專利名稱：組件間小磁耦合的單片式集成濾波器模塊的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于開關電源的單片式集成濾波器模塊。本發明還涉及一種所屬的開關電源。
背景技術：
對于小功率范圍(< 100W，特別是< 10W)的供電，目前幾乎僅采用開關電源。其相對于過時的50HZ變壓器來說具有體積和重量方面的顯著優點。在開關電源中不是將50Hz輸入電壓直接轉換為較低的電壓水平，而是首先整流并且使其平滑，然后以kHz至MHz范圍的頻率高頻地切換(斬波)并且借助變壓器轉換到輸出電壓，該輸出電壓大于、小于、等于未調節的輸入電壓或與未調節的輸入電壓極性相反。 與在電網頻率(50Hz)下直接變換相比，在此較高頻率下允許使用明顯更小的變壓器。然而在這些高頻的開關過程中產生具有比開關頻率明顯更高頻率的高次諧波。因為通過提出的標準，在供電網方向上的干擾電壓應該受到限制，所以在開關單元內部需要低通濾波器，該低通濾波器對在設備中產生的干擾有效地濾波并且由此抑制該干擾饋入到供電網中。此外在供電設備的輸入端需要用于儲能的組件，該組件存儲在供電電壓的一個周期內加載的能量。在按照現有技術的開關電源中，儲能器實施為電解電容器。 它們同時是輸入濾波器的部分，其通過一個或多個離散的電感組件擴展為η型或雙η型濾波器。這樣的濾波器在圖1中示出。在開關電源的次級側(低壓側或者說輸出側)同樣需要用于使所轉換的和整流的電壓平滑的裝置。首先同樣采用濾波器，以保持輸出電壓或輸出電流的小的波動。在此如在輸入濾波器的情況下那樣通常也幾乎僅采用電解電容器，然而電解電容器同樣由于其相對大的串聯電阻而僅能部分地濾除輸出電壓的或輸出電流的波動。雖然過去對半導體組件能夠實現組件的進一步的小型化，但是對無源的組件的小型化仍停滯不前。在小功率供電設備中除轉換器變壓器外這些無源組件占據絕對最大的體積并且由此阻礙了整個供電設備的小型化。因為濾波器由多個組件組成，所以在開關電源中此外還需要用于連接到每個單個組件的接頭的空間。還有制造過程，該制造過程需要裝配多個組件，具有對應的故障和錯誤可能性。通常使用的電解電容器的另一個缺陷是其高的串聯電阻(ESR)，該串聯電阻對濾波功能有負面影響。在電感組件領域公知在鐵氧體上印刷的線圈。然而在此通常僅達到小的電感值， 該電感值對于功率應用來說是不夠的。此外電感的導電性通常僅是非常小的。為了實現組件的小型化，組件可以由陶瓷構造。對于電容組件，存在對于陶瓷多層疊電容器的制造的標準過程；相應的材料參數可供使用。缺陷是對于這些材料的1300 °C的高的燒結溫度(Sintemperatur)，其一方面阻礙了對低成本的銀金屬化 (Silbermetallisierung)的采用并且另一方面阻礙了與其他陶瓷組件的集成。此外存在所謂的低溫共燒的陶瓷(Low-Temperature-Cofired Ceramics,LTCC)的材料系統。在此提供有在900°C就可燒結的相應材料并且由此可以使用低成本的銀金屬化。 然而對于LTCC技術可供使用的材料就其材料參數來說通常不滿足對于電力電子的組件產生的要求。現有的介電常數和磁導率在低于100的范圍變動，從而不能達到對于電容和電感的與對于電力電子的組件所需的那樣的高的值。然而在由電容和電感組成的組件的小型化中，產生如下效應，S卩，使用的組件由于小型化而在空間上明顯互相靠近地布置。由此產生濾波器組件的電磁場的耦合，其導致期望的濾波衰減的降低。這點可能導致，不能實現對開關電源的高頻干擾實施符合標準的抑制。
發明內容
