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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drosselmodul, insbesondere ein EMV-Filtermodul zur Reduzierung von elektromagnetischen Störgeräuschen. Das Drosselmodul kann eine Gleichtaktdrossel umfassen. Eine solche Gleichtaktdrossel umfasst zwei oder mehr Wicklungen um einen Magnetkern. Die Wicklungen bestehen aus Metalldrähten. 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 Rauschdämpfungseigenschaften, zumindest in niedrigen Frequenzbereichen. Allerdings wird die Rauschdämpfung im Hochfrequenzbereich von z. B. 10 MHz bis 1000 MHz durch parasitäre Kapazitätseffekte zwischen den Wicklungen vermindert. Diese parasitären Kapazitätseffekte nehmen mit der Anzahl der Windungen in den Wicklungen und mit steigender Frequenz proportional zu.
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EMV-Filter (EMV: elektromagnetische Verträglichkeit) werden in großem Umfang zur Verringerung des Rauschens in elektrischen und elektronischen Produkten, leistungselektronischen Produkten wie Wechselrichtern und Gleichspannungswandlern eingesetzt. In EMV-Filtern wird eine Gleichtaktdrossel mit passiven Komponenten elektrisch verbunden, um eine optimale und maximale Filterwirkung und Dämpfung des EMV-Rauschpegels zu erreichen. Die passiven Komponenten können eine Induktivität, eine Kapazität, einen Widerstand und Kombinationen davon umfassen.
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Anwendungsgebiete sind der Automobilbereich, insbesondere autonome Fahrsysteme mit Niederspannungskomponenten und alle Formen von Elektrofahrzeugen (xEV) mit Hochspannungskomponenten, Industrieprodukte und Produkte der Unterhaltungselektronik. EMV-Filterdrosseln werden in einem EMV-Filter meist mit einem oder mehreren Kondensatoren zusammengeschaltet, um die Dämpfungseigenschaften sowohl bei niedrigen als auch bei hohen Frequenzen zu verbessern.
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Ein Kondensator kann in eine Leiterplatte integriert werden, auf der die Drossel angeordnet ist, um das Rauschen im Hochfrequenzbereich von 10 MHz bis 1000 MHz, insbesondere von 50 MHz bis 300 MHz, zu reduzieren. Ein Nachteil des integrierten Kondensators ist jedoch, dass der integrierte Kondensator eine Resonanz erzeugen kann, die die Rauschdämpfung in einem Teilbereich des Hochfrequenzbereichs verringert.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Drosselmodul bereitzustellen. Beispielsweise ist es ein Ziel, ein Drosselmodul bereitzustellen, bei dem die Verringerung der Rauschdämpfung aufgrund der Resonanz, die durch den integrierten Kondensator verursacht wird, gedämpft und/oder in einen Frequenzbereich außerhalb des Hochfrequenzbereichs verschoben wird.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Drosselmodul bereitgestellt, das eine Drossel und einen Träger umfasst. Die Drossel weist einen Magnetkern und mindestens eine Wicklung auf. Der Träger umfasst mindestens einen integrierten Kondensator, wobei die Drossel auf dem Träger angeordnet ist. Das Drosselmodul umfasst einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss. Jeder in den Träger integrierte Kondensator ist mit der Drossel nur verbunden, indem er an den Ausgangsanschluss angeschlossen wird.
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Der Eingangsanschluss des Drosselmoduls kann jeden der mindestens einen integrierten Kondensatoren durchdringen, bei denen es sich um einen in eine Hauptleiterplatte integrierten Kondensator oder einen Grundplattenkondensator handeln kann, und kann keine Verbindung mit einem der mindestens einen integrierten Kondensatoren haben. Der integrierte Kondensator, der ein in eine Hauptleiterplatte integrierter Kondensator oder ein Grundplattenkondensator sein kann, darf nicht mit einer Eingangssignalleitung verbunden sein, die ein Eingangsende der Drossel mit dem Eingangsanschluss verbindet.
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Das Schaltungslayout, bei dem der integrierte Kondensator, der ein in eine Hauptleiterplatte integrierter Kondensator oder ein Grundplattenkondensator sein kann, nicht mit der Eingangssignalleitung verbunden ist, kann sicherstellen, dass ein an den Eingangsanschluss angelegtes Signal zunächst durch die mindestens eine Wicklung der Drossel fließt, bevor es den integrierten Kondensator erreicht. Dementsprechend kann eine von der Drossel bereitgestellte Restimpedanz genutzt werden, um jegliches Rauschen in dem an die Eingangsanschluss angelegten Signal zu dämpfen, bevor das Signal den integrierten Kondensator erreicht, bei dem es sich um einen in eine Hauptleiterplatte integrierten Kondensator oder einen Grundplattenkondensator handeln kann. So kann das Rauschen im Signal keine Resonanzeffekte erzeugen, die die Dämpfung des Drosselmoduls verringern würden, oder zumindest werden die Resonanzeffekte durch das Schaltungsdesign reduziert.
