多功能能量調節器的製作方法

2023-09-24 13:11:05 6

專利名稱：多功能能量調節器的製作方法
技術領域：
本發明涉及到一種多功能能量調節器，它具有結構上共享的中心傳傳導極，可以隨著差分電極彼此相對的操作按照反相或充電方式同時與帶電和成對的上述差分電極相互配合。
當今生產的主要電子設備包括用來執行高速功能的小型有源部件和電路，並且利用高速電氣互連在關鍵性部件之間傳送功率和數據。這些部件很容易寄生由出現在服務於或是利用這些系統的電路中的電磁幹擾和電壓瞬變所產生的電能。電壓瞬變會嚴重損傷或破壞這種微型電子部件，或者是通過接觸使電子設備失效，往往需要昂貴的維修和/或高成本的更換。
EMI，RFI及電容和電感寄生形式的電氣幹擾會從諸如無線電廣播天線或其它電磁波發生器上產生並感應到電路和部件中。電路也會產生EMI，因而就需要對EMI進行屏蔽。在電纜和電路板軌跡上往往會產生差分和共模電流。在許多情況下，這些導體發射的場的作用就象是天線。為了防止幹擾到對有害噪聲敏感的其它電路，有必要控制這些傳導/輻射。工作的設備還會產生向電路耦合能量的其它幹擾源，可能會產生明顯的幹擾。為了滿足國際間輻射和/或敏感性的要求，必須要消除這種幹擾。
雷電會在電力線上感應出瞬變電壓，在極短時間內產生很高的電位。與此類似，電磁脈衝(EMP)也會產生大電壓尖峰，在一個寬頻率範圍內產生快速上升時間脈衝，對大多數電子器件有害。其它來源的大電壓瞬變和接地電位變化造成的接地環路幹擾也會破壞電力系統。現有的保護措施在單個集成封裝中無法提供充分的保護。根據現有技術已經設計出了各種濾波器和浪湧抑制電路結構。在本文所參考的美國專利US5,142,430號中描述了現有技術中各種發明的細節。
′430專利本身涉及到電力線濾波器和浪湧保護電路部件及其電路，用來為電氣設備構成一個保護器件。這些電路部件包括具有諸如可變電阻或電容特性等理想電特性的晶片或盤狀材料。在盤的表面上具有電極圖形和隔離帶，還配有在內部形成的孔，以便以一種簡單和有效的方式用電路將這些部件連接到系統中的導體上。電極圖形相互配合形成公共電極，將材料夾在中間。′430專利主要是用於成對線路的濾波。電力系統只能承受十餘年的短產品壽命周期。前兩年剛剛建成的系統對於同類設備的第三或第四代產品就已經過時了。因此，構築這些系統的部件和電路需要及時升級。
計算機或其它電子系統的性能往往受到其速度最慢的有源元件的限制。直至最近，諸如微處理器和存儲器部件等這些元件仍然控制著總體系統的特殊功能和計算。然而，隨著微處理器，存儲器部件及其數據的最新發展，主要的問題是要以降低的單位成本為用戶提供更強的處理能力和速度。因此，如何調節輸送給電器件的能量的工程問題已經構成了成本和技術上的困難。從1980年代起到2000年末，主流微處理器的典型工作頻率已經從5MHz(每秒百萬次)提高了大約240倍，達到了大約1200MHz+。當今的處理器速度已經趕上了超高速RAM結構的發展和應用。這些突破已經使整體系統速度超過了1GHz大關。在同一時期中，無源部件技術卻沒有多大進展，僅僅在組成和性能上略有改變。無源部件在設計上的進步主要影響到部件尺寸縮小，離散部件電極層次的輕微修改，新型介質的發現，以及為縮短部件生產時間對製造業進行的技術改進。
過去，無源部件工程師是通過增加電路中的部件數量來解決設計問題。這種解決方式往往要增加電感和電阻，配合使用電容來實現濾波和去耦。
然而，不容忽視的是，單個無源部件和許多無源部件網絡在線路調節能力上都存在一種主要的限制。這一限制對計算機工業的技術進步和成長是一個障礙，並且為+GHz速度系統留下了最後一個遺留問題。對高速系統性能的這一限制集中體現在為處理器，存儲器技術和位於特定的電子系統外部的那些系統提供和調節能量及數據信號的支持性無源部件所形成的限制。
根據專業OEM對高速處理器新式存儲器組合的新產品推廣應用所出現的近來的系統故障的史料記載，提高微處理器和存儲器組合的速度已經帶來了另一個問題。當今的無源部件技術是造成許多故障和延遲的根源。其原因在於單個無源部件的工作頻率通常有一個5到250MHz的物理線調節限度。許多零件的高頻都需要諸如離散L-C-R，L-C，R-C網絡的無源元件組合來整形或控制提供給系統負載的能量。在200MHz以上的頻率段，現有技術的離散L-C-R，L-C，R-C網絡開始出現傳輸線甚至類似於微波特徵的特性，不能提供網絡設計初衷所要求的集中電容，電阻或電感。微處理器，時鐘，供電總線和存儲器系統及其支持性無源元件之間的這種性能差異會導致系統故障。
另外，在高頻段，作為電氣上互補的元件的能量路逕往往是接地或成對的，或者是電和磁的元件必須要協調一致和平衡地工作。這種平衡所面臨的障礙在於由同一生產部門製造的兩個離散電容器很容易出現範圍在15％-25％之間的電容變化。儘管有可能在離散單位之間獲得10％以下的個別電容變化，為挽回用於測試，大量產品的手工分揀，以及為了按差分信號的要求生產減少個體差異的這些器件而用於特殊介質和製造技術等等的成本，必然要賣出更高的價錢。因此，鑑於現有技術的上述不足，本申請人提出了本發明。

發明內容
基於上述原因，需要有一種多功能電子部件，與單一功能的現有技術部件或複雜無源網絡相比，它能夠在寬頻率範圍內工作。理想的這種部件應該能在1GHz以上有效工作，同時為有源部件提供能量去耦並且為有源電路維持恆定的電壓電位。這種新式部件還能夠減少或抑制在電子電路中流動的差分和共模電流所產生的有害電磁輻射。在連接到電路中並且起用時，採取多層實施例和與介質無關的無源結構的一種多功能電子部件能夠提供同步線調節等功能，但是不只用於上述的需要。這些需要包括電源到負載或負載到電源的去耦，差分和共模濾波，抑制寄生，以及在利用外部傳導區域或路徑時對一個集成封裝的浪湧保護。本發明可以用來保護電子電路和有源電子部件防止電磁場幹擾(EMI)，過電壓，並且防止分布在電路中和來自本發明本身的電磁輻射。另外，本發明利用內部包括的差分傳導元件在帶電電路的工作中減少或避免從主機電路上耦合回來的有害寄生。具體地說，本發明提出，採取正確的布局技術並且連接到電路中，系統就能利用帶電物理結構來抑制有害的電磁幹擾，無論這些輻射是從其它來源接收的還是在本發明及其電子電路內部產生的，這些輻射有可能產生差分和共模電流，作為寄生分布在主機電路中。
另外，由於多功能能量調節器在物理上具有集成，電容屏蔽的傳傳導極結構，在製造中使用單獨的電極材料和/或單獨的介質材料成分不會限制本發明的具體形狀和本文中僅僅描述了幾個例子的本發明可能提供的多種實施例的尺寸。
由於當今電子工業的激烈競爭性，為了在眾多電子產品中採用，這種多功能能量調節器/浪湧保護器必須做到廉價，小型化，低成本和高度集成。理想的要求是應該能隨便增加離散無源部件來實現必要的濾波和/或線路調節，而現有技術的部件做不到。
