analytically estimated filter structure is determined as a model of embedded capacitances by means of simulation.
  • a network model in which an input is an ideal transfer function for a transmission path, first by means of a standardized interference source, for example a man-made electrostatic discharge (eg according to the human body model HBM) to an interference sink, in this case, for example, to be protected MOS-FET circuit, the output side determined and in a next step, an analytically estimated filter structure is determined as a model of embedded capacitances by means of simulation.
  • a standardized interference source for example a man-made electrostatic
  • a particularly surface-optimized arrangement of the filter structure can be achieved if the dimensioning of the filter structure of the protective circuit is determined by a space-saving arrangement of the capacitance structures and by using a plurality of layers and a small layer thickness.
  • This optimized arrangement can be modified depending on the material used and the immunity of the circuit to be protected against the overcoupled portions, since the transfer function of the protection circuit by means of dimensional adaptation of capacity structures with respect to a Grenzfrequenzverschiebung and / or a bandwidth adjustment is adaptable, the dimensional adjustment by means of a length and / or width adjustment of individual capacitors and / or by scaling the side length of the entire filter structure is feasible.
  • a scaling of the side length of the filter structure to smaller side lengths, for example, causes an increase in the cutoff frequency and vice versa, with a reduction of the side length by a factor of 2 corresponds approximately to a doubling of the cutoff frequency.
  • certain band filter sections can be varied in the transfer function.
  • a preferred use of the protective device as described above provides for use in a motor vehicle for reducing electrostatic disturbances and / or damping of high-frequency interference components on sensor, control and / or data lines or drive trains in electric motor vehicles ,
  • problems with electrostatic disturbances can occur, which can be solved or at least significantly reduced with the use of the proposed protection device.
  • power electronics can be made more compact in terms of overall height and interference-proof by integration of such protection circuits.
  • FIG. 1 shows a plan view of a protective device with capacitance and induction structures
  • FIG. 2 shows a protective circuit corresponding to the protective device shown in FIG. 1,
  • FIG. 3 is a schematic representation of the structure of a multilayer printed circuit board with an embedded capacitor
  • Figure 4 is a transfer function of the protective device
  • Figure 5 and Figure 6 are each a schematic representation of the effect of dimensional adjustments of the protective device on the transfer function.
  • FIG. 1 shows a plan view of a protective device 1 with capacitance and induction structures 30, 20, which forms a protective circuit 40, wherein the capacitance structure 30 is shown as an embedded component in a printed circuit board according to the invention.
  • the capacitance structure 30 is shown as an embedded component in a printed circuit board according to the invention.
  • the conductor tracks form inductance structures 20.
  • corresponding counterelectrodes or shields and insulator or dielectric layers are located as additional layers not visible below and / or above the shown location.
  • a first capacitance 31 which, viewed directly in the signal direction, is arranged behind the input 41 of the protection circuit 40 and assumes a comparatively large value in accordance with the area of the structure.
  • This first capacitor 31 has two equal areas in the example shown.
  • This first capacitor 31 is coupled via a conductor meander, which is designed as a first inductor 21, with a likewise double-winged second capacitor 32.
  • the value of this capacitor 32 is correspondingly smaller than that of the first capacitor 31, corresponding to the surface of the electrodes 1 1, 12 in this filtering network.
  • the coupling of this second capacitance 32 with a third capacitance 33 likewise takes place via a conductor track structure which forms the second inductance 22.
  • This third capacitance is also once again smaller, corresponding to the area of its electrodes 1 1, 12, than the second capacitance 32.
  • a third inductance 23 in the form of a further conductor meander is provided at the output 42 of the protection circuit 40.
