DE102020133161A1

DE102020133161A1 - Drosselmodul und Verfahren zur Herstellung eines Drosselmoduls

Info

Publication number: DE102020133161A1
Application number: DE102020133161.4A
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Nishizawa; Martin Lauersdorf; Michael Rottner
Original assignee: Tdk Europe GmbH; TDK Electronics AG
Current assignee: Tdk Europe GmbH; TDK Electronics AG
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2020-12-11
Publication date: 2022-06-15
Also published as: US20240087788A1; WO2022123034A1

Abstract

Drosselmodul (1) umfassend eine Drossel (2), die einen Magnetkern (4) und mindestens eine Wicklung (5, 6) aufweist, und einen Träger (18), der eine Kondensatorplatte (3) aufweist, die mindestens eine erste Elektrodenschicht (29), mindestens eine zweite Elektrodenschicht (30) und mindestens eine dielektrische Schicht (11) aufweist, wobei die Drossel (2) auf der Kondensatorplatte (3) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drosselmodul, insbesondere ein EMV-Filtermodul zur Reduzierung von elektromagnetischen Rauschstörungen. Das Drosselmodul kann eine Gleichtaktdrossel aufweisen. Eine solche Gleichtaktdrossel weist zwei oder mehr Wicklungen um einen Magnetkern auf. Die Wicklungen können metallische Drähte umfassen. Das Material der Drähte, des Kerns und die Anzahl der Windungen bestimmen elektrische Parameter wie Induktivität, Verluste und EMV-Störungsdämpfung. Im Allgemeinen führt eine Erhöhung der Windungszahl in den Wicklungen zu einer Verbesserung der Eigenschaften der Rauschdämpfung, zumindest in niedrigen Frequenzbereichen. Allerdings wird die Rauschdämpfung in Hochfrequenzbereichen von z. B. 10 MHz bis 1000 MHz durch parasitäre Kapazitätseffekte zwischen den Wicklungen vermindert. Diese parasitären Kapazitätseffekte steigen proportional mit der Anzahl der Windungen in den Wicklungen und mit zunehmender Frequenz.
EMV-Filter (EMV: Elektromagnetische Verträglichkeit) werden häufig zur Reduzierung von Störungen in elektrischen und elektronischen Produkten, leistungselektronischen Produkten wie Wechselrichtern und DC-DC-Wandlern eingesetzt. In EMV-Filtern wird eine Gleichtaktdrossel elektrisch mit passiven Bauelementen verbunden, die je nach den Frequenzeigenschaften der passiven Bauelemente Induktivität, Kapazität, Widerstand und Kombinationen davon bereitstellen, um ein Optimum und Maximum an Filterwirkung und Dämpfung des EMV-Störpegels zu erreichen. Anwendungsgebiete sind der Kraftfahrzeug-Bereich, insbesondere autonome Fahrsysteme mit Niederspannungskomponenten und alle Formen von Elektrofahrzeugen (xEV) mit Hochspannungskomponenten, Industrieprodukte und der Bereich der Endverbraucher-Produkte. EMV-Filterdrosseln werden üblicherweise in einem EMV-Filterkreis mit einem oder mehreren Kondensatoren verbunden, um die Dämpfungseigenschaften bei hoher Frequenz zu verbessern.
Es ist bekannt, diskrete Kondensatorbauteile neben der Drossel auf einer Leiterplatte zu montieren. Weiterhin offenbart die US 10,644,588 B2 ein EMV-Filtermodul, bei dem eine Drossel zwischen zwei Montageplatten angeordnet ist, wobei auf den Montageplatten Kondensatoren angeordnet sind. Die Montageplatten sind senkrecht zu einer Hauptplatine angeordnet und elektrisch mit der Hauptplatine verbunden. JP 2006-238310 A offenbart eine Gleichtaktdrossel, in der eine Induktivität und Kondensatoren integriert ausgebildet sind. JP 2019-198033 offenbart eine Gleichtaktdrossel, die mit einem Folienkondensator verbaut ist.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Drosselmodul bereitzustellen.
In einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Drosselmodul, das eine Drossel und einen Träger, auf dem die Drossel angeordnet ist, aufweist. Die Drossel kann einen Magnetkern und zumindest eine Wicklung aufweisen. Insbesondere kann die Drossel zwei oder mehr Wicklungen aufweisen. Die Drossel kann eine Gleichtaktdrossel zur Reduzierung von elektromagnetischen Rauschstörungen sein.
Der Träger weist eine Kondensatorplatte auf, die zumindest eine erste Elektrodenschicht, zumindest eine zweite Elektrodenschicht und zumindest eine zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht angeordnete dielektrische Schicht aufweist. Die Schichten sind übereinander angeordnet. Insbesondere sind die Schichten in einer Längsrichtung gestapelt. Die Längsrichtung kann die gleiche Richtung sein wie die Montagerichtung der Drosselanordnung auf einer Leiterplatte.
Die Drossel ist auf der Kondensatorplatte angeordnet. Die Kondensatorplatte kann durch eine Leiterplatte gebildet sein. Die Kondensatorplatte kann z. B. durch eine FR4-Platte, eine flexible Platte oder eine bei niedriger Temperatur gemeinsam gebrannte Keramikplatte (Englisch: „Low Temperature Cofired Ceramic“) ausgebildet sein, die auf glasverstärktem Epoxidlaminat, Kunststoff bzw. Keramik basieren.
Die erste und die zweite Elektrodenschicht können durch Siebdruck auf der isolierenden dielektrischen Schicht und/oder durch Ätzen einer metallischen Schicht, wie z. B. einer Kupferschicht, die sich auf der isolierenden dielektrischen Schicht befindet, ausgebildet werden. Die erste und die zweite Elektrode können Kupfer umfassen oder aus Kupfer bestehen.
Der Träger und die Kondensatorplatte können insgesamt die Form einer Platte haben. Eine Platte hat im Allgemeinen eine geringe Dicke und sehr viel größere seitliche Abmessungen. Beispielsweise kann die kleinste seitliche Abmessung mindestens fünfmal so groß sein wie die Dicke der Platte.
Das Drosselmodul kann dazu eingerichtet sein, auf einer Leiterplatte derart montiert zu werden, dass die Hauptflächen der Kondensatorplatte und der Leiterplatte parallel zueinander sind. Eine Montagerichtung ist senkrecht zur Hauptfläche der Leiterplatte.
Die Kondensatorplatte kann einen oder mehrere Kondensatoren aufweisen, die mit der Drossel zwischen einer Eingangsleitung und Masse und/oder einer Ausgangsleitung und Masse verbunden sind. Insbesondere kann die Filterschaltung eine sogenannte π-Filterschaltung sein.