本發明的主要目的是提供一種便於製造，調試的多功能電子部件，能夠防止或抑制在成對能量路徑中產生的成分和共模電流造成的電磁輻射。
本發明的另一個目的是提供一種能夠大批量生產和調試的保護性電路裝置，在一個部件封裝中可以包括一或多個保護電路，可用於對抗電壓瞬變，過電壓和散布的寄生電磁幹擾。
本發明的另一個目的是提供一種離散的多功能電子部件，它在連接到外部傳導路徑或表面上時能夠在寬頻率範圍內有效地工作，並且能在為各部分電路維持恆定的電壓電位的同時為有源電路部件提供能量去耦。
本發明的另一個目的是提供一種阻塞電路，利用與外部導體表面或接地面積組合的原有接地由成對的差分導體提供額外的能量路徑，用於衰減EMI和過電壓，而不需要將混合電子部件連接到最終的接地點上。
本發明的另一個目的是提供一種單一器件，不需要採用按常規使用的特殊介質就能在內部電容器板之間獲得最小程度的電容變化。
本發明的上述和其他目的及優點是通過採用多個公共傳導板實現的，它們結合併局部圍繞被一種材料隔開的相應的差分傳導電極板，並且展示出多種預定電氣特性中的任何一種或是一種組合。
本發明的其他目的和優點是這樣實現的，將一對導體耦合到被多個接合的公共傳導板局部包圍的一個區域或空間，並且有選擇地將外部導體或路徑耦合到差分電極板上。
本發明的另一個目的是在內部板和/或傳導電極之間提供一種線路到線路和線路到接地電容或電感耦合，產生一種有效的差分和共模電磁幹擾濾波和/或浪湧保護的狀態。另外，採用本發明的一種電路結構包括至少一個由板構成的線路調節電路部件。在板的一面上設有電極圖形，並且將電極表面用電路耦合到電路的導體上。電極圖形，採用的介質材料和公共傳導板共同在用做導體的電極之間形成一個平衡(相等但相反)的電路結構，由獨立的導體在導體和線路到接地之間形成線路到線路耦合的一個電氣部件。多功能能量調節器的特殊電氣效果是通過選擇電極板之間的材料並且使用接地屏蔽來確定的，有效地將電極板容納在所形成的一或多個Faraday式屏蔽盒中。如果選擇了一種特殊的介質材料，所得的多功能能量調節器就主要是一種電容性結構。介質材料與電極板和公共傳導板相結合會組合成一種線路到線路電容器，它的電容值大約是組成本發明的連接並帶電的兩個線路到接地電容器的1/2。如果採用金屬氧化物可變電阻(MOV)材料，多功能能量調節器就會稱為電容性多功能能量調節器，可以由MOV-型材料提供過電流和浪湧保護特性。公共傳導板和電極板同樣會形成線路到線路和線路到接地的電容板，在高瞬變電壓條件下提供可接受的差分和共模濾波。在這些條件下，基本上呈非線性電阻的MOV-型可變電阻材料被用來抑制高電壓瞬變，能夠有效地限制可能出現在導體之間的電壓。
在另一個實施例中，除了多功能能量調節器結構固有的電感之外還可以使用鐵氧體材料。和以往一樣用公共接地傳導和電極板構成線路到線路和線路到接地電容板，用鐵氧體材料增加該結構中的電感。
使用鐵氧體材料還能提供瞬變電壓保護，它在一定的電壓門限上可以傳導，將過度的瞬變電壓短路到公共傳導板上，有效地限制導體上的電壓。
為了展示本發明範圍內的多功能能量調節器的多功能性和廣泛的用途，在本發明的上述目的和優點的基礎上還提出了許多其他的結構和構造。


圖1表示本發明的多功能能量調節器的一個分解透視圖；圖1A表示圖1所示的多功能能量調節器的一個變更實施例的分解透視圖；圖2提供了一種電路示意圖，表示被放在一個大電氣系統中並且通電時的物理構造；圖3A是將圖1的多功能能量調節器與現有技術的電容器組成的濾波器相比較的一種共模噪聲插入損失比較曲線，顯示了插入損失是信號頻率的函數；圖3B是將圖1的多功能能量調節器與現有技術的電容器組成的濾波器相比較的一種差分噪聲插入損失比較曲線，顯示了插入損失是信號頻率的函數；圖4是被用於連接器的一種多導體多功能能量調節器的分解透視圖；圖5A表示按照現有技術的一種多電容部件的示意圖；圖5B的示意圖表示圖4的多功能能量調節器的一個具體實施例；圖6A的透視圖表示多功能能量調節器的一個表面安裝晶片實施例，並且用圖6B表示它的分解透視圖；圖7是多功能能量調節器又一實施例構成的個體薄膜板的分解透視圖；圖8A表示電動機多功能能量調節器實施例的頂視圖；圖8B表示它的側視圖；圖8C表示其截面側剖視圖；而圖8D是圖8A所示的多功能能量調節器的具體實施例的一個示意圖；圖9A表示耦合到電動機上的多功能能量調節器的頂視圖，而圖9B表示它的側剖面圖；圖9C是一個對數曲線，表示了在具有標準濾波器的電動機和具有圖8A-D的差分和共模濾波器的電動機中作為頻率函數的發射能級的比較；圖10A是通過多功能能量調節器的一種屏蔽絞線對饋送的頂視圖；圖10B是由通過多功能能量調節器的一種屏蔽絞線對饋送構成的大致平行的元件的頂視圖；圖10C和圖10D是通過多功能能量調節器的一種屏蔽絞線對饋送的示意圖，用來表示差分噪聲消除；而圖10E和圖10F是通過多功能能量調節器的一種屏蔽絞線對饋送的示意圖，用來表示共模噪聲消除；圖11A、11B、11C表示構成多功能能量調節器的一個變更實施例的公共傳導電極屏蔽板和差分電極板的一個頂視圖，按照本發明採取了一種旁路構造，還表示了這種多功能能量調節器的合成頂視圖和合成側剖視圖；圖12A、12B、12C表示構成多功能能量調節器的一個變更實施例的公共傳導電極屏蔽板和差分電極板的一個頂視圖，按照本發明採取了一種直通構造，還表示了這種多功能能量調節器的合成頂視圖和合成側剖視圖；圖13A、13B、13C表示構成多功能能量調節器的一個變更實施例的公共傳導電極屏蔽板和差分電極板的一個頂視圖，按照本發明採取了一種直通構造，還表示了這種多功能能量調節器的合成頂視圖和合成側剖視圖；圖14A、14B、14C表示構成多功能能量調節器的一個變更實施例的公共傳導電極屏蔽板和差分電極板的一個頂視圖，按照本發明採取了一種跨接、直通構造，還表示了這種多功能能量調節器的合成頂視圖和合成側剖視圖；圖15A、15B、15C表示構成多功能能量調節器的一個變更實施例的公共傳導電極屏蔽板和差分電極板的一個頂視圖，按照本發明採取了一種跨接、直通並附帶公共屏蔽絕緣體的構造，還表示了這種多功能能量調節器的合成頂視圖和合成側剖視圖；圖16A、16B、16C表示構成多功能能量調節器的一個變更實施例的公共傳導電極屏蔽板和差分電極板的一個頂視圖，按照本發明採取了一種跨接、直通構造，還表示了這種多功能能量調節器的合成頂視圖和合成側剖視圖；
圖17A、17B、17C表示構成多功能能量調節器的一個變更實施例的公共傳導電極屏蔽板和差分電極板的一個頂視圖，按照本發明採取了一種旁路並附帶公共屏蔽絕緣體的構造，還表示了這種多功能能量調節器的合成頂視圖和合成側剖視圖；圖18A、18B、18C表示構成多功能能量調節器的一個變更實施例的公共傳導電極屏蔽板和差分電極板的一個頂視圖，按照本發明採取了一種旁路並附帶公共屏蔽絕緣體的構造，還表示了這種多功能能量調節器的合成頂視圖和合成側剖視圖；圖19表示按照本發明的具有一個公共傳導板的Faraday屏蔽盒式結構的頂視平面圖，表示對包括一個差分電極板的Faraday盒構造的一個暴露部分的補償。