  • the layout of the protective device 1 or the protective circuit 40 is designed in such a way that the low-inductance conductor track structures each have a simulationsoptimier- te line length wherein the filter structure of this input filter is formed from a surface-optimized arrangement of the capacitive surface elements and the conductor tracks.
  • FIG. 2 shows a protective circuit 40 corresponding to the protective device 1 shown in FIG. 1 between the input 41 and the output 42 of the protective circuit 40.
  • the respective other electrodes of the three capacitors are grounded (earthing 16).
  • the interconnects form the low-inductance inductances 21, 22, 23. These can be very accurately predetermined by the layout of the protection device 1.
  • FIG. 3 shows by way of example a sectional view of a multilayer printed circuit board 10 in which a capacitor structure is embedded.
  • the multilayer printed circuit board 10 initially has an approximately 75 ⁇ m thick layer of FR4 substrate 14, which has an approximately 35 ⁇ m thick copper layer 13 on both sides.
  • the upper copper layer 13 is grounded (ground 16).
  • the lower copper layer forms the first electrode 1 1 of the capacitor structure.
  • From this first electrode 1 1 through a dielectric made of a ceramic-PTFE composite material 15th isolated eg Ro3010, 125 ⁇ thick
  • a dielectric layer of the ceramic-PTFE composite material 15 connects again, which isolates the copper layer 13 formed as a second electrode 12 from the grounded copper layer 13 in the middle of the multilayer printed circuit board 10.
  • the formed as a second electrode 12 copper layer 13 is part of a lower layer of FR4 substrate 14, which also has a double-sided copper layer 13 with 35 ⁇ layer thickness, wherein the lowest layer layer structure in the copper layer 13 is connected to the ground (ground 16).
  • FIG. 4 shows, by way of example, in a progression diagram, a transfer function 50 of the filter arrangement from FIG. 1 or the protection circuit 40 from FIG. 2.
  • Shown is a transmission frequency profile 51, in which an output signal intensity 52 is shown as a function of the frequency 53.
  • the output signal strength 52 is given in dB.
  • the scaling of the frequency 53 is also represented logarithmically.
  • a transmission frequency profile 51 is achieved, which runs well above -10 dB above a cutoff frequency of approximately 20 MHz into the range of approximately 10 GHz, which ensures broadband suppression of high-frequency interference pulses.
  • the quality of the filtering is significantly improved, in particular in the case of high-frequency frequency components.
  • FIGS. 5 and 6 show schematically how the transfer function 50 of the protective device 1 illustrated in FIG. 4 can be adapted by means of dimensional adaptation 60 of the capacitance structures with respect to a limit frequency shift 54 (FIG. 5) and / or a bandwidth adjustment 55 (FIG. 6).
  • a limit frequency shift 54 FIG. 5
  • a bandwidth adjustment 55 FIG. 6
  • FIG. 6 schematically shows that by means of a length and / or width adjustment 61, 62 of individual capacitor structures, the protective field Device 1 within the transfer function 50 make band adjustment 55 within individual frequency ranges.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Filters And Equalizers (AREA)
  • Production Of Multi-Layered Print Wiring Board (AREA)
  • Shielding Devices Or Components To Electric Or Magnetic Fields (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zur Verminderung von leitungsgebundenen Störungen, welche eine Schutzschaltung als Eingangsfilter einer elektronischen Schaltung aufweist, wobei die elektronische Schaltung auf einer Mehrschichtleiterplatte aufgebracht oder in diese zumindest teilweise integriert ist, wobei einzelne Komponenten der Schaltung als eingebettete Strukturen in der Mehrschichtleiterplatte ausgeführt sind. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Schutzschaltung aus einer Kaskade von mindestens zwei Kapazitäten gebildet ist, die mit niederinduktiven Leiterbahnstrukturen miteinander gekoppelt sind, wobei die Kapazitäten als eingebettete Kapazitätsstrukturen auf bzw. innerhalb der Mehrschichtleiterplatte ausgebildet sind. Mit dieser Schutzvorrichtung kann ein gegenüber diskret bestückten Schutzfiltern insbesondere bei höheren Frequenzen verbessertes Filterverhalten erreicht werden, was zu einem verbesserten Schutz gegenüber elektrostatischen Störungen führt. Zudem kann einerseits die Filterstruktur simulativ sehr gut auf die erforderliche Störfestigkeit der zu schützenden Schaltung abgestimmt und anderseits ein verbessertes Alterungsverhalten erzielt werden.