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Das Schaltungslayout nutzt die Komponenten des Drosselmoduls, d. h. die Drossel und den integrierten Kondensator, ohne dass zusätzliche diskrete Elemente erforderlich sind, um eine gute Rauschdämpfung zu erreichen, oder zumindest mit einer geringen Anzahl zusätzlicher diskreter Elemente. Dementsprechend werden keine oder nur eine geringe Anzahl zusätzlicher diskreter Elemente und somit kein oder nur wenig zusätzlicher Platz für den Schaltungsentwurf benötigt.
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Der integrierte Kondensator, der ein in eine Hauptleiterplatte integrierter Kondensator oder ein Grundplattenkondensator sein kann, erhöht insbesondere die Dämpfung des Drosselmoduls bei hohen Frequenzen. Indem der integrierte Kondensator nur an eine Ausgangssignalleitung angeschlossen wird, die die Drossel mit dem Ausgangsanschuss verbindet, können die unerwünschten Resonanzeffekte, die durch den integrierten Kondensator entstehen, verringert oder in einen niedrigeren Frequenzbereich verschoben werden, wodurch die Rauschdämpfung im Hochfrequenzbereich verbessert wird.
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Der Träger, der den mindestens einen integrierten Kondensator enthält, kann ein Grundplattenkondensator sein. Der Begriff „Grundplattenkondensator“ bezieht sich auf eine Grundplatte, auf der die Drossel angeordnet ist und die eine kapazitive Funktion hat. Insbesondere können die Schichten der Grundplatte einen Kondensator, den so genannten Grundplattenkondensator, bilden. Alternativ kann der Träger auch eine Hauptleiterplatte sein. Der Träger kann seitliche Abmessungen haben, die kleiner, gleich oder größer sind als die seitlichen Abmessungen der Drossel.
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Bei der Drossel kann es sich um eine Gleichtaktdrossel zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen handeln. Das Drosselmodul kann so ausgelegt sein, dass es zwischen einer Stromquelle, z. B. einer Batterie, und einer Last, z. B. einem Motor, insbesondere einem Motor eines Elektrofahrzeugs, angeordnet wird. Die Eingangsanschlüsse sind für den Anschluss an die Stromquelle und die Ausgangsanschlüsse für den Anschluss an die Last ausgelegt.
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Der Träger, bei dem es sich um einen Grundplattenkondensator oder eine Hauptleiterplatte handeln kann, kann eine FR4-Platte, eine flexible Platte oder eine bei niedriger Temperatur mitgebrannte Keramikplatte sein, die auf glasfaserverstärktem Epoxidlaminat, synthetischen Materialien bzw. Keramik basieren. Der Träger, bei dem es sich um einen Grundplattenkondensator oder eine Hauptleiterplatte handeln kann, kann eine Mehrschichtplatte sein. Der integrierte Kondensator kann durch strukturierte Schichten des Trägers, der ein Grundplattenkondensator oder eine Hauptleiterplatte sein kann, gebildet werden. Der Begriff „integriert“ ist so zu verstehen, dass der Kondensator in den Träger eingebettet ist, der ein Grundplattenkondensator oder eine Hauptleiterplatte sein kann, oder durch Schichten des Trägers gebildet wird, der ein Grundplattenkondensator oder eine Hauptleiterplatte sein kann. Ein Kondensator, der auf der Oberfläche des Trägers als disktretes Element angeordnet ist, ist nicht als integrierter Kondensator zu verstehen.
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Die Elektrodenschichten des Kondensators, bei dem es sich um einen in eine Hauptleiterplatte oder einen Grundplattenkondensator integrierten Kondensator handeln kann, können durch Siebdruck auf einer isolierenden dielektrischen Schicht und/oder durch Ätzen einer auf der isolierenden dielektrischen Schicht befindlichen metallischen Schicht, z. B. einer Kupferschicht, gebildet werden. Die Elektrodenschichten können Kupfer enthalten oder aus Kupfer bestehen. Die Eingangsanschlüsse des Drosselmoduls können so konfiguriert sein, dass sie mit anderen Elementen verbunden werden können, insbesondere mit einer Spannungsquelle, die zum Anlegen eines Eingangssignals konfiguriert ist. Die Ausgangsanschlüsse des Drosselmoduls können so konfiguriert sein, dass sie an andere Elemente, insbesondere an eine Last, angeschlossen werden können.
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Die Drossel und der integrierte Kondensator, bei dem es sich um einen in eine Hauptleiterplatte integrierten Kondensator oder um einen Grundplattenkondensator handeln kann, können so miteinander verbunden werden, dass das an den Eingangsanschluss des Drosselmoduls angelegte Signal durch die Drossel fließt, bevor es durch einen der mindestens einen integrierten Kondensatoren fließt. Bei diesem Aufbau der von der Drossel und dem integrierten Kondensator gebildeten Schaltung kann eine Restimpedanz der Drossel, insbesondere in einem Hochfrequenzbereich, genutzt werden, um jegliches Rauschen in einem an dem Eingangsanschluss anliegenden Signal zu dämpfen. Dadurch kann der Kondensator mit weniger Rauschen in Berührung kommen. Dementsprechend kann sich eine vom Kondensator erzeugte Resonanz nicht stark auf die Dämpfung des Drosselmoduls auswirken.