具體實施例方式
共模和差模能量的不同之處在於它們在不同的電路路徑中傳播。共模噪聲可能是由靜電感應造成的，原因是傳導路徑和周圍的電容不相等。在兩條線上會形成同樣的噪聲電壓，並且/或是由電磁感應的磁場造成的，磁場來自成對連結的傳導路徑，或是多條傳導路徑在成對傳導路徑上不等地帶有基本相同的噪聲電壓。噪聲能量會在導體的外層表面上傳播。差分噪聲往往是由帶電電路內部的電壓不平衡造成的，幹擾會使信號傳輸路徑一側的電位相對於另外一側發生變化。
為了降低，減少或抑制有害的噪聲，在本發明內利用了建立在內部的一條低阻抗路徑，本發明是將上述有害能量的一部分傳導接地，並且/或是(按照本發明)送到一個外部傳導區域或路徑上。這一路徑的一部分可以位於本發明的內部，並且包括公共傳導板部分和或是由它們組成的結構。公共傳導板或結構及其所產生的延伸的外部傳導區域會使能量沿著這些傳導屏蔽路徑元件傳播到一個較大的位於外部的傳導區域，路徑或系統接地上，它主要位於處在內部的公共傳導板區域或是作為本發明組成部分的屏蔽式結構的外部。
從本發明的多個公共傳導路逕到本發明的多層實施例外部的路徑的可能的外部連接和/或附件可以用現有技術中公知的多種可能的工業化手段來實現。從公共傳導板或附件到傳導的屏蔽式結構的此類傳導附件是由這些接合的公共板部件組合而成的，並且在大多數情況下連接到差分傳導路徑，並連接到多功能能量調節器上，在包含電源，多功能能量調節器，傳導路徑和負載的帶電電路中提供一個縮短的整體噪聲電流環路面積。
當本發明被連接到一個電路內並且通電時會產生至少兩個能量環路，這兩個環路是並聯的，但是處在中心公共傳導板或路徑相對的兩側。這些能量環路彼此間的相位相差180度，這樣，相反的能量就會抵銷，並且能減少或抑制噪聲。在較大的帶電電路內部包含多功能能量調節器的一種帶電構造還能在多功能能量調節器內部提供多種可能的傳導路徑，可以用於從能源到負載傳送一部分能量。
由板元件組成的公共屏蔽傳導板和/或屏蔽式結構的一部分在用於從能源或從負載傳播能量時，作為能源的返迴路徑，在成對的差分傳導路徑的各部分之間具有獨立的短距離或環路面積，並且，在公共傳導結構或公共傳導板被用做能量傳播部分時，這一返迴路徑可作為返回其(傳播的那部分能量)來源的一或多條返迴路徑。
在連接到各自的外部導體或路徑上時，一部分環路面積位於多功能能量調節器的內部，由介於其間的介質材料提供差分傳導板或路徑與公共傳導板或路徑之間的距離。電路所傳播的一部分能量可以沿著多功能能量調節器的內部遷移，並且從能源到負載遷移的一部分電路傳播能量與安裝有多功能能量調節器的電路內部從負載返回能源的那部分電路傳播能量的遷移方向相反。
如上所述，相反傳播的能量被中心公共傳導屏蔽路徑隔開，後者也被包含在Faraday盒式屏蔽結構中，在所有多功能能量調節器內部都隔著介質。這一反向傳播能量能相對於Faraday盒式屏蔽結構的靜電特性同時調節，如上所述在隔離的短路徑內相互抵銷主要的磁場。
編組的公共傳導電極或路徑從物理上屏蔽了上述成對差分能量傳導板或是彼此間路徑的大部分面積，並且使近距離接近的這些差分傳導路徑在通電時在始終被公共屏蔽路徑隔開的近距離上起相反的作用，以互補或協調的方式共同合作，在多功能能量調節器內部提供有效的能量調節。
在本發明的調節器中，一部分電路能量在某一時間點上會在兩部分截然不同的公共傳導板區域之間沿著差分導體傳播，差分導體從各自的公共傳導板區域上被介質隔開，這部分能量是在帶電電路的工作中在多功能能量調節器內部傳播的上述能量的一部分。
參見圖1，圖中表示了多功能能量調節器10的物理構造的一個分解透視圖。多功能能量調節器10是由多個公共傳導板14構成的，至少有兩個電極板16A和16B，每個電極板16被夾在兩個公共傳導板14之間。通過多個公共傳導板14和電極板16A和16B的絕緣孔18或耦合孔20設置至少一對導體12a和12b，讓導體12a和12b也被選擇連接到電極板16A和16B的耦合孔20。整個由傳導材料例如在最佳實施例或不同實施例中用金屬構成的公共傳導板14可以是澱積在一個按照類似於製造晶片電容的工藝製成的介質疊片(未示出)上的傳導材料。通過各公共接地傳導板14設置至少一對絕緣孔18，讓導體12通過，同時又保持公共傳導板14和導體12之間的電絕緣。多個公共傳導板14可以選擇裝設按照預定的配合位置布置的緊固孔22，讓多個傳導板14彼此間通過標準緊固裝置例如是螺杆和螺釘緊密地耦合，或是在變更的實施例中(未示出)可以用類似於製造晶片電容等等的工藝製造並接合成標準的彈片結構。緊固孔22還可以用來將多功能能量調節器10固定到另一個非傳導或傳導面上，例如是固定到與電子器件多功能能量調節器10配合使用的一個外殼或底盤上。
電極板16A和16B與公共傳導板14的類似之處在於它們是由傳導材料構成的，或是在一個不同實施例中可以是澱積在一個按照類似於製造晶片電容的工藝製成的介質疊片(未示出)上的傳導材料，並且具有通過孔設置的導體12a和12b。與公共傳導板14不同，電極板16A和16B有選擇地電連接到兩個導體12之一。儘管如圖1所示的電極板16比公共傳導板14要小，但並不是必要的，它在這一構造中是為了防止電極板16幹擾緊固孔22的物理耦合裝置，並且在理想的情況下應該能插入公共傳導板14內部。
如圖1所示，導體12在位於導體12a和12b任一端上的箭頭所指的方向上提供一條供電流流動的路徑。導體12a提供電信號的傳送路徑，而導體12b提供信號返迴路徑。儘管只表示了一對導體12a和12b，發明人的意圖是用多功能能量調節器10為多對導體提供濾波，形成一種高密度多導體的多功能能量調節器。
構成多功能能量調節器10的基本元件是材料28，它具有一或多種電特性並且以這樣一種方式包圍中心公共接地傳導板14，兩個電極板16A和16B，以及從兩個外側公共傳導板14之間通過的那部分導體12a和12b，將除了導體12a和12b與耦合孔20形成的連接之外的板和導體相互隔離。多功能能量調節器10的電特性是由選擇的材料28決定的。如果選擇介質材料，多功能能量調節器10就主要具有電容特性。材料28還可以是金屬氧化物可變電阻材料，這樣就能提供電容和浪湧保護特性。也可以使用諸如鐵氧體和燒結多晶體等其他材料，鐵氧體材料可提供固有的電感連同浪湧保護特性，還能夠通過相互耦合抵銷作用改善共模噪聲消除。燒結多晶體材料可提供傳導，介質和磁特性。燒結多晶體材料在美國專利US5,500,629中有具體的描述，可供本文參考。