Description

Beschreibung Titel
Schutzvorrichtung gegen elektromagnetische Störungen Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung zur Verminderung von leitungsgebundenen Störungen, welche eine Schutzschaltung als Eingangsfilter einer elektronischen Schaltung aufweist, wobei die elektronische Schaltung auf einer Mehrschichtleiterplatte aufgebracht oder in diese zumindest teilweise integriert ist, wobei einzelne Komponenten der Schaltung als eingebettete Strukturen in der Mehrschichtleiterplatte ausgeführt sind.
Leitungsgebundene Störungen, wie beispielsweise elektrostatische Entladungen (ESD) können in elektronischen Baugruppen einkoppeln und diese schädigen. Um diese Schaltungen zu schützen, verwendet man so genannte Abblockstrukturen, die meist aus diskreten Bauelementen aufgebaut sind.
Beispiele dafür sind Varistoren, spannungsabhängige Widerstände, oder Funkenstrecken, die am Anfang des Einkoppelpfades der zu schützenden Schaltung angeordnet sind. Diese sind in der Regel teuer und besitzen zum Teil einen großen Platzbedarf. Bekannt sind darüber hinaus auch SMD-Kondensatoren, die am Eingang der zu schützenden Schaltung platziert sind, die einen Teil der einkoppelnden Impulse auf Masse ableiten. Die Dimensionierung der Kapazität erfolgt nach Erfahrungswerten, was aber in der Praxis häufig zu einer nicht optimalen Auslegung der Schutzbeschal- tung führen kann. Zudem wird ein gewisses Degrationsverhalten, d.h. eine Verringerung der Kapazität durch mehrmalige Impulsbelastung und damit einhergehendem Verlust der Abblockfähigkeit beobachtet. Neben diesem Effekt kann eine parasitäre, serielle Induktivität ein schnelles Abfließen der mit der Impulsflanke einkoppelnden Ladungs- träger verhindern, wodurch die Filtereigenschaften der Anordnung verschlechtert werden. So können insbesondere hochfrequente Anteile des Impulses nach wie vor in die zu schützende Schaltung eindringen.
In der Offenlegungsschrift US 2005/0162790 A1 ist beispielsweise eine ESD- Schutzvorrichtung beschrieben, welche ein Eingangs- und ein Ausgangsterminal aufweist, zwischen dem diverse Schutzfilter angeordnet sind.
Bei mehrlagig aufgebauten Leiterplatten (PCB) sind inzwischen so genannte eingebettete Bauteilstrukturen bekannt, bei denen die Bauteile auf und innerhalb der Leiterplatte integriert sind. Unter anderem können eingebettet Kondensatorstrukturen ausgebildet werden. Einige ΙΕΕΕ-Publikationen beschreiben u.a. derartige eingebettete Kondensatorstrukturen (z.B.„AC coupled backplane communication using embedded capacitor", Bruce Su et al oder„Power-Bus decoupling with embedded capacitance in printed circuit board design", Minjia Xu et al). In der US-Patentschrift 6,351 ,880 B1 wird beispielsweise ein Verfahren zur Herstellung eines in einem mehrlagig aufgebauten Substrats integrierten Kondensatorelementes beschrieben.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schutzvorrichtung bereitzustellen, mit welcher ein verbesserter Schutz gegenüber leitungsgebundenen Störungen, insbesondere bei höheren Frequenzen erzielt sowie eine verbesserte Adaption an die erforderliche Störfestigkeit der zu schützenden Schaltung erreicht werden kann. Oben genannte Nachteile bei herkömmlichen Schutzbeschaltungen sollen zudem vermieden werden.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 bis 8 gelöst.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Schutzschaltung aus einer Kaskade von mindestens zwei Kapazitäten gebildet ist, die mit niederinduktiven Leiterbahnstrukturen miteinander gekoppelt sind, wobei die Kapazitäten als eingebettete Kapazitätsstrukturen auf bzw. innerhalb der Mehrschichtleiterplatte ausgebildet sind. Diese Anordnung ist gegenüber diskret bestückten Schutzbeschaltungen vorteilhaft, da hiermit eine bessere Filtergüte insbesondere bei höheren Frequenzen erzielt werden kann, so dass auch hochfrequente Störanteile jenseits einer Frequenz von 1 GHz abgeblockt werden können. Neben der Dimensionierung der Kapazitäten ist dies insbesondere deshalb möglich, da durch die Ausführung der Kapazitäten als eingebettete Bauelemente eine besonders niederinduktive Ankopplung erreicht werden kann. Ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlichen Schutzbeschaltungen ergibt sich aus der Tatsache, dass keine Degration bei mehrfacher Impulsbelastung verzeichnet wird. Die Einbettung einer derartigen Abblockstruktur in die PCB lässt zudem gegenüber der diskreten Bestückung ein verbessertes Alterungsverhalten erwarten. Weiterhin lassen sich damit kompakte Schaltungen mit geringer Bauhöhe realisieren. Diese Struktur kann für alle möglichen Formen leitungsgebundener Störungen optimiert und eingesetzt werden.