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Der integrierte Kondensator, bei dem es sich um einen in eine Hauptleiterplatte integrierten Kondensator oder einen Grundplattenkondensator handeln kann, kann mit Masse verbunden sein. Dementsprechend kann der integrierte Kondensator in Reihe zwischen der Ausgangssignalleitung und Masse geschaltet werden. Der integrierte Kondensator kann als Y-Kondensator ausgebildet sein.
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Der integrierte Kondensator, der ein in eine Hauptleiterplatte integrierter Kondensator oder ein Grundplattenkondensator sein kann, kann durch strukturierte Schichten des Trägers gebildet werden, der die Hauptleiterplatte oder die den Grundplattenkondensator bildende Grundplatte sein kann.
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Der Magnetkern kann einen ersten Kernteil mit einem ersten Material und einen zweiten Kernteil mit einem zweiten Material umfassen, wobei sich das erste Material vom zweiten Material unterscheidet. Der erste Kernteil kann aus dem ersten Material bestehen. Das zweite Kernteil kann aus dem zweiten Material bestehen. Durch die Bereitstellung von zwei verschiedenen Kernteilen aus unterschiedlichen Materialien kann die Impedanz der Drossel verbessert werden. Insbesondere kann ein Kernteil, z. B. das zweite Kernteil, speziell so ausgelegt sein, dass es im Hochfrequenzbereich eine große Impedanz aufweist und dadurch das Rauschen im Hochfrequenzbereich dämpft. Die Hinzufügung eines zweiten Kernteils mit einem anderen Material kann somit den Rauschanteil des Signals, das den integrierten Kondensator erreicht, weiter verringern. Auf diese Weise werden die Resonanzeffekte weiter gedämpft.
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Das erste Material kann Manganzink sein. Das zweite Material kann Nickel-Zink sein. Nickel-Zink bietet den Vorteil einer sehr hohen Impedanz für hohe Frequenzen.
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Das Volumen des zweiten Kernteils kann kleiner sein als das Volumen des ersten Kernteils. Ein zweites Kernteil mit einem kleinen Volumen reicht aus, um die gewünschte hohe Impedanz im Hochfrequenzbereich zu erreichen. Dementsprechend ist es möglicherweise nicht erforderlich, ein großes Volumen des zweiten Materials bereitzustellen. Dadurch können der Materialverbrauch und die Kosten für das zweite Material niedrig gehalten werden.
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Der erste Kernteil und der zweite Kernteil können jeweils ringförmig sein und sich in ihrem Durchmesser unterscheiden. Das zweite Kernteil kann zum Beispiel außerhalb des ersten Kernteils angeordnet sein. Das zweite Kernteil kann dem ersten Kernteil in radialer Richtung folgen. Alternativ kann der erste Kernteil einen größeren Durchmesser haben als der zweite Kernteil und der zweite Kernteil kann in radialer Richtung innerhalb des ersten Kernteils angeordnet sein.
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Der Träger, bei dem es sich um einen Grundplattenkondensator oder eine Hauptleiterplatte handeln kann, kann mindestens einen Erdungsanschluss aufweisen, der so konfiguriert ist, dass er mit einer geerdeten Fläche verbunden werden kann. Der Träger, bei dem es sich um einen Grundplattenkondensator oder eine Hauptleiterplatte handeln kann, kann ein Eingangsende und ein Ausgangsende aufweisen. Die Eingangsanschlüsse des Drosselmoduls können in unmittelbarer Nähe des Eingangsendes des Trägers angeordnet sein, bei dem es sich um einen Grundplattenkondensator oder eine Hauptleiterplatte handeln kann. Der Ausgangsanschluss des Drosselmoduls kann in unmittelbarer Nähe des Ausgangsendes des Trägers angeordnet werden, der ein Grundplattenkondensator oder eine Hauptleiterplatte sein kann. Alle Erdungsanschlüsse des Trägers, bei dem es sich um einen Grundplattenkondensator oder eine Hauptleiterplatte handeln kann, können am Ausgangsende des Trägers angeordnet werden. Dementsprechend können alle Erdungsanschlüsse des Trägers, bei dem es sich um einen Grundplattenkondensator oder eine Hauptleiterplatte handeln kann, in der Nähe des Ausgangsanschlusses des Drosselmoduls angeordnet sein. Das Drosselmodul hat an seinem Ausgangsanschluss eine hohe Impedanz. Durch die Anordnung aller Erdungsanschlüsse in der Nähe des Ausgangsanschlusses kann sichergestellt werden, dass eine Rauscheinkopplung über die geerdete Fläche verhindert wird.
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Das Drosselmodul kann als Gleichtaktdrossel zur Reduzierung von elektromagnetischem Störrauschen konfiguriert werden.
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Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen des Drosselmoduls unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
- 1 zeigt ein Drosselmodul gemäß einer ersten Ausführungsform.
- 2 zeigt ein Diagramm einer Filterschaltung.