可供使用的其他材料是合成的高磁導率鐵電材料和高磁導率鐵磁材料，在美國專利US5,512,196中有具體的描述，可供本文參考。這種鐵電-鐵磁合成材料可以做成緊湊的單一元件，它能異乎尋常地呈現電感和電容兩種特性，起到一個LC-型電濾波器的作用。這種元件的緊湊性，可塑造性和濾波作用有助於抑制電磁幹擾。在一個實施例中，鐵電材料是鈦酸鋇，而鐵磁材料是諸如銅鋅鐵氧體等的一種鐵氧體材料。這種鐵電-鐵磁合成物的電容和電感特性具有衰減能力，它在高達1GHz的頻率上沒有改平的跡象。鐵電-鐵磁合成物的幾何構造會明顯影響到採用這種合成物的電濾波器最終的電容和電感特性。在製造過程中可以對合成物進行調節，轉變多功能能力調節器的特殊特性，對特定的應用和環境產生適當的衰減。
以下要參照圖1具體說明公共傳導板14，電極板16A和16B，導體12a和12b及材料28。起點是中心公共接地傳導板14。中心板14具有成對的導體12a和12b，通過其各自的絕緣孔18維持公共接地傳導板14和兩個導體12a和12b之間的電絕緣。在中心公共接地傳導板14上、下的任意一側是電極板16A和16B，各自具有從中穿過的成對導體12a和12b。與中心公共接地傳導板14不同，僅有一個導體12a或12b是由一個絕緣孔18與各自的電極板16A或16B隔離的。成對導體12a或12b當中的一個分別通過耦合孔20與相應的電極板16A或16B形成電耦合。耦合孔20通過標準的連接例如是焊接，電阻適配，或是能夠提供牢固電連接的任何方法與成對導體12之一對接。為了使多功能能量調節器10正確工作，上電極板16A必須電耦合到相對的導體12a，而下電極板16B要電耦合到導體12b。多功能能量調節器10最好是包括多個外側公共傳導板14。當多個公共傳導板14被電連接到一個外側邊沿傳導帶，傳導端子材料上或者是通過拉力支撐裝置或常用的焊接材料直接附著到較大的外部傳導面(未示出)上時，由這些外側公共傳導板14提供較大的傳導接地面和/或圖象面，傳導面14a和14b與不同的傳導板16A和16b和/或諸如12a和12b等多個導體中的任何一個都是物理上隔離的。將公共傳導板14連接到外部傳導區域有助於衰減電磁輻射，並且提供較大的表面面積來分散過電壓和浪湧。
將公共傳導板14連接到外部傳導區域有助於靜電抑制任何電感或雜散寄生，用不同的傳導板16A和16B和/或諸如12a和12b等多個不同導體中的任何一個來吸收輻射。
在公共板按上述方式彼此接合併且由編組的公共傳導板和較大的外部傳導區域或表面共同合作來抑制電磁輻射時主要採用Faraday盒式結構，並且提供一個較大的傳導表面面積，用來分散過電壓和浪湧，並且同時利用Faraday盒式結構來靜電抑制寄生和其他瞬變。這一點在多個公共傳導板用電路耦合到大地(未示出))時特別有用，但是依賴於在電路中採用本發明提供固有的接地。如上所述，插入並保持在公共傳導板14和兩個電極板16A和16B之間的材料28可以是具有不同電氣特性的一或多種材料。
圖1A表示多功能能量調節器10的一個變更實施例，它包括連接到多功能能量調節器10的耦合導體或電路板等附加裝置。多個公共傳導板14被電連接到一起，在每個傳導電極的出口共享一個單獨位於外側的邊沿傳導帶14a和/或14b(未示出)，並且隨後接合和/或連接到同一外部傳導面(未示出)上，當本發明被置入一個大電路的一部分(未示出)並且帶電時能夠保持一個電壓電位。這一電壓電位通過本實施例的帶14a和/或14b(未示出)和內部公共傳導電極14以及實現連接所需的任何傳導元件與外部傳導表面區域共同合作而完成能量傳播。另外，每個差分電極板16A和16B分別具有自身的外側邊沿傳導帶或表面40a和40b。為了在電極板16A和16B與其各自的傳導帶40a和40b之間提供電連接，同時又要維持多功能能量調節器10的其他部分之間的電絕緣，各個電極板16被延長了，並且其位置使電極板16A的延長部分指向的方向與電極板16B指向的方向相反。電極板16的延長部分還延伸到一定的距離，使延伸了附加距離的多個公共傳導板14被附加的材料28與外側邊沿傳導帶40a和40b隔離。各個帶14a和/或14b(未示出)與其相應的板14之間的電連接是通過各個帶14a和14b(未示出)分別與其相應的公共傳導或傳導電極板之間的物理接觸而實現的。
圖2表示一個電路示意圖，代表多功能能量調節器10的具體實施例被裝配到一個大電路中並且帶電時的一個電路的帶電部分。線路到線路電容30是由電極板16A和16B構成的，電極板16A被耦合到一對導體中的導體12a，另一個電極板16B被耦合到相對的導體12b，從而提供構成一個電容所需的兩個平行板。中心公共接地傳導板14在本發明的所有實施例當中是一個基礎元件，它與夾在外側的兩個公共傳導板14接合在一起形成固有的接地34和34b，表現為帶14和14B(未示出)被連接到較大的外部傳導區域34(未示出)，並且線路到線路電容30還可作為各個線路到接地電容32的兩個平行板之一。
各個線路到接地電容32所需的第二平行板是由對應的電極板16B提供的。參照圖1和圖2就能看出電容板的關係。用具有電氣特性的材料28將中心公共接地傳導板14與各個電極板16A或16B隔離，結果就形成了一個電容網絡，它具有在導體12a和12b之間延伸的一個共模旁路電容30，以及從各個導體12a和12b耦合到較大的外部傳導區域34上的線路到接地去耦電容32。
以下還要具體解釋較大的外部傳導區域34，但是從直覺上假設它與大地或電路接地是等效的。較大的外部傳導區域34可以與中心和附加公共傳導板14耦合，與上述中心板14結合形成一或多個電路上相連的公共傳導板14，並且能藉助於現有技術的常規手段耦合到電路或大地，例如是焊接或安裝插入緊固孔22的螺釘，然後耦合到電氣設備的外殼或接地底盤(未示出)上。儘管這種多功能能量調節器10的作用相當於耦合到大地或電路接地的固有接地34，這種多功能能量調節器10的物理構造的一個優點在於取決於所需的能量條件，在某些具體應用中不需要實際的接地連接。
參見圖1，圖中分別用順時針和逆時針通量場24和26演示了多功能能量調節器10的一個附加特徵。各通量場的方向是採用安培定律並且用右手法則來確定和繪製的。為此可將兩手的拇指平行放置並且指向流經導體12a或12b的電流的方向，如圖中導體各端的箭頭所示。如果拇指和電流指向同一方向，人手的其他手指彎曲的方向就代表通量場24和26的旋轉方向。由於導體12a和12b的位置是彼此相鄰的，並且還可以代表許多I/O和數據線路構造中常見的一條以上的電流環路，進入和離開多功能能量調節器10的電流是彼此相反的，在近距離內產生可以互相抵銷的相反的通量場24和26，並且施加在器件上的電感很小。隨著新式設備開關速度的增加和快速的脈衝上升時間，會產生無法接受的電壓尖峰，只有低電感浪湧器件和網絡才能應付，因此，低電感是新式I/O和高速數據線的一個優點。