Das Drosselmodul mit der integrierten Kondensatorplatte kann eine hohe Dämpfung in Funkbändern, z. B. in einem Frequenzbereich von 1 bis 1000 MHz, bereitstellen. Darüber hinaus verbessert die Anpassung des Kapazitätswertes durch Anpassung der Fläche und Anzahl der Schichten der Kondensatorplatte die Dämpfung in bestimmten Frequenzbereichen im Bereich von 1 bis 1000 MHz. Darüber hinaus kann mit der Kondensatorplatte ein geringer Gleichstromwiderstand und eine geringe Induktivität erreicht werden. Dies hat Vorteile für die Rauschverminderung in hohen Frequenzbereichen im Vergleich zu diskreten Kondensatoren wie Folien- und Keramikkondensatoren, die höhere Gleichstromwiderstands- und Induktivitätswerte aufweisen, als sie in Standard-EMV-Filtern üblich sind.
Die erste Elektrodenschicht der Kondensatorplatte kann mehrere erste Elektroden aufweisen, die nicht elektrisch miteinander verbunden sind. Die ersten Elektroden können mit den Eingangs- und/oder Ausgangsenden einer Drosselwicklung elektrisch verbunden sein. Die Drahtenden können direkt elektrisch mit den ersten Elektroden verbunden sein oder durch eine zusätzliche Verdrahtung mit den ersten Elektroden verbunden werden. Anschlüsse können sich von den ersten Elektroden nach unten erstrecken.
Die zweite Elektrodenschicht kann eine einzelne Elektrode aufweisen. Die zweite Elektrodenschicht kann für eine Verbindung mit Masse eingerichtet sein. Beispielsweise kann sich ein Anschluss von der zweiten Elektrodenschicht nach unten erstrecken. Bei dem Anschluss kann es sich um einen stiftförmigen Anschluss handeln.
Die dielektrische Schicht zwischen der ersten und zweiten Elektrodenschicht kann eine durchgehende, einzelne dielektrische Schicht sein. Gemäß dieser Vorgehensweise werden mehrere Kondensatoren dadurch ausgebildet, dass die getrennten ersten Elektroden mit einer gemeinsamen dielektrischen Schicht und einer gemeinsamen zweiten Elektrodenschicht zusammenwirken.
Das Drosselmodul kann zur Anordnung auf einer weiteren Leiterplatte, z. B. einer Hauptplatine, ausgebildet sein. Auf der Leiterplatte können weitere passive und/oder aktive Komponenten und/oder Module angeordnet sein. Die Anschlüsse, die mit der ersten und zweiten Elektrode verbunden sind, können zur Verlötung an die weitere Leiterplatte ausgebildet sein. Die Anschlüsse können z. B. durch Durchsteckmontage befestigt werden.
Durch eine solche Anordnung kann eine Miniaturisierung des Filters erreicht werden. Insbesondere umfasst das Drosselmodul die Kondensatorplatte als vormontiertes Teil. Durch die Anordnung der Drossel auf der Kondensatorplatte vergrößern sich die seitlichen Abmessungen der Drosselanordnung nicht im Vergleich zu bekannten Drosselanordnungen, bei denen eine Drossel auf einer Befestigungsplatte angeordnet ist. Somit wird kein zusätzlicher Platz für einen Kondensator auf einer Leiterplatte benötigt und somit eine Miniaturisierung erreicht.
Die Fläche des Trägers kann beispielsweise nicht größer sein als das Zehnfache der Fläche der Drossel in der Ansicht auf eine Hauptfläche des Trägers. Beispielsweise kann die Fläche nicht größer sein als das Zweifache der Fläche der Drossel. Zusätzlich oder alternativ kann die seitliche Abmessung der Oberfläche des Trägers in einer beliebigen Richtung nicht größer sein als das Zehnfache der seitlichen Abmessung der Drossel in der gleichen Richtung in einer Ansicht auf eine Hauptfläche des Trägers. Als Beispiel können die seitlichen Abmessungen nicht größer als das Zweifache sein. Der Träger kann lediglich zum Tragen der Drossel bereitgestellt sein, jedoch keine weiteren elektrischen Komponenten tragen.
In einer Ausführungsform kann das Kondensatormodul frei von einer zusätzlichen Trägerplatte zwischen der Drossel und der Kondensatorplatte sein. In diesem Fall kann die Drossel direkt an der Kondensatorplatte befestigt sein. Es ist auch möglich, dass der Träger ein Befestigungselement aufweist, das die Drossel auf der Kondensatorplatte fixiert. So kann die Kondensatorplatte eine herkömmliche Trägerplatte ersetzen, die die Drossel trägt.
In einer Ausführungsform kann der Träger eine zusätzliche Trägerplatte aufweisen, die zwischen der Kondensatorplatte und der Drossel angeordnet ist. Die Trägerplatte kann ein Kunststoffmaterial aufweisen. Die Trägerplatte kann keine elektrische Funktion haben, sondern lediglich die Drossel tragen. Die Kondensatorplatte kann z. B. durch Kleben an der Trägerplatte befestigt werden. In einer solchen Ausführungsform kann eine Drossel, die von einem Kunststoffträger getragen wird, mit einer Kondensatorplatte nachgerüstet werden.
Die Eingangs- und Ausgangsenden der Drosselwicklungen können durch die Trägerplatte geführt sein. Die Trägerplatte kann alternativ integrierte Anschlüsse aufweisen, die mit den Eingangs- und Ausgangsenden verbunden sind. Die Anschlüsse können durch Löcher in der Kondensatorplatte geführt werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung spezifiziert eine Verwendung des Drosselmoduls, die in den vorangehenden Ausführungen beschrieben ist. Insbesondere wird das Drosselmodul zur Reduzierung von elektromagnetischen Rauschstörungen eingesetzt. Das Drosselmodul kann als Gleichtaktdrosselmodul verwendet werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung des oben beschriebenen Drosselmoduls. In dem Verfahren wird eine Drossel und eine Kondensatorplatte bereitgestellt und die Drossel wird auf der Kondensatorplatte angeordnet. In einer Ausführungsform kann die Drossel auf einer Trägerplatte angeordnet sein und die Kondensatorplatte kann auf einer Unterseite der Trägerplatte angeordnet sein. Die Unterseite liegt einer Oberseite, auf der die Drossel angeordnet ist, gegenüber.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Anordnung, die das oben beschriebene Drosselmodul und eine Leiterplatte aufweist, wobei das Drosselmodul auf der Leiterplatte montiert ist. In diesem Fall sind die Hauptflächen der Kondensatorplatte und der Leiterplatte parallel zueinander angeordnet. Anschlüsse des Drosselmoduls können z. B. in Durchstecktechnik an Pads der Leiterplatte fixiert werden. Es ist auch möglich, eine zweite Elektrodenschicht an der Unterseite des Drosselmoduls direkt an Pads der Leiterplatte zu löten.
Die vorliegende Offenbarung umfasst mehrere Aspekte der Erfindung. Jedes Merkmal, das in Bezug auf einen der Aspekte beschrieben wird, ist hier auch in Bezug auf den anderen Aspekt offenbart, auch wenn das jeweilige Merkmal nicht explizit im Zusammenhang mit dem spezifischen Aspekt erwähnt wird.
Weitere Merkmale, Verfeinerungen und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Figuren.