- Die 3 bis 6 zeigen ein Drosselmodul gemäß einer zweiten Ausführungsform.
- 7 zeigt Simulationsergebnisse, in denen die Dämpfung des in den 3 bis 6 gezeigten Drosselmoduls mit zwei Vergleichsbeispielen verglichen wird.
- 8 zeigt ein Diagramm einer Filterschaltung eines π-Filters.
- Die 9 bis 11 zeigen ein Vergleichsbeispiel.
- 12 zeigt ein Drosselmodul gemäß einer dritten Ausführungsform.
- 13 zeigt ein Drosselmodul gemäß einer vierten Ausführungsform.
- 14 zeigt ein Drosselmodul gemäß einer fünften Ausführungsform.
- 15 zeigt eine Dämpfung eines Drosselmoduls gemäß 14 im Vergleich zu zwei Referenzbeispielen.
- 16 zeigt ein Drosselmodul gemäß einem Referenzbeispiel.
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1 zeigt das Drosselmodul 1 mit einer Drossel 2, die auf einem Träger angeordnet ist, in einer Querschnittsansicht. Bei dem Träger handelt es sich um eine Hauptleiterplatte 17. Die Drossel 2 umfasst einen Magnetkern 4 und zwei Wicklungen 5, 6 auf dem Magnetkern 4.
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Die Drossel 2 ist eine Gleichtaktdrossel, um z.B. elektromagnetisches Störrauschen zu reduzieren. Insbesondere dient die Drossel 2 als Filter zur Gewährleistung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV).
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Das Drosselmodul umfasst Eingangsanschlüsse 21, 22 und Ausgangsanschlüsse 23, 24. Die Eingangsanschlüsse 21, 22 können mit einer Spannungsquelle, z. B. einer Batterie, verbunden werden. Ein Eingangssignal kann der Drossel 2 über die Eingangsanschlüsse zugeführt werden. Die Ausgangsanschlüsse 23, 24 können mit einer Last verbunden werden, z. B. mit einem Motor. Die Drossel 2 liefert ein gefiltertes Ausgangssignal, das an den Ausgangsanschlüssen 23, 24 anliegt.
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Ein Kondensator 12 ist in die Hauptleiterplatte 17 integriert. Die Ausgangsanschlüsse 23, 24 des Drosselmoduls sind mit dem integrierten Kondensator 12 verbunden. Insbesondere sind die Ausgangsanschlüsse 23, 24 mit Elektroden in einer ersten Elektrodenschicht 29 des integrierten Kondensators 12 verbunden. Die Eingangsanschlüsse 21, 22 durchdringen den integrierten Kondensator 12, ohne mit dem integrierten Kondensator 12 verbunden zu sein.
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Das Drosselmodul 1 umfasst ferner einen stiftförmigen Erdungsanschluss 19, der so konfiguriert werden kann, dass er mit Masse verbunden ist. Der stiftförmige Erdungsanschluss 19 ist mit einer zweiten Elektrodenschicht 30 des integrierten Kondensators 12 verbunden.
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Die Hauptleiterplatte 17 trägt die Drossel 2 mechanisch.
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Ein Fixierungselement 27 kann die Drossel 2 auf der Hauptleiterplatte 17 fixieren. Das Befestigungselement 27 kann z. B. durch Einrasten an der Hauptleiterplatte 17 angebracht werden. Das Befestigungselement 27 kann auch ein integraler Bestandteil der Hauptleiterplatte 17 sein. Die Drossel 2 kann z. B. durch Einrasten an dem Befestigungselement 27 befestigt werden.
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Die Hauptleiterplatte 17 hat nicht nur eine Trägerfunktion, sondern aufgrund des integrierten Kondensators 12 auch eine Kondensatorfunktion. Der integrierte Kondensator 12 ist in das Material der Hauptleiterplatte 17 integriert. Die Hauptleiterplatte 17 besteht aus einer Mehrschichtstruktur, und der integrierte Kondensator 12 wird durch Schichten der Mehrschichtstruktur gebildet.
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Der integrierte Kondensator 12 umfasst die dielektrische Schicht 11, die zwischen der ersten Elektrodenschicht 29 und der zweiten Elektrodenschicht 30 liegt. Die dielektrische Schicht 11 und die Elektrodenschichten 29, 30 bilden zwei Kapazitäten C1, C2. Die erste Elektrodenschicht 29 kann mehrere separate Elektroden aufweisen und die zweite Elektrodenschicht 30 eine einzige zweite Elektrode aufweisen. Eine dielektrische Deckschicht kann auf der ersten Elektrodenschicht 29 und/oder auf der zweiten Elektrodenschicht 30 angeordnet sein.
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Die dielektrische Schicht 11 kann ein Kunststoffmaterial umfassen oder aus einem Kunststoffmaterial bestehen. Die dielektrische Schicht 11 kann aus einem Epoxidharz bestehen oder bestehen. Insbesondere kann die dielektrische Schicht 11 aus einem FR4-Material bestehen oder bestehen.
