DE102022111363A1

DE102022111363A1 - Induktives Filterelement

Info

Publication number: DE102022111363A1
Application number: DE102022111363.9A
Authority: DE
Inventors: Tobias KORALEK; Felipe Jerez Galdeano; Anneliese DRESPLING
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2022-05-06
Filing date: 2022-05-06
Publication date: 2023-11-09
Also published as: WO2023213944A1

Abstract

Es wird ein induktives Filterelement (100) angegeben, das ein Kernelement (1) mit einem ersten Endbereich (11), einem mittleren Bereich (10) und einem zweiten Endbereich (12), die entlang einer longitudinalen Richtung (91) angeordnet sind, wobei der mittlere Bereich zwischen dem ersten Endbereich und dem zweiten Endbereich angeordnet ist, und einen Draht (2) mit einem Wicklungsteil (20), der als Wicklung auf dem mittleren Bereich des Kernelements ausgebildet ist, aufweist, wobei der mittlere Bereich des Kernelements eine Länge lc in der longitudinalen Richtung und einen rechteckigen Querschnitt senkrecht zur longitudinalen Richtung mit einer Breite wc in einer transversalen Richtung (92) und einer Höhe hc in einer vertikalen Richtung (93) aufweist und wobei lc > wc und lc > hc ist.