In einer möglichen Ausführungsform ist die Schutzschaltung aus drei hintereinander geschalteten Kapazitäten gebildet, wobei die niederinduktiven Leiterbahnstrukturen jeweils eine simulationsoptimierte Leitungslänge aufweisen. Damit kann eine optimale Filtereigenschaft gegenüber einer Vielzahl von unterschiedlichen Störimpulsformen erzielt werden. Es wird ein Übertragungsfrequenzgang erreicht, der oberhalb einer Grenzfrequenz im zweistelligen MHz-Bereich bis in den Bereich mehrerer GHz deutlich unterhalb -10 dB verläuft.
Im Hinblick auf eine kompakte Baugröße ist es von Vorteil, wenn die Filterstruktur des Eingangsfilters aus einer flächenoptimierten Anordnung aus kapazitiven Flächenelementen und Leiterbahnen gebildet ist.
Um ausreichend große Kapazitätswerte bei minimalem Platzbedarf realisieren zu können, können die in der Mehrschichtleiterplatte eingebetteten Kondensatorstrukturen zur Ausbildung der Kapazitäten in ihrem Schichtaufbau aus einer ersten und einer zweiten Elektrode gebildet werden, die jeweils, durch ein Dielektrikum beabstandet, zu einer zwischen den Elektroden angeordneten geerdeten Leiterschicht isoliert angeordnet sind.
Der anzustrebende minimale Platzbedarf kann insbesondere erzielt werden, wenn das Dielektrikum zwischen den Elektroden und der geerdeten Leiterschicht aus einem Werkstoff mit hohen Dielektrizitätswerten und hoher Isolationsfestigkeit gebildet ist und jeweils eine Schichtdicke von kleiner 150 μηη aufweist. Der Einsatz derartiger besonders dünnen Schichten ermöglicht vergleichsweise große Kapazitätswerte. Als Die- lektrikum eignen sich beispielsweise Keramik-PTFE-Kompositwerkstoffe (z.B. Ro3010 von Rogers Corp.), welches eine Dielektrizitätskonstante εΓ von etwa 10 aufweist und insbesondere im HF-Bereich sehr gute Materialeigenschaften besitzt. Zudem besitzt ein derartiges Material eine gute Verarbeitbarkeit zur Herstellung von Leiterplatten.
Die Dimensionierung der Filterstruktur der Schutzschaltung ist in vorteilhafter Weise mittels eines Netzwerkmodells gebildet, bei dem zunächst mittels einer normierten Störquelle, beispielsweise eine von Menschen verursachte elektrostatische Entladung (z. B. nach dem Human Body Model HBM), eingangsseitig eine ideale Übertragungsfunktion für eine Übertragungsstrecke zu einer Störsenke, in diesem Fall beispielsweise eine zu schützende MOS-FET-Schaltung, ausgangsseitig ermittelt und in einem nächsten Schritt eine analytisch abgeschätzte Filterstruktur als Modell aus eingebetteten Kapazitäten mittels Simulation bestimmt wird. Dabei werden aus der Übertragungsfunktion beispielsweise eines HBM-Impulses die Eckdaten für einen Filter, z.B. die Lage der Grenzfrequenz, bestimmt.
Eine besonders flächenoptimierte Anordnung der Filterstruktur kann erzielt werden, wenn die Dimensionierung der Filterstruktur der Schutzschaltung durch eine Platz sparende Anordnung der Kapazitätsstrukturen sowie unter Nutzung mehrer Lagen und geringer Schichtdicke bestimmt ist.