由此本發明要解決的技術問題是，提供一種對于開關電源的盡可能簡單的和低成本的濾波器模塊，其允許濾波器的小型化，以及具有足夠的濾波衰減。上述技術問題通過獨立權利要求1的內容解決。本發明的優選擴展是從屬權利要求的內容本發明基于如下思路，即，將所有必須的濾波器組件集成到一個濾波器模塊中，以便實現該組件的小型化。然后通過電容器和電感器的合適的布置來最小化由于小型化而加強的磁耦合。此外，這樣選擇濾波器組件的材料，使得可以進行共同的燒結。例如匹配不同陶瓷材料的收縮特性，以便允許低溫燒結處理。通過低溫燒結處理，可以使用銀金屬化，而不使用昂貴的銀鈀金屬化。按照本發明的優選實施方式，對于開關電源設置單片式集成濾波器模塊。濾波器模塊具有集成到濾波器模塊的多層的結構中的多個電感器和電容器。電容器和電感器在此這樣布置在濾波器模塊中，使得其相互的磁耦合最小化。通過減小的磁耦合，提高了濾波器模塊的濾波衰減。按照本發明的另一個實施方式，多個電容器分布在布置在濾波器模塊的相對面上的兩層上。流過電容器的電流產生磁場，其強度隨著距離增加而減弱。由此盡可能互相遠離地布置電容器層(Kondensatorschichten)，以降低磁耦合。這兩個電容器層優選具有接頭和印刷導線，以便對兩個層(khichten)中的多個電容器充電或放電。為了進一步減小在濾波器模塊中的磁耦合，多個電容器、接頭和印刷導線的布置是這樣的，使得在其中一個電容器層中通過多個電容器、通過接頭和印刷導線的電流與在其中另一個電容器層中通過多個電容器、通過接頭和印刷導線的電流正交。由于在電容器各層中的電流的很大程度的正交性，由此產生的磁場也互相垂直并且由此幾乎互不影響或者在理想情況下根本互不影響。此外有利的是，把第一和第二外部觸點接觸接頭在空間上緊靠地布置在至少一個電容器層上。由此通過外部觸點接觸而張開的面積小，由此產生近似封閉的導線回路，其磁場對于濾波器裝置是有利的。按照本發明的另一個實施方式，濾波器模塊與印刷電路板電相連。印刷電路板具有用于連接電容器的大的金屬化面積。這點的結果是，實現了與通過互相靠近布置的外部觸點接觸類似的屏蔽效果。
電容器層具有由陶瓷電介質承載的多個金屬化層面(Metallisierungs-ebenen)。 陶瓷電容器具有小的串聯電阻并且相應很好地適合于構造濾波器。濾波器模塊的金屬組件由銀構成。因為是應用低溫燒結過程來產生濾波器模塊， 所以這點才是可能的。銀的使用比在更高的燒結溫度下必須應用的銀鈀金屬化明顯更便且。濾波器模塊的陶瓷材料的收縮特性是經過匹配的，以便允許濾波器模塊的組件的共同燒結。濾波器模塊具有至少一個中間層，其收縮和溫度膨脹特性經過匹配，以使在溫度改變的情況下在濾波器模塊內產生的機械張力最小化。由此由于溫度改變導致的材料改變可以容易地被抵消，并且不會對濾波器模塊造成應力加載。此外有利的是，至少一個中間層具有金屬化，以便允許與濾波器模塊的鄰近的層電連接。這點可以使得電容器層和電感器層的接入(Zugang)以及接線變得容易。濾波器模塊具有經匹配的材料特性以允許在900°C情況下材料的共同燒結。濾波器模塊可以實現為用作在開關電源中的輸入和/或輸出濾波器的低通濾波
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以下借助附圖1至9示出的實施方式詳細解釋本發明。其中，圖1示出了如在開關電源中作為輸入濾波器使用的π型以及雙π型濾波器的電路。圖2示出了按照本發明的一種實施方式的濾波器模塊的示意性構造。圖3示出了按照本發明的一種實施方式的濾波器模塊的示意性構造，具有構造為四極濾波器模塊的外部觸點接觸。圖4是按照本發明的一種實施方式的濾波器模塊的分解圖 (Explosionsansicht)，并且示出了濾波器模塊的各個層的組合。圖5示出了按照本發明的另一個實施方式的濾波器模塊的示意性構造，其中，在緊貼的(anliegenden)電容器和電感器層之間安置了兩個中間層。圖6示出了在線圈周圍和由此產生的磁場中電容器的兩種不同布置。圖7按照本發明的一種實施方式示出了兩個電容器層和在兩層中電流的方向，其中該電流方向互相垂直。圖8示出了電容器層的側視圖，其中可見各個金屬化層面并且外部觸點接觸位置互相遠離布置。圖9是電容器層的側視圖，類似于圖8，然而具有按照本發明的一種實施方式互相靠近布置的外部觸點接觸位置。