Description

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein induktives Filterelement. Gemäß mindestens einer Ausführungsform kann das induktive Filterelement eine Drossel, vorzugsweise eine Breitbanddrossel, sein. Das induktive Filterelement kann beispielsweise in einem Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsgerät eingesetzt werden. Insbesondere kann das induktive Filterelement in industriellen Anwendungen sowie in einer automobilen oder medizinischen Umgebung eingesetzt werden.
Moderne Kommunikationssysteme sind mehr und mehr auf eine Hochgeschwindigkeitsübertragung von Daten angewiesen und müssen gleichzeitig leichter und kleiner sein. Solche Strukturen benötigen oft einen magnetischen Filter, der eine hohe Impedanz über einen breiten Frequenzbereich aufweist. Die Bereitstellung von elektrischer Energie und die Übertragung von Daten an ein anderes Gerät erfordern häufig die Verwendung derselben Leitung, was in der sogenannten Bias-Tee-Konfiguration realisiert wird. Ein solches System, das elektrische Leistung über eine Datenleitung oder einen Signalkanal übertragen kann, wird auch als asymmetrisches oder unausgeglichenes („unbalanced“) Injektionssystem bezeichnet und erfordert in der Regel einen kompakten und breitbandigen Hochfrequenzfilter.
Mit einem unausgeglichenen Stromeinspeisesystem kann beispielsweise ein PoC-System („Power over Coaxial“, „Energie über Koaxial“) zur Kommunikation zwischen zwei Geräten und deren gleichzeitiger Stromversorgung verwendet werden. Eine Reihe von Induktivitäten bildet einen mehrstufigen Filter, um den gewünschten AC-Sperrpegel zu erreichen. Eine gängige Methode, um die gewünschte Bandbreite zu erreichen, ist die Verwendung unterschiedlicher Impedanzleistungen mehrerer verschiedener Induktivitäten. Je nach benötigter Bandbreite können Induktivitäten mit einem hohen Induktivitätswert von etwa 100 bis 150 µH zur Festlegung der niederfrequenten Impedanz und Induktivitäten mit einigen hundert nH zur Festlegung der höherfrequenten Leistung verwendet werden.
Daher wird je nach erforderlicher Bandbreite in der Regel ein mehrstufiger Filter verwendet, der aus einem Filternetzwerk mit zwei, drei, vier oder noch mehr Induktorstufen gebildet ist. Jede Induktivität sollte in der Lage sein, einen ausreichenden Strom zu liefern, damit das Energieeinspeisungssystem mit der gewünschten Leistung betrieben werden kann, wobei es möglicherweise bei hohen Temperaturen und mit einem möglichst geringen Widerstand arbeitet, um zu große Leistungsverluste im Filternetzwerk zu vermeiden. Zusätzlich zu der Notwendigkeit, diese Anforderungen zu erfüllen, benötigt ein solches Filternetzwerk aufgrund der Größe der einzelnen Spulen viel Platz auf der Leiterplatte.
Zum Beispiel beschreiben die Druckschriften DE 10 2019 126 816 A1 , DE 10 2008 044 845 A1 , JP 2010-232 988 A , US 10,701,693 B2 und US 2018/098324 A1 mehrstufige Filternetzwerke.
Der Impedanzpeak jeder in einem mehrstufigen Filter verwendeten Induktivität hängt vom Induktivitätswert und der inneren Streukapazität ab. Das Material, das Fertigungskonzept und die Wicklungsart der Spule sowie die Beschichtung des Drahtes können jedoch die interne Streukapazität der eingesetzten Induktivitäten verändern. Diese Variabilität der Streukapazität führt zu Problemen bei der Standardisierung eines einzelnen Filters für eine gewünschte Bandbreite, da zwei ähnliche Induktoren mit demselben Induktivitätswert unterschiedliche Eigenresonanzfrequenzen („self-resonance frequency“, SRF) und unterschiedliche Impedanzkurven aufweisen können. Dieses Problem ist bei höheren Frequenzen aufgrund des größeren Einflusses der Streukapazität gegenüber dem Induktivitätswert noch gravierender.
Der derzeitige Stand der Technik bietet mehrere Lösungen, um den gewünschten Filter für hohe Frequenzen in einer Power-over-Signal(Energie-über-Signal)-Konfiguration zu erstellen. Die erste verfügbare Lösung stellt Topologien vor, die eine Bias-Tee-Konfiguration mit mehreren Induktoren verwenden, um die gewünschte Bandbreite zu erreichen. Wie bereits beschrieben, wird diese Lösung in unausgeglichenen Energieeinspeisungssystemen wie PoC-Systemen verwendet. Es ist jedoch schwierig, diese Lösung in symmetrischen Leitungen zu verwenden, da die Leistung der implementierten Zweidrosselnetzwerke mit mehreren Stufen in jeder Leitung asymmetrisch ist. Hier führen Änderungen des Induktivitätswerts aufgrund von Fertigungstoleranzen zu Problemen in Bezug auf die Hochfrequenzumwandlung und die Rückflussverluste. Bei engen Toleranzen ist es jedoch möglich, eine solche für den asymmetrischen Einsatz vorgesehene Lösung in einem symmetrischen Fall zu verwenden, was dann auch als Power-over-Dataline (PoDL, „Energie über Datenkabel“) bezeichnet wird.
Zumindest eine Aufgabe mindestens einer Ausführungsform ist die Bereitstellung eines induktiven Filterelements, vorzugsweise eines induktiven Filterelements mit einer großen Bandbreite.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere Ausführungsformen und Konfigurationen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß mindestens einer Ausführungsform weist ein induktives Filterelement ein Kernelement auf. Das Kernelement kann einen ersten Endbereich, einen mittleren Bereich und einen zweiten Endbereich aufweisen, die entlang einer longitudinalen Richtung angeordnet sind, wobei der mittlere Bereich zwischen dem ersten Endbereich und dem zweiten Endbereich angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das induktive Filterelement einen Draht auf. Der Draht kann einen Teil aufweisen, der als Wicklung auf dem mittleren Bereich des Kernelements ausgebildet ist und der hier und im Folgenden als Wicklungsteil bezeichnet wird. Der Wicklungsteil bildet die eigentliche und einzige Spulenstruktur des induktiven Filterelements. Mit anderen Worten weist das induktive Filterelement vorzugsweise nur einen Draht mit nur einem Wicklungsteil auf, so dass das induktive Filterelement nur eine Spulenstruktur aufweist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat der mittlere Bereich des Kernelements eine Länge lc in longitudinaler Richtung. Vorzugsweise ist lc größer oder gleich 1 mm oder größer oder gleich 5 mm und kleiner oder gleich 15 mm. Weiterhin hat das Kernelement einen rechteckigen Querschnitt, der senkrecht zur longitudinalen Richtung verläuft. Der Querschnitt ist rechteckig und hat eine Breite wc in einer transversalen Richtung und eine Höhe hc in einer vertikalen Richtung, wobei sowohl die transversale Richtung als auch die vertikale Richtung vorzugsweise senkrecht zur longitudinalen Richtung und die transversale Richtung senkrecht zur vertikalen Richtung ist. Weiterhin ist lc > wc und lc > hc, d.h. die Länge des Kernelements ist größer als die Breite und die Höhe. Vorzugsweise ist lc/hc ≥ 2, und lc/wc ≥ 2 oder sogar lc/wc ≥ 3. Besonders bevorzugt gilt 3 ≤ lc/wc ≤ 15 oder 5 ≤ lc/wc ≤ 15 oder 10 ≤ lc/wc ≤ 15 sowie 2 ≤ lc/hc ≤ 20 oder 5 ≤ lc/hc ≤ 20 oder 10 ≤ lc/hc ≤ 20 oder 15 ≤ lc/hc ≤ 20.
Darüber hinaus kann der rechteckige Querschnitt insbesondere bedeuten, dass der Querschnitt an jeder Stelle des mittleren Bereichs des Kernelements rechteckig ist. Dies kann bedeuten, dass der Querschnitt quadratisch ist mit wc = hc. Vorzugsweise ist 1 ≤ wc/hc ≤ 5 oder 2 ≤ wc/hc ≤ 5 oder 3 ≤ wc/hc ≤ 5.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Wicklungsteil im mittleren Bereich als einlagige Wicklung ausgebildet. Mit anderen Worten weist der Wicklungsteil keinen Drahtteil auf, der in vertikaler oder transversaler Richtung auf einem anderen Drahtteil angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Anzahl der Windungen im Wesentlichen durch die Länge lc des mittleren Bereichs geteilt durch den Drahtdurchmesser gegeben, so dass der Draht eng gewickelt ist. Eine einlagige Wicklung kann die Streukapazität im Vergleich zu Spulen mit mehreren übereinander gewickelten Wickellagen verringern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Wicklungsteil des Drahtes als eine Mehrzahl von in longitudinaler Richtung hintereinander angeordneten Wicklungsblöcken ausgebildet, die durch Übergangsteile des Drahtes in Reihe geschaltet sind. Jeder Wicklungsblock kann aus mindestens einer einlagigen Wicklung, d.h. einer Wicklung mit einer Lage, oder einer Wicklung mit kleiner oder gleich 5 Wicklungslagen gebildet sein. Vorzugsweise ist die Länge lwb eines jeden Wicklungsblocks in longitudinaler Richtung kurz im Vergleich zur Länge lc des mittleren Bereichs. Zum Beispiel ist lwb/lc ≤ 0,5 oder lwb/lc ≤ 0,2 oder lwb/lc ≤ 0,1. Aufgrund der geringen Länge der Wicklungsblöcke im Vergleich zur Länge des Mittlerbereichs und aufgrund der geringen Anzahl von Wicklungslagen kann jeder Wicklungsblock eine niederkapazitive Spule bilden, so dass sich alle Wicklungsblöcke zu einer niederkapazitiven Spulenstruktur summieren. Mehrere Wicklungslagen pro Wicklungsblock können zu einem höheren Induktivitätswert führen. Das induktive Filterelement kann vorzugsweise eine Anzahl von größer oder gleich 2 Wicklungsblöcken und von kleiner oder gleich 10 Wicklungsblöcken aufweisen. Jedes Übergangsteil kann eine Länge lt entlang der longitudinalen Richtung 91 haben, wobei die Länge lt der Übergangsteile vorzugsweise lang genug ist, damit die Wicklungsblöcke gut voneinander getrennt sind. Vorzugsweise ist lt größer oder gleich 0,1 mm oder größer oder gleich 0,2 mm oder größer oder gleich 0,5 mm. Weiterhin ist lt vorzugsweise kleiner oder gleich 0,8 mm. Vorzugsweise ist lt/lwb ≥ 10. Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass 20 ≤ lc/lt ≤ 150 gilt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform hat der mittlere Bereich einen ersten Querschnitt, der an den ersten Endbereich angrenzt, und einen zweiten Querschnitt, der an den zweiten Endbereich angrenzt. Der erste und der zweite Querschnitt können gleich groß sein. Mit anderen Worten kann der erste Querschnitt eine erste Fläche cs1 und der zweite Querschnitt eine zweite Fläche cs2 mit cs1/cs2 = 1 aufweisen. Insbesondere kann jeder Querschnitt des mittleren Bereichs gleich dem ersten und zweiten Querschnitt sein, so dass der mittlere Bereich eine Quaderform haben kann. Alternativ kann der erste Querschnitt größer sein als der zweite Querschnitt, so dass der mittlere Bereich des Kernelements eine konische Form aufweisen kann. Dies kann bedeuten, dass mit zunehmendem Abstand vom ersten Endbereich in longitudinaler Richtung mindestens eine der Höhen hc und der Breiten wc abnimmt. Beispielsweise nimmt zumindest die Höhe hc oder die Breite wc mit zunehmendem Abstand vom ersten Endbereich linear ab. Insbesondere kann der erste Querschnitt eine erste Fläche cs1 und der zweite Querschnitt eine zweite Fläche cs2 aufweisen, wobei 1 < cs1/cs2 ≤ 15 oder 2 ≤ cs1/cs2 ≤ 15 oder 5 ≤ cs1/cs2 ≤ 15 oder sogar 10 ≤ cs1/cs2 ≤ 15.
Vorzugsweise haben der erste und der zweite Endbereich eine ähnliche Form und ähnliche Abmessungen, unabhängig von der Form des mittleren Bereichs. Insbesondere können eine Breite des ersten Endbereichs in der transversalen Richtung gleich einer Breite des zweiten Endbereichs in der transversalen Richtung und eine Höhe des ersten Endbereichs in der vertikalen Richtung gleich einer Höhe des zweiten Endbereichs in der vertikalen Richtung sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das induktive Filterelement ein Gehäuse aus einem Kunststoffmaterial auf, das das Kernelement und den Draht vollständig umschließt. Das Gehäuse kann vorzugsweise durch einen Formkörper gebildet werden, der ein Kunststoffmaterial wie ein Epoxidharz aufweist oder daraus besteht. Besonders bevorzugt kann das Gehäuse aus einem hochtemperaturstabilen Kunststoff, wie z.B. einem Material auf Basis von oder bestehend aus Flüssigkristallpolymeren („liquid crystal polymer“, LCP) und/oder Polyphenylensulfid (PPS), hergestellt werden. Das Gehäuse kann auch nur aus einem oder mehreren Kunststoffen ohne Füllstoffe bestehen. Darüber hinaus kann das Gehäuse mindestens einen im Kunststoffmaterial dispergierten Füllstoff enthalten. Besonders bevorzugt kann das Gehäuse als Füllmaterial ein magnetisches Material wie magnetische Partikel oder magnetische Flocken enthalten, die in dem Kunststoffmaterial dispergiert sind. Das magnetische Material kann z.B. Ferrit oder Metallpulver aufweisen oder sein.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen kombiniert das induktive Filterelement das Konzept eines langen rechteckigen magnetischen Kernelements mit einem Draht, der eine Wicklung in nur einer Schicht oder in mehreren räumlich getrennten Wicklungsblöcken aufweist. Um den magnetischen Kreis zu schließen, ist das magnetische Kernelement vorzugsweise mit einem Gehäuse bedeckt, das durch einen Formkörper gebildet wird, der vorzugsweise magnetische Füllstoffe enthält, die gute Abschirmungseigenschaften und eine gute Hochstromfestigkeit gewährleisten. Das induktive Filterelement kann insbesondere in asymmetrischen Stromeinspeisesystemen verwendet und eingesetzt werden, da die beschriebenen Merkmale eine hohe Eigenresonanzfrequenz bei gleichzeitiger Reduzierung der Streukapazität ermöglichen. Das Gehäuse ist vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt und kann magnetische Füllstoffe enthalten, um eine magnetische Abschirmung zu erreichen und die elektrischen Parameter wie einen niedrigen Gleichstromwiderstand (RDC), einen hohen Induktivitätswert und eine gute Hochfrequenzleistung aufgrund der geringen Verluste durch das verwendete Material zu verbessern. Insbesondere die gute Leistung in Bezug auf Streuparameter wie niedrige Rückflussdämpfung und niedrige Einfügungsdämpfung machen das Bauteil für Anwendungen wie PoC („Power over Coaxial“, „Energie über Koaxial“) oder LVDS („Low-Voltage Differential Signaling“, „Niederspannungs-Differentialsignalisierung“) geeignet.
Das hier beschriebene induktive Filterelement kann eine Breitbanddrossel für Hochgeschwindigkeitskommunikationsgeräte bilden und bietet mehrere Verbesserungen gegenüber dem derzeitigen Stand der Technik bei induktiven Filtern:

- Ultrabreiter (breitbandiger) Frequenzgang, wodurch das induktive Filterelement für PoC oder LVDS geeignet ist, da es einen Frequenzbereich abdeckt, der normalerweise von einer Kombination aus zwei oder drei Induktivitäten abgedeckt wird;
- gute magnetische Abschirmung durch ein Gehäuse über einem Magnetkern, wobei das Gehäuse ein Kunststoffmaterial in Kombination mit magnetischen Materialien aufweist oder daraus besteht;
- eine Wicklung, die eine Spulenstruktur mit einer geringen Streukapazität bildet, was zu einer guten Hochfrequenzleistung führt;
- eine hohe Permeabilität, die durch die magnetischen Materialien erreicht wird und einen niedrigen RDC bei gleichzeitig hohem Sättigungsstrom ermöglicht.

Gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist das induktive Filterelement ein Magnetkernelement mit einer konischen Form auf. Die Spulenstruktur, die durch den Wicklungsteil auf dem konischen Kernelement gebildet wird, bietet verbesserte elektrische Eigenschaften wie eine noch geringere Rückfluss- und Einfügungsdämpfung und eine geringere Streukapazität, die eine noch höhere Eigenresonanzfrequenz ermöglicht, während sie gleichzeitig eine hohe Induktivität und damit einen breiteren Frequenzgang bietet.
Darüber hinaus kann das induktive Filterelement auch in symmetrischen Stromeinspeisungssystemen verwendet und implementiert werden, da das hier beschriebene induktive Filterelement die Leistung herkömmlicher Induktoren, die für ein PoDL-System („Power over Data Line“, „Energie über Datenkabel“) oder ähnliche Systeme verwendet werden, verbessern kann. Insbesondere kann in solchen Systemen die Verwendung von Filtern mit mehreren Filterstufen aufgrund der Unterschiede in den symmetrischen Leitungen eine Herausforderung darstellen. Dieser Effekt, der eine Modenumwandlung in den Streuparametern (Scd11, Scd12, Scd21, Scd22, Sdc11, Sdc12, Sdc21, Sdc22) bewirkt, kann durch die Verwendung des hier beschriebenen induktiven Filterelements in Kombination mit den zuvor beschriebenen weiteren positiven Effekten reduziert werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Zweckmäßigkeiten ergeben sich aus der folgenden Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen in Verbindung mit den Figuren.

1A bis 1E zeigen schematische Darstellungen eines induktiven Filterelements gemäß einer Ausführungsform,
2 zeigt eine schematische Darstellung eines induktiven Filterelements gemäß einer weiteren Ausführungsform,
3A und 3B zeigen schematische Darstellungen eines induktiven Filterelements gemäß einer weiteren Ausführungsform,
4A bis 4C zeigen schematische Darstellungen eines Kernelements eines induktiven Filterelements gemäß verschiedenen weiteren Ausführungsformen,
5 bis 7 zeigen schematische Darstellungen eines Schaltplans einer beispielhaften PoC-Struktur und eines in der PoC-Struktur verwendeten induktiven AC-Sperrfilters, wie sie im Stand der Technik verwendet werden sowie gemäß einer weiteren Ausführungsform, und
8A bis 8E zeigen Impedanzkurven typischer Induktivitäten, die in mehrstufigen Filterstrukturen verwendet werden, sowie Impedanzkurven von induktiven Filterelementen gemäß einer weiteren Ausführungsform.