Diese optimierte Anordnung kann je nach verwendetem Material und der Störfestigkeit der zu schützenden Schaltung gegenüber den übergekoppelten Anteilen modifiziert werden, da die Übertragungsfunktion der Schutzschaltung mittels Dimensionsanpassung der Kapazitätsstrukturen hinsichtlich einer Grenzfrequenzverschiebung und/ oder einer Bandbreitenanpassung adaptierbar ist, wobei die Dimensionsanpassung mittels einer Längen- und/ oder Breitenanpassung einzelner Kondensatoren und/ oder mittels einer Skalierung der Seitenlänge der gesamten Filterstruktur durchführbar ist. Eine Skalierung der Seitenlänge der Filterstruktur zu kleineren Seitenlängen bewirkt beispielsweise eine Erhöhung der Grenzfrequenz und umgekehrt, wobei eine Reduzierung der Seitenlänge um den Faktor 2 in etwa einer Verdopplung der Grenzfrequenz entspricht. Durch die Längen- und/ oder Breitenanpassungen einzelner Kondensatoren können bestimmte Bandfilterabschnitte in der Übertragungsfunktion variiert werden. Damit ist eine optimale Anpassung im Einzelfall möglich, was bei einer diskreten Bestückung einer Schutzschaltung aufgrund der Bauteilstreuung nicht möglich wäre. Eine bevorzugte Verwendung der Schutzvorrichtung, wie sie zuvor beschrieben wurde, sieht den Einsatz in einem Kraftfahrzeug zur Verminderung von elektrostatischen Störungen und/ oder Dämpfung von hochfrequenten Störanteilen an Sensor-, Steuer- und/ oder Daten-Leitungen oder an Antriebssträngen bei Elektro-Kraftfahrzeugen vor. Insbesondere kann es aufgrund der zunehmenden komplexen Steuerungsaufgaben sowie aufgrund der Einführung von Bussystemen zu Problemen mit elektrostatischen Störungen kommen, die mit der Verwendung der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung gelöst oder zumindest deutlich reduziert werden können. Insbesondere Leistungselektroniken können durch Integration derartiger Schutzschaltungen kompakter hinsichtlich der Bauhöhe und störsicherer ausgelegt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 in Aufsicht eine Schutzvorrichtung mit Kapazitäts- und Induktionsstrukturen, Figur 2 eine Schutzschaltung entsprechend der in Figur 1 dargestellten Schutzvorrichtung,
Figur 3 in schematischer Darstellung beispielhaft den Aufbau einer Mehrschichtleiterplatte mit einem eingebetteten Kondensator,
Figur 4 eine Übertragungsfunktion der Schutzvorrichtung und
Figur 5 und Figur 6 jeweils in schematischer Darstellung die Auswirkung von Dimensionsanpassungen der Schutzvorrichtung auf die Übertragungsfunktion.
In Figur 1 ist in Aufsicht eine Schutzvorrichtung 1 mit Kapazitäts- und Induktionsstrukturen 30, 20 dargestellt, welche eine Schutzschaltung 40 ausbildet, wobei die Kapazitätsstruktur 30 erfindungsgemäß als eingebettetes Bauteil in einer Leiterplatte dargestellt ist. In dieser Ansicht sind daher nur die Elektroden 1 1 , 12 der Kapazitätsstrukturen 30 sowie die Leiterbahnen zu erkennen, welche die Kapazitätsstrukturen 30 miteinander koppeln. Die Leiterbahnen bilden dabei Induktivitätsstrukturen 20 aus. In dieser Darstellung nicht dargestellt sind entsprechende Gegenelektroden bzw. Abschirmungen sowie Isolator- bzw. Dielektrikumsschichten. Diese befinden sich als zusätzliche Lagen nicht sichtbar unter und/ oder über der gezeigten Lage. Dargestellt sind im gezeigten Beispiel eine erste Kapazität 31 , die direkt in Signalrichtung betrachtet hinter dem Eingang 41 der Schutzschaltung 40 angeordnet ist und entsprechend der Fläche der Struktur einen vergleichsweise großen Wert annimmt. Diese erste Kapazität 31 besitzt im gezeigten Beispiel zwei gleich große Flächen. Gekoppelt ist diese erste Kapazität 31 über einen Leiterbahnmäander, welcher als erste Induktivität 21 ausgebildet ist, mit einer ebenfalls zweiflügelig ausgebildeten zweiten Kapazität 32. Der Wert dieser Kapazität 32 ist entsprechend der Fläche der Elektroden 1 1 , 12 deutlich geringer als der der ersten Kapazität 31 in diesem Filternetzwerk. Die Kopplung dieser zweiten Kapazität 32 mit einer dritten Kapazität 33 erfolgt ebenfalls über eine Leiterbahnstruktur, welche die zweite Induktivität 22 ausbildet. Diese dritte Kapazität ist ebenfalls nochmals, entsprechend der Fläche ihrer Elektroden 1 1 , 12, kleiner ausgeführt als die zweite Kapazität 32. Zum Ausgang 42 der Schutzschaltung 40 ist eine dritte Induktivität 23 in Form eines weiteren Leiterbahnmäanders vorgesehen.
Das Layout der Schutzvorrichtung 1 bzw. der Schutzschaltung 40 ist dabei derart ausgelegt, dass die niederinduktiven Leiterbahnstrukturen jeweils eine simulationsoptimier- te Leitungslänge aufweisen wobei die Filterstruktur dieses Eingangsfilters aus einer flächenoptimierten Anordnung der kapazitiven Flächenelemente und der Leiterbahnen gebildet ist.