具體實施例方式結合圖2至9根據以下說明來詳細解釋本發明及其優選實施方式。圖2示出了濾波器模塊的示意性構造，其實施為四極并且包含在濾波器中所需的所有組件。濾波器由分布在該濾波器模塊中的多個層上的電容器和電感器組成。圖2示出了具有四個層的濾波器模塊的布置，其中頂層和底層(以灰色示出)包含電容器并且兩個中間層形成電感器。然而本發明不限于濾波器模塊的四層構造，所述的實施方式僅視為示例。專業人員能夠將按照本發明的濾波器裝置與其他要求相適應。圖3中也示出了相同的濾波器構造，然而除此之外圖3還還示出了對于四極所必要的外部觸點接觸(Αιιβ enkontaktierimgen)。與具有單個組件的構造相比，所需的觸點接觸(Kontaktierimgen)的數量減少，因為模塊內部的各個濾波器組件具有相應的金屬化通孔(Durchkontaktierungen)，并且不需要其他外部接頭。在此，各組件不再實施為離散的電容器和電感器，而是單片式地集成并且共同燒結為一個模塊。按照本發明的濾波器模塊可以用作開關電源的輸入及輸出電路。在開關電源的使用中，濾波器模塊通常被用作低通濾波器。然而其他應用領域也同樣是可以考慮的， 例如在那些對濾波器功率具有高要求的小型化的濾波器結構具有優勢的應用領域。為了將組件單片式地集成到單一的濾波器模塊中，對材料的不同要求是必要的。在濾波器中所需的電容性組件由高介電的陶瓷制成。它們被加工成多層電容器 (Multilagen-Kondensatoren)，以實現盡可能高的電容和由此提高的儲能能力。對于陶瓷多層電容器，多個單面的金屬化的陶瓷層(Keramiklagen)重疊地堆疊。與電極導電連接的連接線或接線區使陶瓷電容器完備(komplettieren)。陶瓷電容器相對于電解電容器來說還具有顯著降低的串聯電阻并且由此在實現期望的濾波功能方面有很大的優勢。電感性組件同樣實施為多層組件(Multilagenbauelemente)；在此將相應的線圈印刷在鐵氧體帶上并且互相接線，以形成所要求的電感。圖4是按照圖2和3的實施方式的濾波器模塊的分解圖。在圖4中可見電容器和電感器的不同層(Lagen)(層面(Ebenen))。這兩個電容器層包含各個錯開的(versetzte) 的電極層，其形成多層陶瓷電容器。同樣多個印刷導線形成一個分層的(geschichtete)最終電感，其中各個金屬化層(Metallisierimgslagen)借助金屬化通孔互相電連接。在此，對于低溫燒結過程匹配濾波器組件的材料。該過程在低溫情況下允許使用由銀組成的金屬化，這在更高的燒結溫度下不再是可能的。常規的高溫組件利用銀鈀金屬化實施，這相對于純的銀金屬化來說導致明顯更高的成本。各個濾波器組件的共同燒結的前提條件是在燒結過程中不同的陶瓷材料的相匹配的收縮特性。此外必須匹配各個材料的溫度膨脹系數，以使得在模塊溫度改變的情況下機械張力最小化。如果從處理技術的角度來說有必要，則可以將所謂的基帶(Basistape) —起集成到模塊構造中，如圖5所示。如從圖5可以看出的，濾波器模塊可以具有將電容器層與電感器層分離的另外兩個層。中間層(基帶)可以布置在鐵氧體的和介電的材料之間，以便實現在例如具有不同膨脹系數的不同材料之間的平衡。就其介電常數和磁導率而言基帶沒有任何特別的特性；然而可以在較大范圍內對膨脹系數和收縮特性進行匹配。由此可以實現電容器和電感器層的高介電的和高磁導的功能陶瓷的可能不同的溫度特性的平衡。優選地，基帶還可以用作布線載體(Verdmhtungstrager )并且為此目的具有相應的金屬化。在這種情況下，在電容器層和鄰接的電感器層之間的內部接線是可能的。也可以考慮簡化的外部觸點接觸。