In den Figuren sind Elemente mit gleichem Aufbau und/oder gleicher Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Es versteht sich von selbst, dass die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen illustrative Darstellungen sind und nicht unbedingt maßstabsgetreu gezeichnet sind.
Die 1A bis 1E zeigen in verschiedenen Ansichten ein induktives Filterelement 100 und mehrere seiner Bestandteile gemäß einer Ausführungsform. Das induktive Filterelement 100 weist ein Kernelement 1, einen Draht 2, der eine Spulenstruktur auf dem Kernelement 1 bildet, elektrische Kontaktelemente 3 und ein Gehäuse 4 auf.
1A zeigt eine perspektivische Ansicht des Kernelements 1 des induktiven Filterelements 100, 1B zeigt eine perspektivische Ansicht des inneren Aufbaus des induktiven Filterelements 100, 1C zeigt eine perspektivische Außenansicht des induktiven Filterelements 100, 1D zeigt das Kernelement 1 mit angedeuteten Abmessungen und 1E zeigt einen Zustand des noch nicht fertiggestellten induktiven Filterelements 100 während der Herstellung. Die folgende Beschreibung gilt gleichermaßen für die 1A bis 1E.
Das Kernelement 1, das z.B. aus Ferrit gefertigt und einteilig ausgebildet sein kann, weist einen mittleren Bereich 10 zwischen einem ersten Endbereich 11 und einem zweiten Endbereich 12 auf. Vorzugsweise schließen der erste Endbereich 11 und der zweite Endbereich 12 unmittelbar an den mittleren Bereich 10 an. Hier und im Folgenden wird die Haupterstreckungsrichtung des Kernelements 1, d.h. die Richtung vom ersten Endbereich 11 zum zweiten Endbereich 12, als longitudinale Richtung 91 bezeichnet, wie in den Figuren angedeutet ist. Somit sind der erste Endbereich 11, der mittlere Bereich 10 und der zweite Endbereich 12 entlang der longitudinalen Richtung 91 hintereinander angeordnet.
Weiterhin sind in den Figuren eine transversale Richtung 92 und eine vertikale Richtung 93 angedeutet. Bei normaler Montage auf einer Montagefläche eines Trägers, z.B. einer Leiterplatte, ist die durch die longitudinale Richtung 91 und die transversale Richtung 92 definierte horizontale Ebene parallel zur Montagefläche dieses Trägers angeordnet. Die vertikale Richtung 93 ist senkrecht zur Montagefläche angeordnet. Die Abmessungen entlang der longitudinalen Richtung 91 werden als Länge, die Abmessungen entlang der transversalen Richtung 92 als Breite und die Abmessungen entlang der vertikalen Richtung 93 als Höhe bezeichnet. Das induktive Filterelement 100 und das Kernelement 1 haben also jeweils eine Länge in der longitudinale Richtung 91, eine Breite in der transversalen Richtung 92 und eine Höhe in der vertikalen Richtung 93.
Der mittlere Bereich 10 des Kernelements 1 wird in der transversalen Richtung 92 durch einander gegenüberliegende Seitenflächen 101 begrenzt, so dass der Abstand zwischen den Seitenflächen 101 die Breite des mittleren Bereichs 10 definiert. Ferner wird der mittlere Bereich des Kernelements 1 in der vertikalen Richtung 93 durch eine Oberseitenfläche 102 und eine Unterseitenfläche 102' begrenzt, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, so dass der Abstand zwischen der Oberseitenfläche 102 und der Unterseitenfläche 102' die Höhe des mittleren Bereichs 10 definiert.
Ebenso wird der erste Endbereich 11 in der transversalen Richtung 92 durch einander gegenüberliegende Seitenflächen 111 begrenzt, wobei der Abstand zwischen den Seitenflächen 111 die Breite des ersten Endbereichs 11 definiert. Der zweite Endbereich 12 wird in der transversalen Richtung 92 durch einander gegenüberliegende Seitenflächen 121 begrenzt, wobei der Abstand zwischen den Seitenflächen 121 die Breite des zweiten Endbereichs 11 definiert.
Ferner wird der erste Endbereich 11 in vertikaler Richtung 93 durch eine Oberseitenfläche 112 und eine Unterseitenfläche 112' begrenzt, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen der Oberseitenfläche 112 und der Unterseitenfläche 112' die Höhe des ersten Endbereichs 11 definiert. Der zweite Endbereich 12 wird in der vertikalen Richtung 93 durch eine Oberseitenfläche 122 und eine Unterseitenfläche 122' begrenzt, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, wobei der Abstand zwischen der Oberseitenfläche 122 und der Unterseitenfläche 122' die Höhe des zweiten Endbereichs 11 definiert.
Wie in den 1A und 1D zu sehen ist, sind bei der dargestellten Ausführungsform die Höhen des mittleren Bereichs 10, des ersten Endbereichs 11 und des zweiten Endbereichs 12 gleich groß und werden als Höhen hc bzw. h bezeichnet. Die Oberseitenflächen 102, 112, 122 bilden eine ebene Oberseitenfläche des Kernelements 1, und die Unterseitenflächen 102', 112', 122' bilden eine ebene Unterseitenfläche des Kernelements 1. Die Breite wc des mittleren Bereichs 10 ist kleiner als die Breiten w des ersten Endbereichs 11 und des zweiten Endbereichs 12, wobei die Breiten des ersten Endbereichs 11 und des zweiten Endbereichs 12 gleich zueinander sind, so dass das Kernelement 1 eine knochenartige Form aufweist. Folglich weist der mittlere Bereich 10 senkrecht zur longitudinalen Richtung 91 einen Querschnitt mit einer Höhe hc und einer Breite wc auf, die vorzugsweise gleich zueinander sein können, so dass der mittlere Bereich 10 einen quadratischen Querschnitt aufweisen kann. Alternativ kann der mittlere Bereich 10 eine Höhe hc und eine Breite wc mit hc/wc > 1 oder hc/wc < 1 aufweisen, so dass der mittlere Bereich 10 einen rechteckigen Querschnitt aufweisen kann. Vorzugsweise ist 1 ≤ wc/hc ≤ 5. Darüber hinaus kann wc/hc einen Wert wie im allgemeinen Teil angegeben haben.
Angrenzend an den ersten Endbereich 11 weist der mittlere Bereich 10 einen ersten Querschnitt 110 auf, und angrenzend an den zweiten Endbereich 12 weist der mittlere Bereich 10 einen zweiten Querschnitt 120 auf, wobei in der gezeigten Ausführungsform der erste Querschnitt 110 und der zweite Querschnitt 120 gleich zueinander sind.
In longitudinaler Richtung 91 weist der mittlere Bereich 10 eine Länge lc auf, die durch den Abstand zwischen dem ersten Querschnitt 110 und dem zweiten Querschnitt 120 definiert ist. Ferner weisen der erste Endbereich 11 eine erste Endfläche 113 und der zweite Endbereich 12 eine zweite Endfläche 123 auf, wobei die erste Endfläche 113 und die zweite Endfläche 123 das Kernelement 1 in der longitudinalen Richtung 91 begrenzen. Somit definiert der Abstand zwischen der ersten Endfläche 113 und der zweiten Endfläche 123 die Länge l des Kernelements 1. Vorzugsweise gilt
1,1 ≤ lc/1 ≤ 1,5.
Wie in 1B zu sehen ist, weist der Draht 2 einen Wicklungsbereich 20 auf, der um den mittleren Bereich 10 gewickelt ist, um je nach Querschnitt des mittleren Teils 10 eine quadratische oder rechteckige Spulenstruktur mit einer einlagigen Wicklung zu bilden, d.h. der Wicklungsteil 20 weist keinen Drahtteil auf, der in vertikaler oder transversaler Richtung auf einem anderen Drahtteil angeordnet ist. Als mittlerer Bereich 10 wird insbesondere derjenige Teil des Kernelements 1 definiert, auf dem der Wicklungsteil 20 des Drahtes 2 angeordnet ist, d.h. auf dem die Spulenwicklungen angeordnet sind. Die eigentliche Spulenstruktur, die durch den Wicklungsteil 20 gebildet wird, beginnt also am ersten Querschnitt 110 und endet am zweiten Querschnitt 120. Der Draht 2 kann beispielsweise einen oder mehrere Metalle, ausgewählt aus Kupfer, Nickel und Chrom, aufweisen oder daraus bestehen, eine elektrisch isolierende Umhüllung aus einem Polymer, einem Lack oder einer Emaille aufweisen und einen Durchmesser von größer oder gleich 20 µm und kleiner oder gleich 1 mm haben.
Vorzugsweise können zumindest die Kanten 119 des mittleren Bereichs 10 zwischen den Seitenflächen 101 und der Oberseitenfläche 102 sowie der Unterseitenfläche 102' abgeschrägt oder abgerundet sein, um ein straffes Aufwickeln des Drahtes 2 um den mittleren Bereich 10 zu erleichtern. Daher können die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke „rechteckig“ und „quadratisch“ auch Formen mit abgerundeten oder abgeschrägten Ecken umfassen. Darüber hinaus können auch mehrere oder alle Kanten des Kernelements 1 abgeschrägt oder abgerundet sein.
Zur elektrischen Kontaktierung der durch den Wicklungsbereich 20 des Drahtes 2 gebildeten Spulenstruktur verfügt das induktive Filterelement 100 über elektrische Kontaktelemente 3, die jeweils am ersten Endbereich 11 und am zweiten Endbereich 12 angeordnet sind. Die elektrischen Kontaktelemente 3 sind aus Leadframe-Stücken 300 gebildet, wie in 1E gezeigt ist. Jedes der elektrischen Kontaktelemente 3 weist einen äußeren Kontaktbereich 31, Auflagebereiche 32, einen Zungenbereich 33, der zwischen den Auflagebereichen 32 angeordnet ist, und einen Drahtanschlussbereich 34, der einen Verbindungspunkt für den Draht 2 bildet, auf. Der Zungenbereich 33 erstreckt sich in vertikaler Richtung, und die Auflagebereiche 32 erstrecken sich in longitudinaler Richtung. Der äußere Kontaktbereich 31 ist so gebogen, dass er bis zu einer Unterseite des induktiven Filterelements 100 reicht, so dass das induktive Filterelement 100 mit der Montagefläche eines Trägers wie einer Leiterplatte verlötet werden kann, zum Beispiel durch eine Oberflächenmontagetechnik („surface-mount technology“, SMT). Das Kernelement 1 ist auf den Auflagebereichen 32 der äußeren Kontaktelemente 3 angeordnet, wohingegen die Zungenbereiche 33 der äußeren Kontaktelemente 3 in vertikaler Richtung entlang der ersten Endfläche 113 bzw. der zweiten Endfläche 123 des Kernelements 1 geführt werden. Um jedes der elektrischen Kontaktelemente 3 am Kernelement 1 zu befestigen, kann ein Klebstoff verwendet werden, der zwischen den Auflagebereichen 32 jedes der elektrischen Kontaktelemente 3 und dem Kernelement 1 und/oder zwischen dem Zungenbereich 33 jedes der elektrischen Kontaktelemente 3 und dem Kernelement 1 aufgebracht ist. Wie in den 1A und 1B zu sehen ist, weisen der erste Endbereich 11 und der zweite Endbereich 12 vorzugsweise jeweils eine Nut 114, 124 auf, in denen die Zungenbereiche 33 angeordnet sein können. Somit können die Nuten 114, 124 zur einfachen Befestigung der äußeren Kontaktelemente 3 an dem Kernelement 1 vorgesehen werden. Wie in 1E zu sehen ist, werden die Leadframe-Stücke 300, die den Zungenbereich 33 bereits in der vertikalen Richtung 93 gebogen haben, am Kernelement 1 angebracht und befestigt. Nach dem Verbinden des Drahtes 2 mit den Drahtanschlussbereichen 34 der Leadframe-Stücke 300 kann ein Gehäuse 4 wie unten beschrieben angebracht werden, die Leadframe-Stücke 300 können an den angedeuteten gestrichelten Linien abgeschnitten werden und die äußeren Kontaktbereiche 31 können wie oben beschrieben gebogen werden, um bis zu einer Unterseite des Gehäuses 4 zu reichen.