1 zeigt eine Ausführungsform eines Drosselmoduls in einer schematischen Seitenansicht,
2A zeigt eine Ausführungsform einer Kondensatorplatte eines Drosselmoduls in einer Ansicht von oben,
2B zeigt die Kondensatorplatte aus 2A in einer Ansicht von unten,
3 zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform eines Drosselmoduls,
4 zeigt eine Kondensatorplatte mit einer einzelnen dielektrischen Schicht in einer Schnittansicht,
5 zeigt eine Kondensatorplatte mit drei dielektrischen Schichten in einer Schnittansicht,
6 zeigt Diagramme eines Absolutwertes der Impedanz über der Frequenz für verschiedene Kondensatorplatten,
7 zeigt Diagramme der Dämpfung über der Frequenz für verschiedene Kondensatorplatten,
8 zeigt eine Ausführungsform eines Aufbaus aus einem Drosselmodul und einer Leiterplatte in einer schematischen Seitenansicht,
9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Drosselmoduls in einer schematischen Seitenansicht.

In den Figuren können Elemente mit gleichem Aufbau und/oder gleicher Funktionalität mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sein. Es versteht sich, dass die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen illustrativ und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind.
1 zeigt eine Ausführungsform eines Drosselmoduls 1, das eine Drossel 2 aufweist, die auf einem Träger 18 angeordnet ist. Der Träger ist als Kondensatorplatte 3 ausgebildet.
Bei der Drossel 2 handelt es sich um eine Gleichtaktdrossel zur Reduzierung von z. B. elektromagnetischen Rauschstörungen. Insbesondere dient die Drossel 2 als Filter zum Bereitstellen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) .
Die Drossel 2 weist einen Magnetkern 4 und zwei Wicklungen 5, 6 auf dem Kern 4 auf. Jede der Wicklungen 5, 6 hat ein Eingangsende 7, 8 und ein Ausgangsende 9, 10. Das Eingangssignal wird an den Eingangsenden 7, 8 bereitgestellt und das gefilterte Ausgangssignal wird an den Ausgangsenden 9, 10 bereitgestellt. Die Anschlüsse 21-24 können mit den Eingangsenden 7-10 verbunden werden. Die Anschlüsse 21-24 können stiftförmig sein und z.B. durch Durchsteckmontage an einer Leiterplatte befestigt werden. Ein weiterer Anschluss 19 kann zur Verbindung mit Masse eingerichtet sein.
Die Kondensatorplatte 3 trägt die Drossel 2. Der Kern 4 oder die Wicklungen 5, 6 können z. B. direkt auf der Kondensatorplatte 3 angeordnet sein. Die Drossel 2 kann zusätzlich oder alternativ auf der Kondensatorplatte 3 dadurch abgestützt werden, indem die Enden 7-10 der Wicklungen 5, 6 an der Kondensatorplatte 3 befestigt werden.
Die seitlichen Abmessungen der Kondensatorplatte 3 sind nicht wesentlich größer als die seitlichen Abmessungen der Drossel 2. Die Dicke der Kondensatorplatte 3 ist deutlich kleiner als die Länge und Breite der Kondensatorplatte 3.
Ein Befestigungselement 27 kann die Drossel 2 an der Kondensatorplatte 3 befestigen. Das Befestigungselement 27 kann z. B. durch Einrasten an der Kondensatorplatte 3 befestigt sein. Das Befestigungselement 27 kann auch ein integraler Bestandteil der Kondensatorplatte 3 sein. Die Drossel 2 kann z. B. durch Einrasten an dem Befestigungselement 27 befestigt sein.
Die Kondensatorplatte 3 hat nicht nur eine Stützfunktion, sondern auch eine Kondensatorfunktion. Insbesondere weist die Kondensatorplatte 3 eine dielektrische Schicht 11 auf, die zwischen einer ersten Elektrodenschicht 29 und einer zweiten Elektrodenschicht 30 angeordnet ist. Die dielektrische Schicht 11 und die Elektroden 12-16 bilden einen oder mehrere Kondensatoren aus. Die erste Elektrodenschicht 29 kann mehrere separate Elektroden 12, 13, 14, 15 aufweisen und die zweite Elektrodenschicht kann eine einzige zweite Elektrode 16 umfassen (siehe 2A, 2B).
Die dielektrische Schicht 11 kann ein Kunststoffmaterial aufweisen oder daraus bestehen. Die dielektrische Schicht 11 kann ein Epoxidharz aufweisen oder daraus bestehen. Insbesondere kann die dielektrische Schicht 11 ein FR4-Material aufweisen oder daraus bestehen. Bei der Kondensatorplatte 3 kann es sich um eine Leiterplatte handeln.
Die Elektroden 12-16 können leitende Platten sein, die an der dielektrischen Schicht 11 befestigt sind. Die Elektroden 12-16 können auch durch Siebdruck- und/oder galvanische Verfahren auf die dielektrische Schicht 11 aufgebracht sein. Die Elektroden 12-16 können Kupfer umfassen oder daraus bestehen.