通過一方面使用陶瓷材料并且另一方面集成到模塊中，與常規的構造相比實現了濾波器構造的小型化。這會降低生產成本并且簡化開關電源的制造。開關電源的大小因此可以減小，因為如已經提到的，濾波器組件通常在一個供電設備中占據很多空間。通過使用按照本發明的單片式集成濾波器模塊，可以很大程度減小無源濾波器組件在開關電源體積上的比例。此外減少了到印刷電路板的連接，這節省了制造成本并且降低了錯誤可能性。然而在小型化和集成為緊湊的模塊的情況下，產生如下效果，S卩，使用的組件由于小型化而在空間上比其他情況下明顯互相更靠近地布置。由此會出現通過各個單個組件引起的電磁場的加強的耦合。互相靠近的導線段(LeiterstUcken)的磁場通過磁耦合而互相影響。例如，如果電路的饋線和回線靠得很近，則其磁場部分地互相抵消，這極大減小了該裝置的總電感。由此通常將電流路徑互相緊密地引導并且將電纜互相纏繞。該耦合在濾波器裝置的情況下會導致濾波器衰減的減小，這可能導致，不再能實現干擾的標準抑制。為了改善濾波器衰減，必須減小濾波器組件的電磁耦合。對于所力求的低通濾波器，必須特別地最小化兩個電容器的耦合。否則在這些組件的高耦合的情況下高頻電壓直接從濾波器的輸入到達輸出并且由此不能被衰減。濾波效果的這種降低可以通過模塊中各個組件的有利布置來克服。在圖2中示出的濾波器裝置實現兩個電容器的盡可能高的去耦合，方法是，將它們在濾波器模塊中布置在相對的面上并且由此在空間上盡可能互相分離，因為磁場強度隨著距離減弱。此外目標是，如下布置互相靠近布置的組件，使得一個組件對于另一個組件的場的穿透面積最小。這點將在圖6中詳細解釋，圖6反映了在線圈的周圍及其磁場中電容器的兩種不同的布置。示出了無鐵芯線圈以及通過其引起的磁力線。此外各示出了在附近布置的兩個電容器。電容器中的點在此表示兩個接頭，電容器通過所述接頭與其他組件電連接。流過電容器的電流在此從一個接頭流到另一個接頭。在左邊的圖中，電容器中的電流與磁力線并行。無鐵芯線圈與該組件的耦合小。相反在右邊的圖中線圈的磁力線與電容器中的電流正交，即，相對多的磁力線穿過組件。在這種情況下，無鐵芯線圈與該組件的耦合高。因此可以通過如下來實現濾波器模塊的兩個電容器的耦合的進一步減小，即，將通過在兩個電容器中的電流形成的磁場去耦合。對電容器充電或放電的電流流過接頭并且必要時經印刷導線流向電容器或離開電容器，并且電荷分布到形成電容器的多個金屬化層面上。此時當電容器層中的電流互相正交時，從中產生的磁場也互相垂直并且在理想情況下相互根本沒有影響。電容器層間的磁耦合以這種方式得以最小化。圖7示出了按照本發明的實施方式的兩個電容器層，其中在這兩個層中的箭頭給出了各個主要的電流方向。如從圖中可以看出的，電流互相垂直。為了達到這一點，將電容器、印刷導線和外部接頭相應地設置在該濾波器模塊中。按照本發明的另一個優選實施方式，外部觸點接觸互相靠近地布置到電容器上， 以便使得通過電容器的外部觸點接觸而張開的面積盡可能小。這點將結合圖8和9詳細解釋。在這兩個圖中，示出了濾波器模塊的多層電容器(Mehrlagenkondensator)的構造，以及分別交替地與兩個外部電極觸點接觸的電極的梳形(波紋形)的布置。陶瓷材料位于電極之間。在圖8中通過兩個外部觸點接觸形成的面積大。外部觸點接觸和波紋形的電容器層疊布置(Kondensatorlagenanordnung)由此形成開放的電流回路，其磁場對于濾波器模塊的整個布置是不利的。圖9中最底下的內部電極引導至相對的面，由此位于第二電極的附近，并且在該位置向外接觸。由此通過外部電極張開的面積變小。這是一個幾乎封閉的電流回路，其具有有利的磁場，并且由此相對于圖8的電極布置來說具有明顯的優點。按照本發明的另一個實施方式，替代圖9中示出的靠近的外部電極布置(或除此之外)，在印刷電路板上設置大的金屬化的面積，以便接觸這兩個外部電極。由此實現了相同的屏蔽效果。按照本發明的濾波器模塊與其中單個地設置濾波器組件的常規的濾波器布置不同，可以在設計(angeben)開關電源時減少成本。此外通過濾波器的小型化可以更小地構造開關電源。