Figur 2 zeigt als elektrisches Ersatzschaltbild eine Schutzschaltung 40 entsprechend der in Figur 1 dargestellten Schutzvorrichtung 1. Zwischen dem Eingang 41 und dem Ausgang 42 der Schutzschaltung 40 befindet sich eine Kaskade von drei Kondensatoren (Kapazitäten 31 , 32, 33), deren jeweils eine Elektrode mit Leiterbahnen gekoppelt sind. Die jeweils anderen Elektroden der drei Kondensatoren liegen auf Masse (Erdung 16). Die Leiterbahnen bilden die niederinduktiven Induktivitäten 21 , 22, 23 aus. Diese können sehr genau durch das Layout der Schutzvorrichtung 1 vorbestimmt werden.
In Figur 3 ist beispielhaft im Schnitt eine Mehrschichtleiterplatte 10 dargestellt in der eine Kondensatorstruktur eingebettet ist. In der Schichtfolge, von oben beginnend, weist die Mehrschichtleiterplatte 10 zunächst eine etwa 75 μηη dicke Schicht aus FR4- Trägermaterial 14 auf, welches beidseitig eine etwa 35 μηη dicke Kupferschicht 13 aufweist. Die obere Kupferschicht 13 liegt auf Masse (Erdung 16). Die untere Kupferschicht bildet die erste Elektrode 1 1 der Kondensatorstruktur aus. Von dieser ersten Elektrode 1 1 durch ein Dielektrikum aus einem Keramik-PTFE-Kompositwerkstoff 15 isoliert (z.B. Ro3010, 125 μηι dick), befindet sich eine weitere etwa 75 μηι dicke Schicht aus FR4-Trägermaterial 14, die ebenfalls eine beidseitige Kupferschicht 13 mit 35 μηη Schichtdicke aufweist. Beide Kupferschichten 13 sind ebenfalls mit der Masse verbunden (Erdung 16). Nach unten schließt sich wieder eine Dielektrikumsschicht aus dem Keramik-PTFE-Kompositwerkstoff 15 an, welche die als zweite Elektrode 12 ausgebildete Kupferschicht 13 von der auf Masse liegenden Kupferschicht 13 in der Mitte der Mehrschichtleiterplatte 10 isoliert. Die als zweite Elektrode 12 ausgebildete Kupferschicht 13 ist Teil einer unteren Schicht aus FR4-Trägermaterial 14, die ebenfalls eine beidseitige Kupferschicht 13 mit 35 μηη Schichtdicke aufweist, wobei die im Schichtaufbau unterste Kupferschicht 13 wieder mit der Masse verbunden ist (Erdung 16).
Geringe Schichtdicken, insbesondere bei den innerhalb der Mehrschichtleiterplatte 10 ausgebildeten Dielektrikumsschichten, sowie die Ausnutzung mehrerer Lagen ermöglichen eine Platz sparende Anordnung der Kapazitätsstrukturen.
Figur 4 zeigt beispielhaft in einem Verlaufsdiagramm eine Übertragungsfunktion 50 der Filteranordnung aus Figur 1 bzw. der Schutzschaltung 40 aus Figur 2. Dargestellt ist ein Übertragungsfrequenzverlauf 51 , bei dem eine Ausgangssignalstärke 52 in Abhängigkeit der Frequenz 53 dargestellt ist. Die Ausgangssignalstärke 52 ist in dB angegeben. Die Skalierung der Frequenz 53 ist ebenfalls logarithmisch dargestellt. Mit der Filteranordnung wird ein Übertragungsfrequenzverlauf 51 erreicht, der oberhalb einer Grenzfrequenz von etwa 20 MHz bis in den Bereich von ca. 10 GHz deutlich unterhalb -10 dB verläuft, was für eine breitbandige Unterdrückung von hochfrequenten Störimpulsen sorgt. Im Vergleich zu diskret aufgebauten Schutzschaltungen 40 ist die Güte der Filterung insbesondere bei hochfrequenten Frequenzanteilen deutlich verbessert.
Die Figuren 5 und 6 zeigen schematisch, wie sich die in Figur 4 dargestellte Übertragungsfunktion 50 der Schutzvorrichtung 1 mittels Dimensionsanpassung 60 der Kapazitätsstrukturen hinsichtlich einer Grenzfrequenzverschiebung 54 (Figur 5) und/ oder einer Bandbreitenanpassung 55 (Figur 6) adaptieren lassen. So lässt sich beispielsweise durch Skalierung der Seitenlänge 63 der gesamten Filterstruktur, wie dies in Figur 5 schematisch dargestellt ist, die Grenzfrequenz verschieben, wobei in etwa eine Halbierung der Seitenlänge 63 der gesamten Filterstruktur eine Grenzfrequenzverdopplung bewirkt. In Figur 6 ist schematisch dargestellt, dass sich mittels einer Längen- und/ oder Breitenanpassung 61 , 62 einzelner Kondensatorstrukturen der Schutz- Vorrichtung 1 innerhalb der Übertragungsfunktion 50 Bandbreitenanpassung 55 innerhalb einzelner Frequenzbereiche vornehmen lassen.