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Die von der ersten Elektrodenschicht 29 und der zweiten Elektrodenschicht 30 gebildeten Elektroden können leitende Platten sein, die auf der dielektrischen Schicht 11 befestigt sind. Die Elektroden können auch durch Siebdruck und/oder galvanische Verfahren auf die dielektrische Schicht 11 aufgebracht werden. Die Elektroden können Kupfer enthalten oder daraus bestehen.
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Der integrierte Kondensator 12 kann mehrere dielektrische Schichten 11, mehrere erste Elektrodenschichten 29 und mehrere zweite Elektrodenschichten 30 umfassen, die so übereinander gestapelt sind, dass jede dielektrische Schicht 11 zwischen einer ersten Elektrodenschicht 29 und einer zweiten Elektrodenschicht 30 liegt. Alternativ dazu weist der integrierte Kondensator 12 eine einzige dielektrischen Schicht 11, eine einzige erste Elektrodenschicht 29 und eine einzige zweite Elektrodenschicht 30, die übereinander gestapelt sind, auf.
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Bei dem in 1 gezeigten Drosselmodul 1 ist die Drossel 2 horizontal montiert, d. h. eine Symmetrieachse des runden Magnetkerns 4 steht senkrecht zu einer oberen Fläche der Hauptleiterplatte 17. In anderen Ausführungsformen kann die Drossel 2 vertikal montiert sein, d. h., die Symmetrieachse des runden Magnetkerns 4 kann parallel zur Oberseite der Hauptleiterplatte 17 verlaufen.
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Das Drosselmodul umfasst den oben beschriebenen stiftförmigen Erdungsanschluss 19. Der stiftförmige Erdungsanschluss 19 ist mit der zweiten Elektrodenschicht 30 verbunden. Das Drosselmodul 1 ist so konfiguriert, dass es in einem Gehäuse angeordnet werden kann. Der stiftförmige Erdungsanschluss 19 kann mit einer Massefläche des Gehäuses verbunden werden, zum Beispiel durch eine Durchstecktechnik.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Filterschaltung 20. Insbesondere kann das Drosselmodul 1 der 1 entsprechend der Filterschaltung 20 angeschlossen werden.
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Im Schaltplan bildet die Drossel 2 zwei Induktivitäten L1, L2, die durch die Wicklungen 5, 6 gebildet werden. Die Induktivitäten L1, L2 sind über den Magnetkern 4 gekoppelt.
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Der erste Eingangsanschluss 21 des Drosselmoduls ist über eine Eingangssignalleitung 13 mit der Induktivität L1 verbunden. Der zweite Eingangsanschluss 22 des Drosselmoduls ist über eine weitere Eingangssignalleitung 13 mit der Induktivität L2 verbunden. Die Induktivität L1 ist über eine Ausgangssignalleitung 14 mit einem ersten Ausgangsanschluss 23 des Drosselmoduls verbunden. Die Induktivität L2 ist über eine weitere Ausgangssignalleitung 14 mit einem zweiten Ausgangsanschluss 23 des Drosselmoduls verbunden.
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Zwei Kapazitäten C1, C2 werden durch den integrierten Kondensator 12 gebildet. Die Kapazitäten C1, C2 sind zwischen den Ausgangssignalleitungen 14 und Masse geschaltet. Solche Kapazitäten, die zwischen der Ausgangssignalleitung 14 und Masse geschaltet sind, werden als Y-Kondensatoren bezeichnet. Entsprechend sind die Kapazitäten C1, C2 mit den Ausgangsanschlüssen 23, 24 des Drosselmoduls 1 verbunden. An den Eingangsanschlüssen 21, 22 des Drosselmoduls 1 ist keine Kapazität angeschlossen. Dementsprechend ist auch keine Kapazität an den Eingangssignalleitungen 13 angeschlossen, die die Eingangsanschlüsse 21, 22 des Drosselmoduls 1 und die Drossel 2 verbinden.
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Der Aufbau der Filterschaltung 20 stellt sicher, dass jedes an die Eingangsanschlüsse 21, 22 angelegte Signal zunächst die Induktivitäten L1, L2 durchläuft und nach Durchlaufen der Induktivitäten die durch den integrierten Kondensator 12 gebildete Kapazität C1, C2 erreicht. Durch diese Anordnung wird sichergestellt, dass Rauschen in dem an den Eingangsanschluss 21, 22 angelegten Signal durch die Induktivitäten L1, L2 gefiltert wird, bevor es die Kapazitäten C1, C2 erreicht. Insbesondere niederfrequentes Rauschen wird durch die Induktivitäten L1, L2 gefiltert.
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Die Impedanz der beiden Induktivitäten L1, L2 kann zur Reduzierung des Rauschens, z. B. des Eingangssignals oder der erzeugten Resonanz, genutzt werden. So können durch die Kapazitäten C1, C2 erzeugte Resonanzeffekte, insbesondere im FM-Radiofrequenzbereich, durch die Impedanz der beiden Induktivitäten L1, L2 abgeschwächt werden. Da die Impedanz der beiden Induktivitäten L1, L2 der Drossel 2 zur Dämpfung des Rauschens im Signal genutzt wird, ist im Drosselmodul 1 kein zusätzliches diskretes Bauteil oder zumindest eine geringere Anzahl zusätzlicher diskreter Bauteile erforderlich. Stattdessen werden die vorhandenen Elemente des Drosselmoduls 1 bei der vorliegenden Konstruktion der Filterschaltung 20 zur Dämpfung des Rauschens im Signal verwendet.