Der Draht 2 weist ferner Übergangsteile 21 und Verbindungsteile 22 auf, wobei an jedem Ende des Wicklungsteils 20 ein Übergangsteil 21 zwischen dem Wicklungsteil 20 und einem der Verbindungsteile 22 angeordnet ist. Die Übergangsteile 21 verlaufen über die Oberseitenflächen 112, 122 des ersten und zweiten Endbereichs 11, 12 zu den Drahtanschlussbereichen 34 der elektrischen Kontaktelemente 3. Jedes der Verbindungsteile 22 ist mit einem Drahtanschlussbereich 34 verbunden, zum Beispiel durch Schweißen oder Löten wie Laserschweißen, Selektivlöten oder Eisenlöten, um eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Draht 2 und den elektrischen Kontaktelementen 3 zu erreichen.
Bis auf die äußeren Kontaktbereiche 31 der elektrischen Kontaktelemente 3 sind alle Komponenten des induktiven Filterelements 100 in einem Gehäuse 4 angeordnet, das beispielsweise durch ein Formgebungsverfahren wie Spritzgießen, Formpressen oder Spritzpressen gebildet werden kann. So kann das Gehäuse 4 vorzugsweise durch einen Formkörper gebildet werden, der ein Kunststoffmaterial wie ein Epoxidharz aufweist oder daraus besteht. Besonders bevorzugt ist das Gehäuse 4 aus einem hochtemperaturstabilen Kunststoffmaterial wie einem LCP oder PPS gefertigt.
Darüber hinaus kann ein magnetisches Material wie Ferritpartikel oder -flocken in dem Kunststoffmaterial des Gehäuses 4 dispergiert sein. Vorzugsweise ist das Verhältnis der Menge des magnetischen Materials zur Menge des Kunststoffs im Gehäuse 4 größer oder gleich 40 Massen-% und kleiner oder gleich 95 Massen-%. Das magnetische Material kann einen magnetischen Füllstoff für die magnetische Abschirmung bilden, um die elektrischen Parameter wie einen niedrigeren Gleichstromwiderstand (RDC), einen hohen Induktivitätswert und ein gutes Hochfrequenzverhalten zu verbessern.
Wie oben beschrieben ist, sind die Abmessungen der durch den Wicklungsteil 20 gebildeten Spulenstruktur durch die Länge lc, die Breite wc und die Höhe hc des mittleren Bereichs definiert. Der Wicklungsteil 20, der die eigentliche Spulenstruktur des induktiven Filterelements 100 bildet, ist eine lange rechteckige oder quadratische Spule mit lc > wc und lc > hc. Vorzugsweise ist 3 ≤ lc/wc ≤ 15 und 2 ≤ lc/hc ≤ 20. Darüber hinaus können lc/wc und lc/hc jeweils die im allgemeinen Teil angegebenen Werte haben. Wie im Zusammenhang mit den nachstehenden 8A bis 8E beschrieben ist, sorgen solche Spulenabmessungen in Verbindung mit einer einlagigen Wicklung für eine niedrige Streukapazität bei einem hohen Induktivitätswert und einer hohen Bandbreite.
Die folgenden Figuren zeigen Modifikationen und Weiterentwicklungen des induktiven Filterelements 100. Dabei beschränkt sich die folgende Beschreibung im Wesentlichen auf die Unterschiede zur bisherigen Ausführungsform.
Das in 2 dargestellte induktive Filterelement 100 weist einen Wicklungsteil 20 des Drahtes 2 mit Wicklungsblöcken 23 auf, die räumlich voneinander getrennt auf dem mittleren Bereich 10 des Kernelements 1 angeordnet sind. Zwischen den Wicklungsblöcken 23 weist der Wicklungsteil 20 des Drahtes 2 aus einem einzigen Drahtteil gebildete Übergangsteile 24 auf, die vorzugsweise nur über eine Fläche des Kernelements 1 verlaufen, wie z.B. die Oberseite 102 wie dargestellt oder alternativ die Unterseite oder eine der Seitenflächen. Der Wicklungsteil 20 des Drahtes 2 ist somit aus mehreren durch die Wicklungsblöcke 23 gebildeten Spulenstrukturen gebildet, die nur durch die eindrahtigen Übergangsteile 24 des Drahtes 2 in Reihe geschaltet sind.
Der Wicklungsbereich 20 kann vorzugsweise mindestens zwei Wicklungsblöcke 23 und höchstens 10 Wicklungsblöcke 23 aufweisen. Wie in 2 dargestellt ist, kann der Wicklungsbereich 20 zum Beispiel 5 Wicklungsblöcke 23 aufweisen.
Jeder der Wicklungsblöcke 23 kann als einlagige Wicklung ausgeführt sein oder mehrere Wicklungslagen aufweisen. Wie in 2 dargestellt ist, kann jeder Wicklungsblock 23 beispielsweise drei Wicklungslagen aufweisen. Vorzugsweise ist jeder Wicklungsblock 23 aus mindestens einer einlagigen Wicklung, d.h. einer Wicklung mit einer Lage, oder einer Wicklung mit kleiner oder gleich 5 Wicklungslagen gebildet. Vorzugsweise ist die Länge lwb jedes Wicklungsblocks 23 in der longitudinalen Richtung 91 kurz im Vergleich zur Länge lc des mittleren Bereichs 10. Zum Beispiel ist lwb/lc ≤ 0,5 oder lwb/lc ≤ 0,2 oder lwb/lc ≤ 0,1. Aufgrund der kurzen Länge der Wicklungsblöcke 23 und der geringen Anzahl von Wicklungslagen kann jeder Wicklungsblock 23 eine niederkapazitive Spule bilden, so dass sich alle Wicklungsblöcke 23 zu einer niederkapazitiven Spulenstruktur summieren. Durch die Wicklungsblöcke 23 kann das induktive Filterelement 100 einen höheren Induktivitätswert erreichen. Das induktive Filterelement 100 kann vorzugsweise eine Anzahl von größer oder gleich 2 Wicklungsblöcken 23 und von kleiner oder gleich 10 Wicklungsblöcken 23 aufweisen. Wie in 2 dargestellt ist, kann das induktive Filterelement 100 beispielsweise fünf Wicklungsblöcke 23 aufweisen.
Die Länge lt der Übergangsteile 24 entlang der longitudinalen Richtung 91 ist vorzugsweise so groß, dass die Wicklungsblöcke 23 gut voneinander getrennt sind.
Vorzugsweise ist lt/lwb ≥ 10. Weiterhin ist es bevorzugt, dass 20 ≤ lc/lt ≤ 150 gilt.
Die 3A und 3B zeigen eine Ausführungsform des induktiven Filterelements 100, die im Gegensatz zu den vorgenannten Ausführungsformen ein konisches Kernelement 1 aufweist. Dies bedeutet, dass der Querschnitt des mittleren Bereichs 10 mit zunehmendem Abstand vom ersten Endbereich 11 oder vom zweiten Endbereich 12 abnimmt oder zunimmt. Dementsprechend nimmt die Breite wc und/oder die Höhe hc des mittleren Bereichs 10 mit zunehmendem Abstand vom ersten Endbereich 11 bzw. vom zweiten Endbereich 12 ab.
Wie in den 3A und 3B dargestellt ist, kann beispielsweise die Breite wc des mittleren Bereichs 10 mit zunehmendem Abstand vom ersten Endbereich 11 linear abnehmen. Dementsprechend weist der mittlere Bereich 10 einen an den ersten Endbereich 11 angrenzenden ersten Querschnitt 110 und einen an den zweiten Endbereich 12 angrenzenden zweiten Querschnitt 120 auf, wobei der erste Querschnitt 110 größer ist als der zweite Querschnitt 120. Die Breite des ersten Endbereichs 11 ist vorzugsweise immer noch gleich der Breite des zweiten Endbereichs 12. Die Höhe hc des mittleren Bereichs 10 bleibt in diesem Beispiel konstant. Aufgrund des abnehmenden Querschnitts des mittleren Bereichs 10 nimmt auch der Wicklungsdurchmesser des Wicklungsteils 20 des Drahtes 2 mit zunehmendem Abstand vom ersten Endbereich 11 ab. Die konische Form kann in beide Richtungen des Kerns angewandt werden, obwohl in den 3A und 3B nur eine dargestellt ist.
Die 4A bis 4C zeigen weitere Beispiele für die konische Form des Kerns 1, die mit der in den 3A und 3B dargestellten konischen Form und/oder miteinander kombiniert werden können. 4A zeigt eine lineare Abnahme der Höhe hc des mittleren Bereichs 10 mit zunehmendem Abstand vom ersten Endbereich 11. Die 4B und 4C zeigen eine gekrümmte Abnahme der Breite wc und der Höhe hc mit zunehmendem Abstand vom ersten Endbereich 11.
Vorzugsweise wird die Abnahme der Breite wc und/oder der Höhe hc so gewählt, dass das Verhältnis cs1/cs2 der Fläche cs1 des ersten Querschnitts zur Fläche cs2 des zweiten Querschnitts größer als 1 und kleiner oder gleich 15 ist. Weiterhin kann cs1/cs2 einen Wert haben, wie er im allgemeinen Teil angegeben ist-.
Das induktive Filterelement 100 gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann in jeder Anwendung eingesetzt werden, die ein induktives Filterelement erfordert. Insbesondere kann das induktive Filterelement 100 in Anwendungen eingesetzt werden, die ein breitbandiges induktives Filterelement erfordern, wie z. B. ein asymmetrisches Einspeisesystem wie eine PoC-Struktur.
5 zeigt ein Schaltbild einer typischen PoC-Struktur als Beispiel für eine Stromeinspeisungsanwendung unter Verwendung des induktiven Filterelements 100 gemäß den zuvor beschriebenen Ausführungsformen. Darüber hinaus kann das induktive Filterelement 100 in anderen asymmetrischen oder symmetrischen Stromeinspeisungssystemen verwendet werden.