Claims

Ansprüche
1 . Schutzvorrichtung (1 ) zur Verminderung von leitungsgebundenen Störungen, welche eine Schutzschaltung (40) als Eingangsfilter einer elektronischen Schaltung aufweist, wobei die elektronische Schaltung auf einer Mehrschichtleiterplatte (10) aufgebracht oder in diese zumindest teilweise integriert ist, wobei einzelne Komponenten der Schaltung als eingebettete Strukturen in der Mehrschichtleiterplatte (10) ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung (40) aus einer Kaskade von mindestens zwei Kapazitäten (31 , 32, 33) gebildet ist, die mit niederinduktiven Leiterbahnstrukturen miteinander gekoppelt sind, wobei die Kapazitäten (31 , 32, 33) als eingebettete Kapazitätsstrukturen (30) auf bzw. innerhalb der Mehrschichtleiterplatte (10) ausgebildet sind.
2. Schutzvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschaltung (40) aus drei hintereinander geschalteten Kapazitäten (31 , 32, 33) gebildet ist, wobei die niederinduktiven Leiterbahnstrukturen jeweils eine simulationsop- timierte Leitungslänge aufweisen.
3. Schutzvorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterstruktur des Eingangsfilters aus einer flächenoptimierten Anordnung aus kapazitiven Flächenelementen und Leiterbahnen gebildet ist.
4. Schutzvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Mehrschichtleiterplatte (10) eingebetteten Kondensatorstrukturen (30) zur Ausbildung der Kapazitäten (31 , 32, 33) in ihrem Schichtaufbau aus einer ersten und einer zweiten Elektrode (1 1 , 12) gebildet sind, die jeweils durch ein Dielektrikum beabstandet zu einer zwischen den Elektroden (1 1 , 12) angeordneten geerdeten Leiterschicht isoliert angeordnet sind. Schutzvorrichtung (1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum zwischen den Elektroden (1 1 , 12) und der geerdeten Leiterschicht aus einem Werkstoff mit hohen Dielektrizitätswerten und hoher Isolationsfestigkeit gebildet ist und jeweils eine Schichtdicke von kleiner 150 μηη aufweist.
Schutzvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionierung der Filterstruktur der Schutzschaltung (40) mittels eines Netzwerkmodells gebildet ist, bei dem mittels einer normierten Störquelle eingangs- seitig eine ideale Übertragungsfunktion (50) bestimmt wird.
Schutzvorrichtung (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dimensionierung der Filterstruktur der Schutzschaltung (40) durch eine Platz sparende Anordnung der Kapazitätsstrukturen sowie unter Nutzung mehrerer Lagen und geringer Schichtdicke bestimmt ist.
Schutzvorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsfunktion (50) der Schutzschaltung (40) mittels Dimensionsanpassung (60) der Kapazitätsstrukturen (30) hinsichtlich einer Grenzfrequenzverschiebung (54) und/ oder einer Bandbreitenanpassung (55) adaptierbar ist, wobei die Dimensionsanpassung (60) mittels einer Längen- und/ oder Breitenanpassung (61 , 62) einzelner Kondensatoren (31 , 32, 33) und/ oder mittels einer Skalierung der Seitenlänge (63) der gesamten Filterstruktur durchführbar ist.
Verwendung der Schutzvorrichtung (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einem Kraftfahrzeug zur Verminderung von elektrostatischen Störungen und/ oder Dämpfung von hochfrequenten Störanteilen an Sensor-, Steuer- und/ oder Daten- Leitungen oder an Antriebssträngen bei Elektro-Kraftfahrzeugen.
PCT/EP2010/065173 2009-10-14 2010-10-11 Schutzvorrichtung gegen elektromagnetische störungen WO2011045264A2 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2010800464082A CN102550134A (zh) 2009-10-14 2010-10-11 防电磁干扰的保护装置
EP10766268A EP2489246A2 (de) 2009-10-14 2010-10-11 Schutzvorrichtung gegen elektromagnetische störungen
US13/502,164 US20120262829A1 (en) 2009-10-14 2010-10-11 Protection device against electromagnetic interference

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102009045684.8 2009-10-14
DE102009045684A DE102009045684A1 (de) 2009-10-14 2009-10-14 Schutzvorrichtung gegen elektromagnetische Störungen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2011045264A2 true WO2011045264A2 (de) 2011-04-21
WO2011045264A3 WO2011045264A3 (de) 2011-06-23

Family

ID=43357948

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2010/065173 WO2011045264A2 (de) 2009-10-14 2010-10-11 Schutzvorrichtung gegen elektromagnetische störungen