與現有技術中採用組合的離散部件相比，採用多功能能量調節器10在勞動力密集的意義上也有明顯的作用，為製造業提供了一種便捷和低成本的方法。因為只需要在導體12的任一端進行連接就能為電路提供一個線路到線路電容，其值大約是對本實施例中在內部形成的各線路到接地電容測得的電容值的1/2，這樣就為用戶提供了靈活性，並且在利用本發明製造較大的電氣系統時還能夠節省時間和空間。
圖3A表示對圖1A所示的多功能能量調節器10測量.20μF的線路到線路電容所測得的共模插入損失與物理尺寸和直徑大致相同的現有技術的通孔電容器50(未示出)的響應所做的比較。曲線顯示出用.47μF電容值的現有技術電容器50構成的線路到線路電容的性能與具有.20μF電容值的多功能能量調節器10相比之下的性能是不同的。如果將這兩個多功能能量調節器10和50都連接到外部傳導區域34，與電容器50相比，多功能能量調節器10在高達1200MHz頻率範圍內顯示出明顯且差別很大的插入損失讀數(僅限於試驗設備)。
圖3B表示對圖3A採用的同一個多功能能量調節器10測得的差模與圖3A中相同的現有技術的通孔電容器50(未示出)的響應所做的比較。如果將這兩個多功能能量調節器10和現有技術電容器50都連接到外部傳導區域34，多功能能量調節器10在高達1200MHz頻率範圍內顯示出明顯且差別很大的插入損失(僅限於試驗設備)。
曲線3B表示用.47μF電容值構成線路到接地電容的現有技術電容器50的讀數與多功能能量調節器10是不同的，後者的調節器10一側電容的線路到接地電容值是.40μF，並且大約是在圖3A的測試之前從多功能能量調節器10測得的線路到線路電容值.20μF的二倍。
本發明的另一個實施例是圖4中所示的差分和共模多導體濾波器110。濾波器110與圖1和圖1A的多功能能量調節器的類似之處在於，它是由多個公共傳導板112和多個電極118a到118h構成差模去耦電容和共模去耦電容的結構，它們作用在圖4中沒有表示的多對導體上，但是與圖1和1A中所示的導體12a和12b類似。如上文參照圖1所示關於用於單對導體的多功能能量調節器所述，公共傳導板112，電極118和多個導體是由一種預選的材料122相互隔離的，材料122具有預定的電氣特性，例如是介質材料，鐵氧體材料，MOV材料，和燒結多晶體材料。多個公共傳導板112各自具有多個供導體通過的絕緣孔114，同時又維持與各個各個傳導板112的電氣絕緣。為了容納多對導體，多功能能量調節器110必須採用對圖1和1A所示電極板的一種修改形式。
為了為各對導體提供多個獨立電極，採用了由包含理想電氣特性的一種材料122構成的支撐材料116。支撐板116A是由印刷在板116B一側的多個電極118b，118c，118e和118h構成的，每個電極有一個耦合孔120。支撐板116A也是由印刷在板116A一側的多個電極118a，118d，118f和118g構成的。支撐板116A和116B被多個公共傳導板112隔開並包圍，除傳導材料外的板112都是由材料122構成的，以便在製造過程中用現有技術的標準手段將各個板合併或層疊和/或熔合到一起。也可以用現有技術製造工藝中公知的標準手段來增加或澱積上述的電極材料和絕緣結構。
在製造中還要在板112的側面施加導電端子材料112D，至少用端子材料112D連接本發明的110的多個公共傳導板電極112A，112B，112C，用電路接合在一起構成單一傳導結構，在置入電路並且通電時能夠共享通向外部傳導區域或表面(未示出)的同一條傳導路徑。成對的輸入導體在多功能能量調節器110內具有各自的一個對應的電極對。儘管圖中沒有表示，導體穿過公共傳導板112和各自的電極。通過選擇耦合孔120和絕緣孔114來實現連接或者是不連接。公共傳導板112配合著電極118a到118h執行與圖1和1A中的電極板16A和16B大致相同的功能。
圖5表示現有技術的多電容部件和本發明的差分和共模多導體多功能能量調節器110的示意圖。圖5A是現有技術電容器陣列130的一個示意圖。形成多個電容器132並相互耦合為陣列130提供公共接地136，用開路端子134將導體連接到各個電容器132。當各個電容器132的開路端子134用電路連接到單個導體上時，這些現有技術電容器陣列僅能對單個導體實現共模去耦。
圖5B表示具有四個差分和共模濾波器銷對結構的差分和共模多導體多功能能量調節器110的一個示意圖。延伸通過各對電極的水平線代表公共傳導板電極112A，112B和112C，用這些線包圍絕緣材料112a。絕緣材料112a被電耦合到公共傳導板電極112A，112B和112C以及側導電端子材料112D，提供一個被沒有導電材料的區域與電極板118a到118h進一步隔開的導電柵格，從而將各個電極板118a到118h彼此之間和導電柵格都隔開。對應的電極118a到118h位於支撐材料板116A和116B的上面，處在中心公共接地傳導板112的上方和下方，並且構成線路到接地共模去耦電容。各個電極板118a到118h，公共傳導板電極112A，112B和112C以及支撐材料板116A和116B被介質材料122相互隔開。當多功能能量調節器110通過例如是電極板118a和118c中的耦合孔120被連接到成對導體上時，多功能能量調節器110就形成了一個共模和差模濾波器。
參見圖4，圖中表示的多功能能量調節器110不僅具有中心公共傳導板電極112B還具有外側公共傳導板電極112A和112C。正如參照圖1和1A所述，如果將這些外側公共傳導板和公共傳導電極112A和112C相互接合到一起，並且連同本發明的各個中心各個傳導板14或中心各個電極112B和一個外部傳導區域(未示出)為多功能能量調節器110提供一個明顯增大的外部傳導路徑或區域，同時又能抑制和/或減小和/或衰減成對導體輻射和傳導的電磁發射，並且在圖1和1A或是本發明其他實施例的上述傳導板和電極之間提供屏蔽，提供一個較大的表面面積來分散和/或吸收過電壓，浪湧和其他瞬變噪聲，並且在通電時有效地起到一個Faraday盒式屏蔽的作用。
所有新式電子設備的一個普遍趨勢就是設備以及構成這種設備的電子部件的不斷小型化。多功能能量調節器結構中的關鍵部件電容器也不例外，其尺寸已經逐漸縮小到可以在矽片中成形並且嵌入集成電路內的程度，只有用顯微鏡才能看到。已經很流行的一種小型電容器是晶片電容器，它要比標準的通孔或引線電容器小得多。晶片電容器採用表面安裝技術與電路板上的導體和軌跡實現物理和電氣的連接。本發明的多功能能量調節器的多功能性構造如圖6所示可以擴展到表面安裝技術。圖6A表示一種表面安裝多功能能量調節器400，它的內部結構如圖6B所示。參見圖6B，公共傳導板412被夾在第一差分板410和第二差分板414之間。公共傳導板412及第一和第二差分板410和414各自都是由具有取決於材料選擇的預定電氣特性的材料430構成的。在本發明的所有實施例中，預期可供使用的各種材料例如有但是不僅限於介質材料，MOV材料，鐵氧體材料，諸如Mylar和新的特殊物質例如燒結多晶體材料等等的薄膜。