Die in 5 dargestellte Schaltung weist einen Serialisierer 212a und einem Deserialisierer 212b auf, die einen sogenannten „SerDes“ bilden. Der Serialisierer 212a und der Deserialisierer 212b sind über DC-Sperrkondensatoren 213a, 213b, 213c, 213d auf Datenübertragungsleitungen wechselstromgekoppelt und über ein Koaxialkabel 216 verbunden, das sowohl die Datenübertragung 217a als auch die Energieübertragung 217b ermöglicht. Der Strom wird über einen induktiven Wechselstromsperrfilter 215a von einer Stromversorgungseinrichtung („power sourcing equiment“, PSE) 211a eingespeist und über einen weiteren induktiven Wechselstromsperrfilter 215b in das mit Strom versorgte Gerät („powered device“, PD) 211b injiziert. Die Kondensatoren 214a und 214b dienen dazu, Wechselstromstörungen aus der Übertragungsleitung sowie Wechselstromstörungen, die entweder vom PSE 211a oder vom PD 211b erzeugt werden, herauszufiltern. Die Gleichstromsperrkondensatoren 213a, 213b, 213c, 213d bilden zusammen mit den induktiven Wechselstromsperrfiltern 215a, 215b auf jeder Seite des Koaxialkabels 216a eine sogenannte „bias tee“-Konfiguration.
6 zeigt einen typischen induktiven AC-Sperrfilter 215a, das im Stand der Technik als PoC-Filter zwischen den Knoten 151 und 152 in der in 5 dargestellten Schaltung verwendet wird. Der induktive AC-Sperrfilter 215b kann in ähnlicher Weise ausgeführt werden.
In der Schaltung von 5 führt der HF-Pfad durch den Knoten 152 vom Serialisierer 212a zum Deserialisierer 212b, die durch einen Gleichstromsperrkondensator getrennt sind. Auf der HF-Seite des Serialisierers 212b ist auch das Gleichstromsignal vorhanden, das vom PSE 211a bereitgestellt wird und durch den induktiven AC-Sperrfilter 215a vom HF-Pfad entkoppelt ist.
Wie in 6 dargestellt ist, weist der beispielhafte induktive Wechselstromsperrfilter 215a drei Filterstufen 150a, 150b, 150c auf, wobei jede Filterstufe 150a, 150b, 150c eine entsprechende Induktivität 156a, 156b, 156c aufweist, die durch Widerstände 155a, 155b, 155c gedämpft wird. Je nach Anwendung wird zum Beispiel der Widerstand 155a oft weggelassen. So können die Stufen 150b, 150c jeweils einen zusätzlichen Widerstand 157b, 157c zusammen mit einem Kondensator 158b, 158c enthalten, um T-Filter zu bilden. Die Widerstände 157b, 157c und die Kondensatoren 158b, 158c sind jedoch optional und können je nach Anwendung weggelassen werden.
Eine typische PoC-Filterstruktur weist mindestens die erste Stufe 155a und die zweite Stufe 155b oder drei Stufen 155a, 155b, 155c, wie in 6 gezeigt, oder sogar weitere Stufen, die wie die Stufe 155c ausgeführt sind, auf, so dass insgesamt vier oder mehr Stufen enthalten sein können.
Jede der Induktivitäten der Stand-der-Technik-Filterstruktur hat eine bestimmte Bandbreite, so dass die Kombination der mehreren Filterstufen die gewünschte Filterbandbreite und damit den erforderlichen Wechselstromsperrpegel ergibt. Daher benötigen Stand-der-Technik-Filterstrukturen, die breitbandige induktive Filterlösungen bilden, in der Regel viel Platz auf einer Leiterplatte und sind nicht kosteneffizient.
Wie in 7 angedeutet ist, kann jede der aus dem Stand der Technik bekannten mehrstufigen Filterstrukturen, die die induktiven Filter in einer Schaltung wie der in 5 gezeigten Schaltung bilden, durch das induktive Filterelement 100 gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen und damit durch ein einziges induktives Element ersetzt werden. Optional kann z. B. ein Dämpfungswiderstand parallel zum induktiven Filterelement 100 hinzugefügt werden. Anstelle von zwei komplexen mehrstufigen Filterstrukturen, die die induktiven Filter 215a, 215b bilden, können daher in der Schaltung von 5 lediglich zwei induktive Filterelemente 100 verwendet werden. Dementsprechend kann ein Stromeinspeisesystem eine Stromquelle auf der einen Seite einer Signalleitung aufwiesen, wobei die Signalleitung beispielsweise eine Datenleitung oder ein Koaxialkabel ist, wobei eine elektrische Gleichstromleistung durch genau ein induktives Filterelement 100, wie hier beschrieben, in die Signalleitung eingekoppelt wird. Darüber hinaus wird auf der anderen Seite der Signalleitung, d.h. auf der Stromausgangsseite, die elektrische Gleichstromleistung durch genau ein weiteres induktives Filterelement 100, wie hier beschrieben, aus der Signalleitung ausgekoppelt. Das induktive Filterelement 100 auf der Stromeingangsseite und das induktive Filterelement 100 auf der Stromausgangsseite können in ähnlicher Weise ausgestaltet sein.
Wie im Folgenden erläutert, bietet das induktive Filterelement 100 eine Lösung mit einer großen Bandbreite und einer ultrahohen Eigenresonanzfrequenz. Weiterhin kann das induktive Filterelement 100 hohen Gleichströmen standhalten, Platz auf einer Leiterplatte sparen und die Kosten des Gesamtsystems senken.
In den 8A bis 8E sind Impedanzkurven typischer Induktivitäten, die in mehrstufigen Filterstrukturen verwendet werden, sowie Impedanzkurven von induktiven Filterelementen gemäß der obigen Beschreibung dargestellt.
8A zeigt die Impedanzkurven 50a, 50b der Impedanz I in Abhängigkeit von der Frequenz f einer typischen PoC-Filterschaltung mit zwei Induktivitäten. Eine Induktivität mit einem niedrigen Induktivitätswert, dargestellt durch Kurve 50b, stellt die Impedanz für die Hochfrequenzleistung ein, während eine zweite Induktivität mit einem höheren Induktivitätswert, dargestellt durch Kurve 50a, für die Einstellung der Leistung bei niedrigeren Frequenzen verwendet wird.
8B zeigt die Impedanzkurven 50a, 50b und 50c einer typischen PoC-Filterschaltung mit drei Induktivitäten. Die erste und die zweite Induktivität, dargestellt durch die Kurven 50a und 50b, ähneln der Konfiguration in 8A, während die Induktivität mit der niedrigsten Frequenzleistung, dargestellt durch die Kurve 50c, einen viel höheren Induktivitätswert erfordert, was zu einer Filterstruktur mit deutlich höheren Kosten und größerer Größe führt.
Um den gewünschten Impedanzpegel über den gezeigten Frequenzbereich zu erzeugen, kann man zum Beispiel drei Induktionsspulen mit Induktivitäten von 100 µH, 5,6 µH und 220 nH verwenden. Die unterschiedlichen Eigenresonanzfrequenzen („self-resonance frequency“, SRF) der Spulen verursachen die Impedanzpeaks, wobei die SRF einer Spule durch die Streukapazität gemäß der Formel SRF = 1/[2π× (LC)^1/2] bestimmt wird, wobei L der Induktivitätswert und C die Streukapazität sind. Da die Streukapazität in erheblichem Maße durch die Zwischenwicklungskapazität verursacht wird, lässt sich die SRF am besten durch eine Verringerung der Zwischenwicklungskapazität reduzieren. In dem oben beschriebenen induktiven Filterelement 100 kann eine niedrige Streukapazität mit einem hohen Induktivitätswert mit einem rechteckigen Kernelement erreicht werden, dessen Wicklungsbereich eine einlagige Wicklung aufweist, wie in Verbindung mit den 1A bis 1E beschrieben ist, oder mehrere gut voneinander getrennte Wicklungsblöcke, wie in Verbindung mit 2 beschrieben ist, da beide Maßnahmen die Zwischenwicklungskapazität erheblich reduzieren können. Ein konisch geformtes Kernelement, wie es im Zusammenhang mit den 3A und 3B beschrieben ist, das auf einer Seite des Kernelements einen größeren Querschnitt und auf der anderen Seite des Kernelements einen kleineren Querschnitt aufweist, kann dazu beitragen, die Wicklungskapazität aufgrund der kleineren Verbindungsfläche zwischen den Wicklungswindungen im Bereich des kleineren Querschnitts noch weiter zu reduzieren und gleichzeitig ein besseres Hochfrequenzverhalten zu erreichen und Resonanzspitzen zu eliminieren.
In den 8C und 8D sind die in den 8A und 8B gezeigten Impedanzkurven 50a, 50b, 50c mit der Impedanzkurve 110a des induktiven Filterelements gemäß der vorliegenden Erfindung verglichen. Insbesondere wurde das induktive Filterelement wie im Zusammenhang mit den 1A bis 1E beschrieben ausgeführt.
Es ist deutlich zu erkennen, dass das induktive Filterelement sowohl im Hoch- als auch im Niederfrequenzbereich ein verbessertes Verhalten zeigt, so dass eine Leistungssteigerung erzielt werden kann, während gleichzeitig der Platz auf der Leiterplatte und der Entwicklungsaufwand sowie die Kosten, z.B. durch die Beschaffung von Bauteilen, reduziert werden. Der Ersatz einer dreistufigen Filterstruktur führt zu einer noch höheren Verbesserung im Vergleich zum Ersatz von zwei Induktivitäten, indem die Kosten und die Größe des Filters noch weiter reduziert werden.
8E zeigt die Impedanzkurve 100a im Vergleich zur Impedanzkurve 100b eines induktiven Filterelements mit einem konisch geformten Kernelement, wie es im Zusammenhang mit den 3A und 3B beschrieben ist. Es ist zu erkennen, dass die konische Bauform zu einer noch besseren Hochfrequenzleistung führt, wodurch die Bandbreite noch weiter erhöht wird.
Alternativ oder zusätzlich zu den im Zusammenhang mit den Figuren beschriebenen Merkmalen können die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen weitere im allgemeinen Teil der Beschreibung beschriebene Merkmale aufweisen. Weiterhin können Merkmale und Ausführungsformen der Figuren miteinander kombiniert werden, auch wenn eine solche Kombination nicht ausdrücklich beschrieben ist.
Die Erfindung ist durch die Beschreibung anhand der beispielhaften Ausführungsformen nicht eingeschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal und auch jede Merkmalskombination, die insbesondere jede Merkmalskombination aus den Patentansprüchen umfasst, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht ausdrücklich in den Patentansprüchen oder in den beispielhaften Ausführungsformen angegeben ist.
Bezugszeichen