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Die 3 bis 6 zeigen ein Drosselmodul 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform. 3 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf das Drosselmodul 1 gemäß der zweiten Ausführungsform. 4 zeigt eine perspektivische Draufsicht auf einen Grundplattenkondensator des Drosselmoduls 1 gemäß der zweiten Ausführungsform. 5 zeigt eine perspektivische Unteransicht des Drosselmoduls 1 gemäß der zweiten Ausführungsform. 6 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht.
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Das Drosselmodul 1 gemäß der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Drosselmodul insbesondere durch die Größe des Trägers.
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In der zweiten Ausführungsform ist der Träger ein Grundplattenkondensator 3. Der Grundplattenkondensator 3 ist eine Platte, auf der die Drossel 2 angeordnet ist, die die Drossel 2 mechanisch abstützt und die eine kapazitive Funktion hat, da ihre Schichten so strukturiert sind, dass sie mindestens eine Kapazität bilden. Der Grundplattenkondensator 3 ist ein Plattenkondensator, dessen laterale Abmessungen nur geringfügig größer sind als die lateralen Abmessungen der Drossel 2. Beispielsweise dürfen die seitlichen Abmessungen des Grundplattenkondensators 3 im Vergleich zu den seitlichen Abmessungen der Drossel 2 nicht um mehr als 25 %, vorzugsweise nicht um mehr als 10 %, größer sein. Die Drossel 2 und der Grundplattenkondensator 3 haben beide eine kreisförmige Form, wobei sich die seitlichen Abmessungen auf einen Durchmesser der Kreisform beziehen.
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Die Ausgangsanschlüsse 23, 24 des Drosselmoduls 1 können z.B. durch Durchsteckmontage mit dem Grundplattenkondensator 3 verbunden werden. Die Eingangsanschlüsse 21, 22 durchdringen den Grundplattenkondensator 3, ohne mit diesem verbunden zu sein.
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Der Grundplattenkondensator 3 kann so konfiguriert sein, dass er auf einer Hauptleiterplatte platziert wird. Auf der Hauptleiterplatte können weitere passive und/oder aktive Komponenten und/oder Module untergebracht werden. Die Anschlüsse 21, 22, 23, 24 des Drosselmoduls 1 können so konfiguriert sein, dass sie mit der Hauptleiterplatte verlötet werden. Beispielsweise können die Anschlüsse 21, 22, 23, 24 durch Durchsteckmontage befestigt werden.
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Der Grundplattenkondensator 3 der zweiten Ausführungsform ist ein Kondensator, der durch Schichten des Trägers gebildet wird, auf dem die Drossel 2 angeordnet ist. Der Grundplattenkondensator 3 umfasst erste Elektrodenschichten 29, eine dielektrische Schicht 11 und zweite Elektrodenschichten 30. Der Grundplattenkondensator 3 und die Drossel 2 sind miteinander verbunden, um die Filterschaltung 20 zu bilden, wie in 2 dargestellt. Der Grundplattenkondensator 3 bildet die beiden Kapazitäten C1, C2. Wie bereits im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform erläutert, wird die Impedanz der Drossel 2 genutzt, um jegliches Rauschen in einem an den Eingangsanschlüssen 21, 22 anliegenden Eingangssignal zu dämpfen, bevor dieses Signal den Grundplattenkondensator 3 erreicht. Daher kann jede unerwünschte Resonanz, die durch den Grundplattenkondensator 3 erzeugt wird, gedämpft werden, da weniger Rauschen an den Grundplattenkondensator 3 angelegt wird.
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7 zeigt Simulationsergebnisse, die die Dämpfung des Drosselmoduls 1 gemäß den 3 bis 6 mit zwei Vergleichsbeispielen vergleichen, die im nächsten Abschnitt beschrieben werden. In 7 ist die Frequenz eines Eingangssignals, das an den Eingangsanschlüssen 21, 22 anliegt, auf der horizontalen Achse aufgetragen. Auf der horizontalen Achse ist die Frequenz in MHz in einer logarithmischen Skala aufgetragen. Auf der vertikalen Achse ist die Dämpfung eines entsprechenden Ausgangssignals aufgetragen, das von dem Drosselmodul 1 geliefert wird. Die Dämpfung ist in dB aufgetragen.