In dem gezeigten Drosselmodul 1 ist die Drossel 2 vertikal montiert. In anderen Ausführungsformen kann die Drossel 2 auch horizontal montiert sein.
2A zeigt eine Kondensatorplatte 3 in einer Ansicht von oben und 2B zeigt die Kondensatorplatte 3 in einer Ansicht von unten. Die Kondensatorplatte 3 kann die in 1 gezeigte Kondensatorplatte 3 sein.
Wie in 2A zu sehen ist, weist die erste Elektrodenschicht 29 vier erste Elektroden 12-15 auf, die als vier separate Bereiche auf der Oberseite der dielektrischen Schicht 11 ausgebildet sind. Insbesondere hat jede der ersten Elektroden 12-15 eine rechteckige, insbesondere quadratische, Form. Die Form kann auch kreisförmig sein, um die hochfrequente Rauschunterdrückung in Funkbandbereichen zu verbessern. Insbesondere kann die Form des gesamten Trägers 18 und der Kondensatorplatte 3 kreisförmig sein. In diesem Fall ist auch die Form der ersten und zweiten Elektrodenschicht 29, 30 und der dielektrischen Schicht 11 kreisförmig. Die ersten Elektroden 12-15 können die Form von Viertelkreisen haben. Außerdem können die Gesamtfläche der vier Elektroden 12-15 und die Abstände zwischen den vier Elektroden 12-15 kleiner sein als bei der einzelnen zweiten Schicht 16 in 2B. Dadurch wird die Rauschunterdrückung in den hohen Frequenzbereichen verbessert. Die ersten Elektroden 12-15 sind als zwei Reihen und zwei Spalten auf der dielektrischen Schicht 11 angeordnet.
Jede der Eingangs- und Ausgangsenden 7-10 ist elektrisch mit einer der ersten Elektroden 12-15 verbunden. Insbesondere sind die Eingangsenden 7, 8 mit benachbarten ersten Elektroden 12, 13 in einer ersten Reihe verbunden. Die Ausgangsenden 9, 10 sind in einer zweiten Reihe mit benachbarten ersten Elektroden 14, 15 verbunden. Abhängig von der Anzahl der Eingangs- und Ausgangsenden 7-10 kann die Anzahl der ersten Elektroden 12-15 anders sein. Je nach Beschaltung ist es auch möglich, mehrere Eingangs- und Ausgangsenden mit derselben ersten Elektrode zu verbinden. Insgesamt bilden die ersten Elektroden 12-15 das Aufstandsflächenmuster (Englisch: footprint pattern) der Kondensatorplatte 3, passend zu den Eingangsenden 7, 8 und Ausgangsenden 9, 10 der Drossel 2. Mit anderen Worten, die Kondensatorplatte 3 ist ein „Footprint“-Plattenkondensator.
Die ersten Elektroden 12-15 bedecken die Oberseite der dielektrischen Schicht 11 fast vollständig, abgesehen von den isolierenden Zwischenräumen zwischen den ersten Elektroden 12-15 und kleinen isolierenden Bereichen an den seitlichen Rändern der Oberseite. Die ersten Elektroden 12-15 können sich auch bis zu den äußersten Rändern der Oberseite erstrecken, so dass die isolierenden Bereiche an den seitlichen Rändern möglicherweise nicht vorhanden sind.
Wie in 2B zu sehen ist, weist die zweite Elektrodenschicht 30 eine einzige zweite Elektrode 16 mit einer rechteckigen, insbesondere quadratischen, Form auf. Die zweite Elektrode 16 bedeckt fast die gesamte Unterseite der dielektrischen Schicht 11, abgesehen von kleinen isolierenden Bereichen an den seitlichen Rändern der Unterseite. Die zweite Elektrode 16 kann sich auch bis zu den äußersten Rändern der Unterseite erstrecken, so dass die isolierenden Bereiche an den seitlichen Rändern nicht vorhanden sein müssen.
Die Kondensatorplatte 3 kann eine andere Form als die gezeigte rechteckige Form haben. Beispielsweise kann die Kondensatorplatte 3 eine kreisförmige Form haben. Die Formen der Elektroden 12-16 sind an die Form der Kondensatorplatte 3 angepasst.
Die zweite Elektrode 16 kann mit Masse verbunden sein. Insbesondere kann die zweite Elektrode 16 über einen Stift oder einen elektrischen Draht z. B. mit einem Massekontakt einer Leiterplatte verbunden sein. Die zweite Elektrode 16 kann auch direkt mit der Leiterplatte verbunden sein, insbesondere mit einem Massepad der Leiterplatte.
Die Kapazitätswerte der durch die Kondensatorplatte 3 ausgebildeten Kondensatoren können durch Variation der Fläche der dielektrischen Schicht und/oder der Flächen der Elektroden 12-16 variiert werden. Weiterhin kann die Kondensatorplatte 3 eine mehrlagige Konfiguration aufweisen. In diesem Fall kann die Kondensatorplatte 3 mehrere übereinander angeordnete Schichten von dielektrischen Schichten und Elektrodenschichten aufweisen.