1: Kernelement
2: Draht
3: elektrisches Kontaktelement
4: Gehäuse
10: mittlerer Bereich
11: erster Endbereich
12: zweiter Endbereich
20: Wicklungsteil
21: Übergangsteil
22: Verbindungsteil
23: Wicklungsblock
24: Übergangsteil
31, 31a, 31: äußerer Kontaktbereich
32: Auflagebereich
33: Zungenbereich
34: Drahtanschlussbereich
50a, 50b, 50c: Impedanzkurve
91: longitudinale Richtung
92: transversale Richtung
93: vertikale Richtung
100: induktives Filterelement
100a, 100b: Impedanzkurve
101, 111, 121: Seitenfläche
102, 112, 122: Oberseitenfläche
102', 112', 122': Unterseitenfläche
110: erster Querschnitt
113: erste Endfläche
114, 124: Nut
119: Rand
120: zweiter Querschnitt
123: zweite Endfläche
151, 152: Knoten
150a, 150b, 150c: Filterstufe
155a, 155b, 155: Widerstand
156a, 156b, 156c: Induktivität
157b, 157c: Widerstand
158b, 158c: Kondensator
211a: Stromversorgungseinrichtung
211b: mit Strom versorgtes Gerät
212a: Serialisierer
212b: Deserialisierer
213a, 213b, 213c, 213d: Kondensator
214a, 214b: Kondensator
215a, 215b: induktiver Filter
216: Koaxialkabel
217a: Datenübertragung
217b: Energieübertragung
300: Leadframe-Stück