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Die Kurve C1 zeigt die Abschwächung eines ersten Vergleichsbeispiels. Im ersten Vergleichsbeispiel ist die Drossel auf einem Träger angeordnet, der keinen integrierten Kondensator enthält. Die Kurve C2 zeigt die Dämpfung eines zweiten Vergleichsbeispiels. Das Drosselmodul des zweiten Vergleichsbeispiels umfasst eine Drossel, die auf einem Träger angeordnet ist, der einen Grundplattenkondensator ähnlich der in den 3 bis 6 gezeigten Ausführungsform bildet. Im zweiten Vergleichsbeispiel sind der Grundplattenkondensator und die Drossel zu einem π-Filter verbunden. Dementsprechend sind die Elektrodenschichten und die dielektrischen Schichten des zweiten Vergleichsbeispiels so strukturiert, dass sie zwei zusätzliche Kapazitäten C3, C4 bilden, die zwischen die Eingangssignalleitungen und die Masse geschaltet sind, wie in 8 dargestellt. Einzelheiten über die Strukturierung der ersten Elektrodenschicht der zweiten Vergleichsausführung sind in den 9 bis 11 dargestellt.
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Die Kurve C3 zeigt die Dämpfung des in den 3 bis 6 dargestellten Drosselmoduls 1, bei dem die Drossel 2 und der Grundplattenkondensator 3 miteinander verbunden sind, um die in 2 dargestellte Filterschaltung 20 zu bilden.
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Die Kurven C2 und C3 zeigen im Vergleich zu Kurve C1 eine deutlich verbesserte Dämpfung im Hochfrequenzbereich von 50 bis 300 MHz. Die Hinzufügung des mit der Drossel 2 verbundenen Grundplattenkondensators 3 verringert das Rauschen in diesem Frequenzbereich. Kurve C3 zeigt eine verbesserte Dämpfung im Vergleich zu Kurve C2. Durch die Verbindung des Grundplattenkondensators 3 und der Drossel 2 gemäß der Filterschaltung 20 von 2 kann die Impedanz der Drossel 2 zur Dämpfung des Rauschens im Eingangssignal genutzt werden, wodurch die Dämpfung des Drosselmoduls 1 verbessert wird, da weniger Rauschen auf die Kapazitäten einwirkt.
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Außerdem zeigt ein Vergleich der Kurven C2 und C3, dass eine Resonanzspitze, die durch eine Resonanz des Grundplattenkondensators 3 in Kombination mit weiteren passiven Komponenten entsteht, zu niedrigeren Frequenzen verschoben wird, weiter weg vom kritischen Frequenzbereich. Dadurch wird auch die Leistung des Drosselmoduls 1 verbessert.
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12 zeigt das Drosselmodul 1 gemäß einer dritten Ausführungsform. In dem Drosselmodul gemäß der dritten Ausführungsform umfasst der Magnetkern 4 der Drossel 2 einen ersten Kernteil 15 aus einem ersten Material und einen zweiten Kernteil 16 aus einem zweiten Material. Jedes der Kernteile 15, 16 ist ringförmig, wobei das zweite Kernteil 16 einen größeren Durchmesser hat als das erste Kernteil 15.
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Das erste Material des ersten Kernteils 15 ist Manganzink (MgZn). Das zweite Material des zweiten Kernteils 16 ist Nickel-Zink (NiZn). Manganzink ist ein Ferritmaterial, das üblicherweise zur Bildung eines Magnetkerns einer Drossel verwendet wird. Im Vergleich zu Nickelzink hat Manganzink eine vergleichsweise niedrige Impedanz bei hohen Frequenzen. Nickel-Zink bietet eine verbesserte Impedanz bei hohen Frequenzen, was eine Dämpfung des Rauschens bei hohen Frequenzen ermöglicht. Durch die Kombination zweier separater Kernteile 15, 16 aus unterschiedlichen Materialien kann das Rauschen durch den Magnetkern 4 bei niedrigen und hohen Frequenzen gedämpft werden. Im Vergleich zu einem Magnetkern 4, der nur aus einem Kernteil besteht, der aus einem Material besteht, bietet der Magnetkern 4 der dritten Ausführungsform eine verbesserte Impedanz und damit eine verbesserte Dämpfung.
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Das Drosselmodul 1 der dritten Ausführungsform umfasst auch einen Grundplattenkondensator 3, wobei die Drossel 2 auf dem Grundplattenkondensator 3 angeordnet ist. Bei der in 12 gezeigten Ausführungsform ist der Grundplattenkondensator rechteckig.
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12 zeigt eine Drossel 2, die vertikal auf dem Grundplattenkondensator 3 angebracht ist. Die Drossel 2, die aus einem Magnetkern 4 mit zwei getrennten Kernteilen 15, 16 besteht, kann in einer alternativen Ausführung auch horizontal auf dem Grundplattenkondensator 3 oder auf der Hauptleiterplatte 17 montiert werden.
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13 zeigt ein Drosselmodul gemäß einem Referenzbeispiel, bei dem eine Drossel 2 mit einem Magnetkern 4 auf einer Hauptleiterplatte 8 ohne integrierten Kondensator angeordnet ist. Auf der Hauptleiterplatte 17 sind diskrete Bauteile angeordnet.
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14 zeigt ein Drosselmodul 1 gemäß einer vierten Ausführungsform. Das Drosselmodul 1 umfasst eine Drossel 2, die auf einem Grundplattenkondensator 3 montiert ist. Der Grundplattenkondensator 3 ist auf einer Hauptleiterplatte 8 montiert.