Die Außenabmessungen des Drosselmoduls können ähnlich sein wie die Außenabmessungen eines Drosselmoduls, das eine übliche Trägerplatte aufweist. Das Ersetzen der Trägerplatte durch die gezeigte Kondensatorplatte 3 mit Kondensatorfunktionalität führt also nicht zu einer Vergrößerung des Drosselmoduls.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Filterschaltung 20. Insbesondere kann das Drosselmodul 1 der 1 gemäß der Filterschaltung 20 verbunden werden.
Die Eingangsenden 7, 8 sind über eine von den Wicklungen 5, 6 bereitgestellte Induktivität L1, L2 mit den Ausgangsenden 9, 10 verbunden. Vier Kondensatoren C1, C2, C3, C4 werden durch die ersten Elektroden 12-15, die dielektrische Schicht 11 und die zweite Elektrode 16 bereitgestellt. Die ersten Kondensatoren C1, C2 sind eingangsseitig zwischen einer Eingangsleitung und Masse verbunden. Die zweiten Kondensatoren C3, C4 sind ausgangsseitig zwischen einer Ausgangsleitung und Masse verbunden. Solche Kondensatoren, die zwischen Eingangs- oder Ausgangsleitung und Masse verbunden sind, werden als Y-Kondensatoren bezeichnet.
Die dargestellte Filterschaltung 20 ist eine π-Filterschaltung für jede der Leitungen. Die Drossel 2 und die Kondensatorplatte 3 können jedoch auch zu einer anderen Schaltung verbunden sein.
Die 4 und 5 zeigen Querschnittsansichten von Kondensatorplatten 3 mit unterschiedlichem Schichtaufbau und deren elektrische Verbindungsstrukturen.
4 zeigt eine Kondensatorplatte 3 mit einer einzelnen dielektrischen Schicht 11. Die ersten Anschlüsse 21, 22, bei denen es sich um die Eingangsenden 7, 8 des ersten bzw. zweiten Wickels 5, 6 oder um einen mit den Eingangsenden 7, 8 elektrisch verbundenen Stift- oder Durchkontaktierungsanschluss handeln kann, stehen in elektrischem Kontakt mit den ersten Elektroden 12, 13 und erstrecken sich nach unten durch die zweite Elektrode 16 hindurch, wobei sie von der zweiten Elektrode 16 isoliert sind. Die untere Schicht 30 kann von einer dielektrischen Schicht oder einem anderen Isoliermaterial bedeckt sein, um eine elektrische Isolierung bereitzustellen. Auch die oberste Elektrodenschicht 29 kann mit einer dielektrischen Schicht oder einem anderen Isolationsmaterial bedeckt sein.
Für die in dieser Ansicht nicht sichtbaren Ausgangsanschlüsse 23, 24 gilt eine entsprechende Anschlussstruktur. Die Ausgangsanschlüsse 23, 24 sind mit den Ausgangsenden 9, 10 der Wicklungen 5, 6 und den ersten Elektroden 14, 15 und der zweiten Elektrode 16 verbunden oder darin integriert.
Ein Masseanschluss 19 ist elektrisch mit der zweiten Elektrode 16 verbunden und erstreckt sich nach unten.
5 zeigt eine Kondensatorplatte 3 mit vier Elektrodenschichten 29, 30 und drei zwischen den Elektrodenschichten angeordneten dielektrischen Schichten 11. Insbesondere sind die Elektrodenschichten 29, 30 abwechselnd als erste Elektroden 29 und zweite Elektroden 30 ausgebildet. Die ersten Anschlüsse 21, 22 stehen in elektrischem Kontakt mit den ersten Elektroden 12, 13 und erstrecken sich nach unten durch die zweiten Elektroden 16 hindurch, wobei sie von den zweiten Elektroden 16 isoliert sind. Eine entsprechende Anschlussstruktur gilt für die in dieser Ansicht nicht sichtbaren Ausgangsanschlüsse 23, 24.
Ein Masseanschluss 19 ist mit der zweiten Elektrode 16 elektrisch verbunden und erstreckt sich nach unten.
Die Kondensatorplatte 3 kann mehrere dielektrische Schichten 11 und Elektrodenschichten 12-16 aufweisen. Beispielsweise kann eine Kondensatorplatte 3 fünf dielektrische Schichten 11 und sechs Elektrodenschichten 29, 30 aufweisen.
6 zeigt Diagramme der Absolutwerte der Impedanz |Z| über der Frequenz f für Drosselanordnungen 1 ähnlich der Ausführungsform der 1, für Kondensatorplatten 3 mit zwei Elektrodenschichten 12-16 (Kurve |Z|₂), vier Elektrodenschichten 12-16 (Kurve |Z|₄) bzw. sechs Elektrodenschichten (Kurve |Z|₆). Die Diagramme resultieren aus Simulationen, bei denen die Eingangsenden 7, 8 elektrisch miteinander verbunden sind und die Ausgangsenden 9, 10 elektrisch miteinander verbunden sind.
Jede der dielektrischen Schichten 11 hat eine Dicke von 0,3 mm. Die dielektrischen Schichten 11 und die Elektrodenschichten 29, 30 sind Leiterplatten vom Typ FR4.
Die Simulation ergibt folgende Werte für Kapazität C, Induktivität L und Widerstand R in einem Ersatzschaltbild bei einer Frequenz von 1 MHz:

- Zwei Elektrodenschichten: C=79 pF, L=0,8 nH, R=110 mOhm, |Z|=2009,30 Ohm; Resonanzfrequenz bei 620 MHz
- vier Elektrodenschichten: C=234 pF, L=1,37 nH, R=75 mOhm, |Z|=680,43 Ohm; Resonanzfrequenz bei 281 MHz
- sechs Elektrodenschichten: C=388 pF, L=1,65 nH, R=75 mOhm, |Z|=409,44 Ohm; Resonanzfrequenz bei 190 MHz

Die Drosselmodule 1 weisen somit einen geringen Gleichstromwiderstand und eine geringe Induktivität auf. Zusätzliche diskrete Y-Kondensatoren für hohe Frequenzen sind nicht erforderlich.
7 zeigt Diagramme der Dämpfung A über der Frequenz f für Drosselanordnungen 1 ähnlich der Ausführungsform von 1 für Kondensatorplatten 3 mit zwei Elektrodenschichten 12-16 (Kurve A₂), vier Elektrodenschichten 12-16 (Kurve A₄) bzw. sechs Elektrodenschichten (Kurve A₆). Die Kurven ergeben sich aus einer Simulation mit den gleichen Parametern wie für 6. Als Vergleichsbeispiel ist auch die Dämpfung A₀ für ein Drosselmodul ohne Kondensatorplatte dargestellt.
Wie deutlich zu erkennen ist, steigt bei hohen Frequenzen der Absolutwert der Dämpfung mit zunehmender Anzahl der Elektrodenschichten 29, 30.
Die Simulation ergibt folgende Werte für die Dämpfung bei einer Frequenz von 300 MHz:

- ohne Kondensatorplatte: A₀ = -6,93 dB

- mit zwei Elektrodenschichten: A₂ = -38,81 dB

- vier Elektrodenschichten: A₄ = -57,62 dB

- sechs Elektrodenschichten: A₆ = -68,47 dB
Generell kann eine hohe Dämpfung in Funkbandbereichen erreicht werden. Die Simulationsergebnisse der 6 und 7 wurden durch vergleichende Messungen bestätigt.
8 zeigt eine Anordnung 25 aus einem Drosselmodul 1 und einer Leiterplatte 26, z. B. einer Hauptplatine. Die Leiterplatte 26 hat eine größere Fläche als die Kondensatorplatte 3 des Drosselmoduls 1. Auf der Hauptplatine 26 können sich weitere elektrische Komponenten befinden. Dadurch, dass die Kondensatorplatte 3 zwischen der Drossel 1 und der Hauptplatine 26 angeordnet ist, wird jedoch eine Miniaturisierung erreicht. Demnach muss ein weiterer diskreter Kondensator für die Filterschaltung nicht auf der Hauptplatine 26 untergebracht werden. Somit muss ein weiterer diskreter Kondensator zur Rauschfilterung in Radiofrequenzbereichen nicht auf der Hauptplatine 26 im Bereich von Eingangs- oder Ausgangsleitungen platziert werden.
9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Drosselmoduls 1. Im Unterschied zur Ausführungsform der 1 weist der Träger 18 nicht nur die Kondensatorplatte 3, sondern auch eine zusätzliche Trägerplatte 28 auf.
Die Trägerplatte 28 hat keine Kondensatorfunktionalität. Die Trägerplatte 28 kann ein Standardträger für eine Drossel 2 sein. Die Kondensatorplatte 3 hat die gleichen seitlichen Abmessungen wie die Trägerplatte 28. Die Kondensatorplatte 3 kann auch größer oder kleiner als die Trägerplatte 28 sein.
Diese Ausführungsform vereinfacht die Herstellung des Drosselmoduls 1. Insbesondere kann eine Standarddrossel 2 auf einer Trägerplatte 28 bereitgestellt werden und dann die Kondensatorplatte 3 an der Unterseite der Trägerplatte 28 befestigt werden. Die Kondensatorplatte 3 kann Löcher aufweisen, durch die die Anschlüsse 21-25 gesteckt werden. Der Masseanschluss 19 kann an der Kondensatorplatte 3 vormontiert sein.
Bezugszeichenliste