第一差分板410包括耦合到材料430頂面上的電極416，留下隔離帶418沿著第一差分板416的四個邊中的三個邊包圍其外側周邊。隔離帶418是沿著材料430邊沿尚未被電極416覆蓋的那一部分。第二差分板426和第一差分板416大致相同，唯一的區別是相對於第一差分板416的物理排列方式不同。第二差分支撐板414包括耦合到材料430頂面上的電極426，留下隔離帶428沿著第二差分板426的四個邊中的三個邊包圍其外側周邊。關於第一和第二差分板416和426相互問的物理排列的要點在於每個板沒有被隔離帶418和428包圍的那一側被布置成彼此相差180度。關於第一和第二差分板416和426相對於公共傳導板424的物理排列的要點在圖19中會有進一步的解釋。
各差分電極416和426的傳導面積被介於其間的中心公共傳導電極412在物理上彼此屏蔽，各差分電極416和426的邊界或周邊相對於公共傳導電極424的邊界或周邊被插入到一定程度，讓公共傳導板剩下的區域或被蓋住的區域為公共傳導板提供一個比夾住上述公共傳導板412的尺寸相等的差分傳導板416和426大一些的尺寸。
相對於公共傳導電極424和相對於尺寸相等的差分板416和426的重疊範圍大致被插入到這樣的程度，在通電時足以俘獲試圖逃脫或進入被差分電極416和426所佔據區域的寄生物，防止性能退化。差分傳導板410和414相對於夾住差分板416和426的較大的一組公共板424，424a，424b插入到這一點在帶電狀態下能夠加強靜電屏蔽。這種排列允許將一個導體電路耦合到任一單個差分板416和426，但是不需要與雙方耦合，這樣就能在成對但是位置相反的差分導體416和426之間形成有相位差但卻互補的能量調節。
公共支撐板412在結構上與第一和第二差分支撐板410和414的相似之處在於它也包括材料430和與其頂面耦合的公共電極424。從圖6B中可見，公共板424具有位於相對兩端的兩個隔離帶420和422。公共板412在第一和第二差分板416和426之間對齊，，讓隔離帶420和422對準沒有隔離帶的第一和第二差分板416和426的端部。
所有三個板即公共板424和第一和第二差分板416和426的各個板下方沒有任何傳導面，因此，當這些板被一個疊一個層疊時，公共支撐板412的背面將差分電極416與公共電極424隔離。按照類似的方式，由材料430構成的第一差分支撐板410的背面將公共電極424與差分電極426隔離。
以下要參照圖6A進一步解釋表面安裝多功能能量調節器400的構造。當公共板424和第一和第二差分板416和426按照圖6B和圖19所示的布局被夾在一起時，使兩個附加的公共傳導板424A和424B定位，夾住差分板416和426，後者又夾住公共傳導板424。在本實施例中，板424B和424A的組成材料，尺寸基本上相同，並且大致呈平行排列，讓各自的帶和電極邊沿處在上述中心傳導板424之內。
必須有一個裝置將導體耦合到差分電極416和426。導體通過被位於傳導帶402，404和406之間的隔離帶408與公共傳導帶402隔離的第一差分傳導帶404和第二差分傳導帶406耦合到表面安裝多功能能量調節器400。公共傳導帶402和隔離帶408可以圍繞多功能能量調節器400的主體延伸360度，在所有四個側邊提供隔離，但是，因為公共傳導板424，424A和424B幾乎完全屏蔽地圍住了上述差分電極416和426，如果用形狀和功能類似於圖14所示端子帶84的導電端子結構(未示出)或是現有技術中常用的形式代替帶402，就可以縮小公共傳導板402的尺寸甚至將其取消。第一和第二差分傳導帶404和406不僅圍繞多功能能量調節器400的各部位延伸360度，還延伸到分別覆蓋端部432和434。
對照圖6A和圖6B可以看出傳導帶與板之間的耦合。第一差分傳導帶404包括與電極416保持電耦合的端部434，後者沒有延伸到第一差分板416端部的隔離帶418。由於隔離帶422和428的作用，第二差分傳導帶406在電路上分別與公共板424和第一差分板416隔離。
按照與上述類似的方式，包括端部432的第二差分傳導帶406與第二差分支撐板414的第二差分電極426形成電耦合。由於公共支撐板412，412A及412B以及第一差分板416的隔離帶420，420A，420B和422，422A及422B的作用，第二差分傳導帶406在電路上與第一差分板416和公共板424，424A及424B隔離。
公共傳導帶402與公共板424，424A及424B的電耦合是由公共傳導帶402的側邊436的物理耦合實現的，或者是換成沿著兩側沒有隔離帶的公共電極424，424a，424b。為了保持公共電極424，424A，424B與第一和第二差分傳導帶404和406在電路上的隔離，用公共板412，412A，412B的隔離帶420，420A，420B和422，422A，422B防止第一和第二差分傳導帶404和406的端部432和434與公共電極424，424A，424B發生任何物理耦合。
按照本發明的差分和共模多功能能量調節器的其它實施例，當電極被耦合到第一和第二差分傳導帶404和406時，第一和第二差分支撐板410和414的電極416和426的作用是一個線路到線路差模電容器。線路到接地去耦電容器是分別在各電極416和426與公共電極424，424A，424B之間形成並且耦合的一個Faraday盒式屏蔽結構800(未示出)。
圖7表示用Mylar式或者薄膜介質構成的多功能能量調節器的另一個實施例。本實施例是由薄膜介質構成的，並且利用現有技術中公知的手段提供金屬性和導電性，先構成一個公共傳導板480，然後是第一電極差分板460，接著是另一個公共傳導板480和第二電極差分板500，隨後是又一個公共傳導板480。每個板都是用薄膜472構成的，它本身可以由許多種材料構成，例如有但是不僅限於Mylar，薄膜472被完全金屬化或者是用導體製成，在一側用另一種導電材料形成金屬化或導電的板。利用雷射按照預定圖形去掉一部分金屬化的導電材料(去金屬化)形成隔離屏障。第一差分板460具有兩個雷射成形的隔離屏障462和466，將第一差分板460劃分成三個導電區域電極464，隔離的電極468和公共電極470。第二差分板500與第一差分板460的相同之處在於具有兩個隔離屏障506和504，將第二差分板500劃分成三個導電區域電極510，隔離的電極502和公共電極508。第一和第二差分板460和500的隔離屏障462和506都是U形的，形成的電極464和510包圍第一和第二板460和500的很大面積。U形隔離屏障462和506能使電極464和510一直延伸到各自的端部476和514。部件474和512從隔離屏障462和506上延伸，而部件473和513從隔離屏障466和504上延伸。部件474和512從U形隔離屏障462和506靠近端部476和514的點上的端部垂直向外延伸，而部件473和513分別從隔離屏障466和504上垂直向外延伸，以便從端部476和514完全隔離公共電極470和508。另外，第一和第二差分板460和480還具有由隔離屏障466和504在相對的端部形成的隔離的電極468和502。