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Der Grundplattenkondensator 3 umfasst ein Eingangsende 25 und ein Ausgangsende 26, das dem Eingangsende 25 gegenüberliegt. Der Begriff „Eingangsseite“ bezieht sich auf das Ende des Grundplattenkondensators 3, das sich in der Nähe der Eingangsanschlüsse 21, 22 des Drosselmoduls befindet. Der Begriff „Ausgangsende“ bezieht sich auf das Ende des Trägers, das sich in der Nähe der Ausgangsanschlüsse 23, 24 des Drosselmoduls befindet.
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Der Grundplattenkondensator 3 ist über die plattenförmigen Erdungsanschlüsse 19 mit der Hauptleiterplatte 8 verbunden. Insbesondere sind zwei plattenförmige Erdungsanschlüsse 19 mit einer geerdeten Fläche der Hauptleiterplatte 8 verbunden. Wie in 14 zu sehen ist, sind die beiden plattenförmigen Erdungsanschlüsse 19 am Ausgangsende 26 des Grundplattenkondensators 3 angeordnet. Dementsprechend sind die Ausgangsanschlüsse 23, 24 in der Nähe der plattenförmigen Erdungsanschlüsse 19 angeordnet. Diese Anordnung der plattenförmigen Erdungsanschlüsse 19 gewährleistet, dass eine Rauschkopplung über die Massefläche der Hauptleiterplatte 8 verhindert wird. In der Nähe der Ausgangsanschlüsse 23, 24 hat das Drosselmodul 1 eine hohe Impedanz, so dass eine Rauschkopplung über die Massefläche vermieden werden kann. Der Grundplattenkondensator 3 enthält keine Erdungsanschlüsse 19, die am Eingangsende 25 angeordnet sind.
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15 zeigt die Dämpfung eines Drosselmoduls 1 gemäß 14 im Vergleich zu zwei Referenzbeispielen, die im nächsten Abschnitt beschrieben werden. Auf der horizontalen Achse ist die Frequenz in MHz in einer logarithmischen Skala und auf der vertikalen Achse die Dämpfung in dB aufgetragen.
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Kurve C4 zeigt die Dämpfung des ersten Referenzbeispiels, bei dem es sich um ein Drosselmodul ohne Träger mit integriertem Kondensator handelt, wie in 13 dargestellt. Die Kurve C5 zeigt die Dämpfung eines zweiten Referenzbeispiels, das in 16 dargestellt ist. Das Drosselmodul des zweiten Referenzbeispiels umfasst einen Grundplattenkondensator 3, wobei im Vergleich zu der in 14 gezeigten vierten Ausführungsform zusätzliche plattenförmige Erdungsanschlüsse 19 nahe dem Eingangsende 25 des Drosselmoduls angeordnet sind. Im zweiten Referenzbeispiel kann Rauschen von den plattenförmigen Erdungsanschlüssen 19 nahe den Eingangsanschlüssen und zu den plattenförmigen Erdungsanschlüssen 19 nahe den Ausgangsanschlüssen über die Massefläche der Hauptleiterplatte 8 eingekoppelt werden. Die Kurve C6 zeigt die Rauschdämpfung der in 14 gezeigten Ausführungsform.
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15 zeigt, dass jede der Kurven C5 und C6 eine verbesserte Dämpfung im Vergleich zu Kurve C4 bietet. Diese Verbesserung der Dämpfung wird durch die Hinzufügung des Grundplattenkondensators 3 erreicht. Vergleicht man die Kurven C5 und C6, so ergibt sich für Kurve C6 eine um etwa 10 dB verbesserte Dämpfung im Vergleich zu Kurve C5. Die Verbesserung der Dämpfung von Kurve C6 ist auf die Anordnung aller plattenförmigen Erdungsanschlüsse 19 nahe dem Ausgangsende 26 zurückzuführen, wodurch eine Rauschkopplung über die Massefläche der Hauptleiterplatte 8 vermieden wird.
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Die Anordnung aller plattenförmigen Erdungsanschlüsse 19 nahe dem Ausgangsende 26 kann auf alle zuvor gezeigten Ausführungsformen angewendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Drosselmodul
- 2
- Drossel
- 3
- Grundplattenkondensator
- 4
- Magnetkern
- 5, 6
- Wicklung
- 8
- Hauptleiterplatte (ohne integrierten Kondensator)
- 11
- dielektrische Schicht
- 12
- integrierter Kondensator
- 13
- Eingangssignalleitung
- 14
- Ausgangssignalleitung
- 15
- erster Kernteil
- 16
- zweiter Kernteil
- 17
- Hauptleiterplatte
- 19
- Erdungsanschluss
- 20
- Filterschaltung
- 21,
- 22 Eingangsanschluss
- 23,
- 24 Ausgangsanschluss
- 25
- Eingangsseite
- 26
- Ausgangsseite
- 27
- Fixierungselement
- 29
- erste Elektrodenschicht
- 30
- zweite Elektrodenschicht
- L1, L2
- Induktor
- C1, C2
- Kondensator