權利要求
1.一種用于開關電源的單片式集成濾波器模塊，其中，濾波器模塊具有集成到濾波器模塊的多層的結構中的多個電感器和電容器，其中，所述電容器和電感器這樣布置在濾波器模塊中，使得其相互的磁耦合最小化。
2.根據權利要求1所述的單片式集成濾波器模塊，其中，所述多個電容器分布在布置在濾波器模塊的相對面上的兩層上。
3.根據權利要求2所述的單片式集成濾波器模塊，其中，這兩個電容器層具有接頭和印刷導線，以便對兩個層中的多個電容器充電或放電，并且其中，多個電容器、接頭和印刷導線的布置是這樣的，使得在一個電容器層中通過多個電容器、通過接頭和印刷導線的電流與在另一個電容器層中通過多個電容器、通過接頭和印刷導線的電流正交。
4.根據權利要求2或3所述的單片式集成濾波器模塊，其中，第一和第二外部觸點接觸接頭在空間上互相靠近地布置在至少一個電容器層上。
5.根據前述權利要求1至3中任一項所述的單片式集成濾波器模塊，其中，所述濾波器模塊與印刷電路板電相連，并且印刷電路板具有用于接觸所述電容器的大的金屬化面積。
6.根據前述權利要求2至5中任一項所述的單片式集成濾波器模塊，其中，所述電容器層具有由陶瓷電介質承載的多個金屬化層面。
7.根據前述權利要求1至6中任一項所述的單片式集成濾波器模塊，其中，多個電感器分布在由多個在其上安裝了線圈的電感器層面組成的兩層上。
8.根據前述權利要求1至7中任一項所述的單片式集成濾波器模塊，其中，該濾波器在 900°C的溫度下被燒結，并且該濾波器模塊的金屬組件由銀組成。
9.根據前述權利要求1至8中任一項所述的單片式集成濾波器模塊，其中，匹配該濾波器模塊的陶瓷材料的收縮特性，以允許該濾波器模塊的各組件的共同燒結。
10.根據前述權利要求1至9中任一項所述的單片式集成濾波器模塊，其中，匹配該濾波器模塊的所有材料的溫度膨脹特性，以便在溫度改變的情況下將該濾波器模塊的機械張力最小化。
11.根據前述權利要求1至10中任一項所述的單片式集成濾波器模塊，其中，該濾波器模塊具有至少一個中間層，其收縮和溫度膨脹特性被匹配，以在溫度改變的情況下將該濾波器模塊的機械張力最小化。
12.根據權利要求11所述的單片式集成濾波器模塊，其中，所述至少一個中間層具有金屬化，以允許與該濾波器模塊的鄰近的層的電連接。
13.根據前述權利要求1至12中任一項所述的單片式集成濾波器模塊，其中，該濾波器模塊具有允許在900°C情況下材料的共同燒結的材料。
14.一種具有根據前述權利要求1至13中任一項所述的濾波器模塊的開關電源。
15.根據權利要求14所述的開關電源，其中，所述濾波器模塊作為低通濾波器在開關電源中用作輸入和/或輸出濾波器。
全文摘要
本發明涉及一種用于開關電源的濾波器模塊，所述濾波器模塊是單片式集成的并且由此具有小的體積。此外，濾波器組件以使得其相互的磁耦合最小化的方式布置在模塊中。為此將所述電容器的兩個層盡可能互相遠離地布置，即，布置在濾波器模塊的兩個相對面上。此外流過這兩個電容器層的電流互相正交，以便將它們產生的磁場去耦合。此外，到電容器層的外部觸點接觸是這樣的，它們緊靠在一起，以便形成盡可能封閉的回路。為了能夠將濾波器組件共同燒結到一個模塊，必須使得使用的材料的收縮特性以及溫度膨脹系數相互一致。在電感器的鐵氧體(ferritisch)的材料和電容器的電介質之間的另一個層通過匹配的材料特性而減小由于溫度改變而產生的機械張力。
文檔編號H03H7/01GK102349234SQ200980157934
公開日2012年2月8日 申請日期2009年3月13日 優先權日2009年3月13日
發明者R.舒爾茲, S.莫貝 申請人:能源系統技術有限責任公司