公共傳導板480包括隔離屏障482和492，將公共傳導板480劃分成三個導電錶面公共電極488，隔離的電極484和隔離的電極494。如圖所示，隔離屏障482和492與公共傳導板480的左、右邊沿平行並且在垂直方向毗鄰地延伸。隔離屏障482和492還包括向外延伸並且與隔離屏障482和492的垂直截面垂直的部件496，其位置是這樣的，當板460，480和500被層疊在一起時，它們與第一和第二差分板460和500的U形隔離屏障462和506的水平部分對齊。
另一個特徵在於公共傳導板480可以選擇用於對AC或DC信號濾波。對於DC信號，隔離的電極484和494在公共傳導板480內只需要很小的面積。如果用薄膜介質構成濾波器並且用於AC信號濾波，隔離的電極484和494就需要較大的面積，它是通過蝕刻修改隔離屏障486和490來實現的。用蝕刻使垂直延伸的隔離屏障484和494靠近，並且靠近公共傳導板480。為了實現這樣的修改，向外延伸並且與垂直截面垂直的部件496比用於DC的結構要長。儘管任何一種構造都能對兩種形式的電流濾波，較大面積的隔離屏障484和494能提供較好的AC濾波性能。
圖8和9表示主要但是不僅能用於電動機的多功能能量調節器的實施例，這一實施例也能在其它電子設備中執行能量調節。電動機是電磁輻射和不平衡的一個重要來源。這一事實即使對非專業人員也是顯而易見的，許多人都有過在電視機前操作真空吸塵器的經驗，並且看到過屏幕上布滿「雪花」。對電視機的幹擾是來自電動機的電磁輻射。電動機在家用電氣設備中的應用極為普遍，例如有洗衣機，甩幹機，洗碗機，攪拌機和吹風機。另外，多數汽車上都有許多電動機，用來控制雨刷，電動窗，電動調節鏡，伸縮天線並總體控制其它功能，其數量從每輛車25個電動機到豪華車超過150個電動機不等。由於電動機的普及和電磁輻射標準的提高，在一個集成封裝中需要具備差模和共模濾波能力，它可以減少並且在許多情況下只需要一個無源部件來提供必要的濾波和噪聲抑制，除了本發明的實施例之外不用採用電感或鐵氧體部件。電動機濾波器180可以製成任何形狀，但是圖8所示是一個最佳實施例，它是由具有多種預定電氣特性之一的一種材料182構成的矩形框。圖8a表示濾波器180的外部結構，它是由具有穿過濾波器180中心的隔離軸孔188的矩形框材料182構成的。上述188孔對於這一特殊用途並不是必要的，而是為了便於由上述孔188執行任何電氣調節作用而採用的，在設計中可以取消並且選擇配置。傳導帶184和194和公共傳導帶186。圖8b表示濾波器180結構的側視圖，傳導帶184和194和公共傳導帶186彼此間被位於各個帶之間的材料182的截面從電氣和物理上隔離。圖8c表示沿著圖8a的虛構中心線看到的一個截面圖。和前述的所有實施例一樣，本發明的物理構造是由電極181和185及夾在之間的公共電極183構成的。具有預定電氣特性的材料182被散布在所有電極之間，防止各電極181和185及公共電極183之間的電連接。與本發明的表面安裝實施例相似，濾波器180採用傳導帶184和194將濾波器180內部的電極連接到導體上。電極181一直延伸並接觸到傳導帶184提供所需的電路對接。如圖8c所示，電極181沒有一直延伸到與傳導帶194相接觸，後者耦合到電極185。儘管圖中沒有表示，公共電極183在傳導帶186之間與傳導帶184和194不接觸地一直延伸。如果將公共傳導帶186耦合到電動機殼200內側(未示出)並用做浮動接地，就能加強由公共電極183提供的固定接地。
圖8d是差模和共模電動機濾波器180的一個示意圖，表示用電極181和185為線路到線路差模耦合電容器提供兩個所需的平行板，同時與公共電極183配合提供線路到接地共模去耦電容器，讓公共電極183與固定接地(未示出)配合。圖中還表示了傳導帶184，194和公共傳導帶186，可以將電動機濾波器180分別連接到外部差分導體和一個獨立的傳導區域(未示出)。儘管圖8的實施例表示有三個公共電極183和兩個電極181和185，與前述的實施例中一樣，發明人還可以用多個公共和差分電極通過增加平行電容的作用而改變電容值。
圖9表示與電動機200電氣和物理耦合的差模和共模電動機濾波器180。如圖9a所示，電動機濾波器180被放置在電動機200頂上，電動機軸202向外延伸。電動機軸202穿過濾波器180的軸孔188，傳導帶184和194與彼此間並且與電動機200的轉子隔離的連接端子196形成電耦合。儘管沒有表示，各個連接端子196還連接到為電動機200提供電源和返回的電源線上。一旦電動機濾波器180被連接/耦合到電動機200，就將電動機面板208放置在電動機200和濾波器180上面，讓電動機軸202穿過電動機面板208中心的一個同樣的孔。然後用夾板206將面板208物理耦合到電動機200的主體上。儘管沒有表示，濾波器180可以採用固定接地34和34B，將公共傳導帶186耦合到電動機外殼上，或是直接將公共傳導帶186連接到電動機殼內側。
圖9C的對數曲線表示用220表示的具有標準濾波器的電動機產生的作為頻率函數的電動機200的電磁輻射等級與用222表示的差模和共模電動機濾波器180的濾波結果之間的比較。曲線顯示出，與現有技術濾波器在整個範圍甚至是具體到0.1至1MHz範圍內的情況相比，採用濾波器180可以對電磁輻射增加20dB的抑制，在0.01MHz到大約10MHz之間有一個最小值，可以看出，在10-20MHz以上的高頻範圍，電磁輻射的減少沒有象低頻時那樣多，但是這並不重要，因為大多數電動機在這一頻率範圍以下都能正常工作，電動機濾波器180對大多數用途都可以降低電磁輻射，從而提高性能。
在上文和本文所參考的同屬本申請人的專利和專利申請中已經介紹了許多種差分和共模濾波器。本發明的另一個實施例採用了前述濾波器的一種變形。圖10A表示通過差分和共模濾波器300供電的屏蔽絞線對。這一濾波器300與前述濾波器之間的區別在於第一差分電極帶302A，302B和第二差分電極帶306A，306B各自的位置是彼此對稱的。和前述實施例的濾波器一樣，用絕緣材料308將公共接地傳導帶304與第一和第二差分電極帶302和306隔開。如圖10B所示，通過差分和共模濾波器300供電的屏蔽絞線對至少分別包括第一和第二差分電極板312和316，還至少包括三個公共接地傳導板314。與前述的濾波器實施例一樣，板312，314和316是相互層疊並且由材料308彼此隔離的。
