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