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102019126816 A1 [0005]
DE 102008044845 A1 [0005]
JP 2010232988 A [0005]
US 10701693 B2 [0005]
US 2018098324 A1 [0005]

Claims

Induktives Filterelement (100), aufweisend - ein Kernelement (1) mit einem ersten Endbereich (11), einem mittleren Bereich (10) und einem zweiten Endbereich (12), die entlang einer longitudinale Richtung (91) angeordnet sind, wobei der mittlere Bereich zwischen dem ersten Endbereich und dem zweiten Endbereich angeordnet ist, und - einen Draht (2) mit einem Wicklungsteil (20), der als Wicklung auf dem mittleren Bereich des Kernelements ausgebildet ist, wobei der mittlere Bereich des Kernelements eine Länge lc in der longitudinale Richtung und einen rechteckigen Querschnitt aufweist, der senkrecht zur longitudinalen Richtung verläuft und eine Breite wc in einer transversalen Richtung (92) und eine Höhe hc in einer vertikalen Richtung (93) aufweist, wobei lc > wc und lc > hc.
Induktives Filterelement nach Anspruch 1, wobei 3 ≤ lc/wc ≤ 15 und 2 ≤ lc/hc ≤ 20 gilt.
Induktives Filterelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei 1 ≤ hc/wc ≤ 5 gilt.
Induktives Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wicklungsteil als einlagige Wicklung auf dem mittleren Bereich ausgebildet ist.
Induktives Filterelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Wicklungsteil des Drahtes als eine Mehrzahl von in longitudinale Richtung hintereinander angeordneter Wicklungsblöcke (23) ausgebildet ist, die durch Übergangsteile (21) des Drahtes in Reihe geschaltet sind.
Induktives Filterelement nach Anspruch 5, wobei jeder Wicklungsblock kleiner oder gleich 5 Wicklungslagen aufweist.
Induktives Filterelement nach Anspruch 5 oder 6, wobei jeder Wicklungsblock eine Länge lwb in longitudinaler Richtung hat und 2 ≤ lc/lwb ≤ 10 ist.
Induktives Filterelement nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei jeder Übergangsteil zwischen zwei benachbarten Wicklungsblöcken eine Länge lt in longitudinaler Richtung mit 20 ≤ lc/lt ≤ 150 aufweist.
Induktives Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - der mittlere Bereich einen ersten Querschnitt (110), der an den ersten Endbereich angrenzt, und einen zweiten Querschnitt (120), der an den zweiten Endbereich angrenzt, aufweist, - der erste Querschnitt größer als der zweite Querschnitt ist, so dass der mittlere Bereich des Kernelements eine konische Form aufweist.
Induktives Filterelement nach Anspruch 9, wobei der erste Querschnitt eine erste Fläche cs1 und der zweite Querschnitt eine zweite Fläche cs2 aufweist, wobei 1 < cs1/cs2 ≤ 15.
Induktives Filterelement nach Anspruch 9 oder 10, wobei mit zunehmendem Abstand vom ersten Endbereich in longitudinaler Richtung mindestens eine der Größen Höhe hc und Breite wc abnimmt.
Induktives Filterelement nach Anspruch 11, wobei mindestens eine der Größen Höhe hc und Breite wc mit zunehmendem Abstand vom ersten Endbereich linear abnimmt.
Induktives Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Breite des ersten Endbereichs in der transversalen Richtung gleich einer Breite des zweiten Endbereichs in der transversalen Richtung ist und eine Höhe des ersten Endbereichs in der vertikalen Richtung gleich einer Höhe des zweiten Endbereichs in der vertikalen Richtung ist.
Induktives Filterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin aufweisend ein Gehäuse (4) aus aufweisend ein Kunststoffmaterial, das das Kernelement und den Draht vollständig umschließt.
Induktives Filterelement nach Anspruch 14, wobei das Gehäuse magnetische Partikel aufweist, die in dem Kunststoffmaterial verteilt sind.