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20120262829A1 (de)
EP (1) EP2489246A2 (de)
CN (1) CN102550134A (de)
DE (1) DE102009045684A1 (de)
WO (1) WO2011045264A2 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9584964B2 (en) 2014-12-22 2017-02-28 Airwatch Llc Enforcement of proximity based policies

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6351880B1 (en) 1998-04-28 2002-03-05 Harris Corporation Method of forming multi-chip module having an integral capacitor element
US20050162790A1 (en) 2004-01-28 2005-07-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Electrostatic discharge protection circuit

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3232562B2 (ja) * 1999-10-22 2001-11-26 日本電気株式会社 電磁干渉抑制部品および電磁干渉抑制回路
US7810577B2 (en) * 2005-08-30 2010-10-12 Federal Express Corporation Fire sensor, fire detection system, fire suppression system, and combinations thereof
KR100955948B1 (ko) * 2007-12-21 2010-05-03 삼성전기주식회사 다중대역 송신단 모듈 및 이의 제조 방법
US7724117B2 (en) * 2008-01-11 2010-05-25 Northrop Grumman Systems Corporation Multilayer passive circuit topology

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6351880B1 (en) 1998-04-28 2002-03-05 Harris Corporation Method of forming multi-chip module having an integral capacitor element
US20050162790A1 (en) 2004-01-28 2005-07-28 Kabushiki Kaisha Toshiba Electrostatic discharge protection circuit

Also Published As

Publication number Publication date
US20120262829A1 (en) 2012-10-18
WO2011045264A3 (de) 2011-06-23
EP2489246A2 (de) 2012-08-22
DE102009045684A1 (de) 2011-04-21
CN102550134A (zh) 2012-07-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60005342T2 (de) Verfahren und vorrichtung zur reduzierung von resonanzen und rauschübertragung in leistungsverteilungsschaltungen unter verwendung von flachen leitern
EP2201585B1 (de) Elektrisches vielschichtbauelement
DE69733792T2 (de) Vielschichtkondensator
DE102005025680A1 (de) Kombinierte Varistor- und LC-Filter-Vorrichtung
DE102013100286B3 (de) Breitbandiges Filter in Abzweigtechnik
DE60217762T2 (de) Laminiertes Filter, integrierte Vorrichtung und Kommunikationsgerät
WO2008135466A1 (de) Elektrisches vielschichtbauelement mit elektrisch nicht kontaktierter abschirmstruktur
DE112019006358T5 (de) Hochfrequenzmehrschichtfilter
DE112019006353T5 (de) Mehrschichtfilter mit einem kondensator; der mit mindestens zwei durchkontaktierungen verbunden ist
EP2609796B1 (de) Mehrebenenleiterplatte für hochfrequenz-anwendungen
DE112019006351T5 (de) Mehrschichtfilter, umfassend eine durchkontaktierung mit geringer induktivität
DE112019006352T5 (de) Mehrschichtfilter, umfassend einen rückführsignalreduzierungsvorsprung
DE112019006334T5 (de) Mehrschicht-elektronikvorrichtung mit einem kondensator mit einer präzise geregelten kapazitiven fläche
DE112019006378T5 (de) Mehrschicht-elektronikvorrichtung mit einem hochpräzisen induktor
DE212021000381U1 (de) Filterschaltung und Leistungsversorgungsvorrichtung einschliesslich derselben
WO2009127655A1 (de) Vielschichtbauelement
DE3937183A1 (de) Verfahren zu stoerstrahlungsdaempfung an leiterplatten
DE102008004470A1 (de) Elektrische Schaltungsanordnung mit konzentrierten Elementen in Mehrlagensubstraten
EP2489246A2 (de) Schutzvorrichtung gegen elektromagnetische störungen
EP2526613B1 (de) Elektronikvorrichtung und herstellungsverfahren für eine elektronikvorrichtung
DE102006031037B3 (de) Verfahren zur Abschirmung einer elektronischen Schaltung gegenüber elektromagnetischer Strahlung und entsprechend ausgestaltete Schaltung
DE102020133161A1 (de) Drosselmodul und Verfahren zur Herstellung eines Drosselmoduls
EP1744363B1 (de) Monolithisch integrierte Schaltung mit integrierter Entstörvorrichtung
DE10255475A1 (de) Entkopplungsmodul zum Auskoppeln hochfrequenter Signale aus einer mit einer Induktivität behafteten Spannungsversorgungsleitung
DE3029697C2 (de)

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 201080046408.2

Country of ref document: CN

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2010766268

Country of ref document: EP

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 10766268

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13502164

Country of ref document: US