1: Drosselmodul
2: Drossel
3: Kondensatorplatte
4: Kern
5: Wicklung
6: Wicklung
7: Eingangsende
8: Eingangsende
9: Ausgangsende
10: Ausgangsende
11: dielektrische Schicht
12: erste Elektrode
13: erste Elektrode
14: erste Elektrode
15: erste Elektrode
16: zweite Elektrode
17: Anschluss
18: Träger
19: Masseanschluss
20: Filterschaltung
21: erster Eingangsanschluss
22: zweiter Eingangsanschluss
23: erster Ausgangsanschluss
24: zweiter Ausgangsanschluss
25: Anordnung
26: Leiterplatte
27: Befestigungselement
28: Trägerplatte
29: erste Elektrodenschicht
30: zweite Elektrodenlage
C1, C2, C3, C4: Kondensator
L1, L2: Induktivität
GND: Masse
|Z|: Absolutwert der Impedanz
A: Dämpfung
f: Frequenz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 10644588 B2 [0003]
JP 2006238310 A [0003]
JP 2019198033 [0003]

Claims

Drosselmodul (1), aufweisend: eine Drossel (2), die einen Magnetkern (4) und zumindest eine Wicklung (5, 6) aufweist, und einen Träger (18), der eine Kondensatorplatte (3) aufweist, wobei die Kondensatorplatte mindestens eine erste Elektrodenschicht (29), mindestens eine dielektrische Schicht (11) und mindestens eine zweite Elektrodenschicht (30) aufweist, die übereinander angeordnet sind, wobei die Drossel (2) auf der Kondensatorplatte (3) angeordnet ist.
Drosselmodul (1) nach Anspruch 1, wobei die Kondensatorplatte (3) aus einer Leiterplatte gebildet ist, die eine oder mehrere dielektrische Schichten (11) aufweist.
Drosselmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Oberfläche des Trägers (18) nicht größer ist als das Zehnfache einer Oberfläche der Drossel (2) in einer Ansicht auf eine Hauptfläche des Trägers (18).
Drosselmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die frei von einer zusätzlichen Trägerplatte ist, die zwischen der Drossel (2) und der Kondensatorplatte (3) angeordnet ist.
Drosselmodul (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Träger (18) eine zusätzliche Trägerplatte (28) und eine Kondensatorplatte (3) aufweist, wobei die Trägerplatte (28) zwischen der Drossel (2) und der Kondensatorplatte (3) angeordnet ist.
Drosselmodul (1) nach Anspruch 5, wobei die zusätzliche Trägerplatte (28) ein Kunststoffmaterial aufweist und keine elektronische Funktionalität hat.
Drosselmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Elektrodenschicht (29) vier separate erste Elektroden (12, 13, 14, 15) aufweist und die zweite Elektrodenschicht (30) eine einzige zweite Elektrode (16) umfasst.
Drosselmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das als Gleichtaktdrossel zur Reduzierung von elektromagnetischem Störrauschen ausgebildet ist.
Drosselmodul (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kondensatorplatte (3) mehrere erste Elektrodenschichten (29), mehrere zweite Elektrodenschichten (30) und mehrere dielektrische Schichten (11) aufweist.
Verwendung des Drosselmoduls (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Reduzierung von elektromagnetischen Rauschstörungen.
Verfahren zur Herstellung eines Drosselmoduls (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Drossel (2) und einer Kondensatorplatte (3) und Anordnen der Drossel (2) auf der Kondensatorplatte (3) .
Verfahren zur Herstellung des Drosselmoduls (1) nach Anspruch 11, wobei die Drossel (2) auf einer Trägerplatte (28) angeordnet ist und wobei die Kondensatorplatte (3) an einer Unterseite der Trägerplatte (28) angeordnet ist.
Anordnung, aufweisend das Drosselmodul (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und eine Leiterplatte (26), wobei das Drosselmodul (1) auf der Leiterplatte (26) montiert ist.
Anordnung nach Anspruch 13, wobei das Drosselmodul (1) stiftförmige Anschlüsse (21, 22, 23, 24, 19) aufweist, die mit ersten und zweiten Elektroden (12, 13, 14, 15, 16) der ersten und zweiten Elektrodenschichten (29, 20) verbunden sind, wobei die Anschlüsse (21, 22, 23, 24, 19) mit der Leiterplatte (26) durch eine Stift-durch-Loch (Englisch: Pin-through-hole)-Technologie verbunden ist.