參見圖10C和10D，圖中表示了通過差分和共模濾波器300供電的屏蔽絞線對的示意圖，以及如何用來消除差分噪聲。流經彼此交叉的第一和第二差分電極帶302A和306B的電流I的方向是相反的，並且從第一和第二差分電極帶302B和306A流出。電流I的交叉點被作為線路到線路電容，而處在交叉點某一側的公共傳導接地板314提供線路到接地電容。
在圖10D中，濾波器300被表示成大致平行的板312，314和316，按照Faraday盒式屏蔽結構構造用公共接地傳導板314夾住各個電極板312，316。通過差分電極板的電流I的流動方向相反。與可供此處參照的前述實施例的濾波器一樣，公共接地傳導板314用電路互連，但是與差分電極隔離。
參見圖10E和10F，圖中表示了通過差分和共模濾波器300供電的屏蔽絞線對的示意圖，以及如何用來消除共模噪聲。流經彼此交叉的第一和第二差分電極帶302A和306A的電流I的方向是相同的，並且從第一和第二差分電極帶302B和306B流出。電流I的交叉點被作為線路到線路電容，而處在交叉點某一側的公共傳導接地板314提供線路到接地電容。
在圖10F中，濾波器300還是被表示成大致平行的板312，314和316，按照Faraday盒式屏蔽結構構造用公共接地傳導板314夾住各個電極板312，316。通過差分電極板的電流I的流動方向相同。與可供此處參照的前述實施例的濾波器一樣，公共接地傳導板314用電路互連，但是與差分電極隔離。
本發明的濾波器可以有許多實施例。作為設想的各種類似分層構造的一個例子，但是並非對本發明的限制，以下要描述多部件濾波器的其它實施例。在各圖中表示了五個獨立的電極板，還有一個頂視平面圖和一個側視圖。參見圖11和12，圖中表示本發明的兩個不同實施例70，70′，圖11是旁路，圖12是直通。在前述實施例300中，電流必須流經電極構成圖12的電路。每個實施例都有被夾在三個公共傳導板74之間的第一差分電極板72和第二差分電極板76。各個板72，74，76的周邊都被材料75包圍，然而各個板的端子部分72a，74a，76A分別從材料中伸出。這些端子部分72a，74a，76A分別被連接到第一差分傳導帶82，公共傳導帶84和第二差分傳導帶86，為通電的電路(未示出)提供外部連接。傳導帶82，84，86由絕緣外殼88彼此隔離。公共傳導板74有四個公共傳導帶84，在四個位置上提供對外的連接，電路系統的接地區域，每個公共傳導帶84與下一個相鄰的公共傳導帶84相差大約90度。這一特徵可提供額外的隔離，並且以這些結構的相鄰調節能力為中心，以及用來改善電荷密度。
濾波器70，70′之間的主要差別是濾波器70的電極端子部分72a，76A處在縱向的同一側，而濾波器70′的電極端子部分處在縱向的相對兩側。通過濾波器70的電流與濾波器70′是不同的。不同的端子位置在濾波器的應用中為不同的電路構造提供了多方面的適應性。
圖13所示的濾波器80與圖12的濾波器70′相同，區別僅在於其形狀是矩形的並且僅有兩個公共傳導帶84。
圖14所示的濾波器80與圖13的濾波器80相同，區別僅在於電極端子部分(沒有編號)在絞線對直通設計中是彼此對稱的。
圖15-18是集成在一個封裝中的具有多個濾波器的其它濾波器實施例。在單個電子部件中可以包括任意數量的獨立濾波器，本發明並非僅限於兩個獨立的濾波器。
圖15-18各自表示被夾在公共傳導板94之間的具有第一電極72和第二電極76的第一對電極板72A，和具有第一電極76和第二電極72的第二對電極板76A。圖15中的各電極72，74，76和圖16中的各電極72，76有兩個電極端子部分(沒有編號)延伸通過材料88的大致成包圍狀的隔離帶。
圖17中的各電極72，74，76和圖18中的各電極72，76具有一個電極端子部分(沒有編號)延伸通過材料88的大致成包圍狀的隔離帶。
參見圖15和17，公共傳導板74A有四個公共端子(沒有編號)，在連接到公共傳導帶84上時可以為電路系統提供四個連接到外部的接地區域(未示出)，每個公共傳導帶84與下一個相鄰的公共傳導帶84相差大約90度。
另外，第一和第二對電極板90，96在第一和第二電極72和76與各個板72A和76A之間分別具有比較小的公共傳導板電極74。這一特徵可以為雙電極提供額外的隔離。
在一個帶電系統中，本發明包含單個屏蔽的盒式結構800″或接地的公共傳導元件，它們為所連接的外部傳導區域34形成延伸和/或變換的匯合，明顯地消除，減少和/或抑制E-場和H-場輻射，RF環路輻射，寄生電容，寄生電感，電容性寄生，同時還能相互抵消相反的電荷或是相位，以及相鄰或牴觸的電場。這一電場能量發射調節過程是隨著時間的一個動態過程。
在一定程度上可以用雙埠器件，時域反射測試設備和/或其它工業標準測試設備及裝置來測量這一過程。本發明稍加修改還可以接入一種單，雙或多導體電氣系統中構成外部輸入和輸出能量傳輸導體或路徑，可用於諸如信號，能量傳輸，和/或電力線去耦，旁路，以及濾波作用。本文中所示實施例的電路和說明披露了申請人的一些具體規劃，但是不應該認為本發明僅有這些可能的結構。
本發明的另一方面包括『去耦環路』或『RF環路』。去耦環路涉及到被一個無源單位的物理布局包含在電流環路內的實際面積及其周邊，例如是一個去耦電容器，還涉及到它與一個有源部件之間的距離和位置，而後者接收被無源元件調節的能量。換句話說，電流環就是從電源面到無源元件的電流路徑和回到電源的返迴路徑所包圍的距離和面積(例如是在一個PCB電路板上或者是IC封裝)。
構成一個帶電環路面積的電源和接地返回電流路徑是具有一定頻率的能量傳輸線，它取決於電流路徑環路面積的物理尺寸，可以形成天線，從系統中發射有害的能量。這一帶電RF環路面積在電氣系統中會產生一種電壓不平衡狀態，因為作為不平衡的副產品的有害共模能量會嚴重幹擾和限制能源與其後續路徑之間的有源部件的有效能量傳輸。RF環路面積的物理尺寸直接涉及到從電路系統中發射的RF能量的大小。
由於導電終端路逕到各個不同的導電能量傳輸路徑之間的距離很小，不存在RF環路現象。電路的電壓平衡不會象現有技術的部件或系統那樣受到有害影響。
參見圖19，圖中具體描述了本發明的Faraday盒式屏蔽結構800或構造原理。以下要用一個基本的五層實施例詳細討論所構成的多功能線路調節器件的一部分。按照本發明，圖19包括Faraday盒式結構800的一部分，它是由夾住兩個差分電極之一的空間的兩個面積構成的，在本文的圖6A和圖6B中已經有充分的描述。電極板809被夾在中心公共傳導板804和(錯開表示的)公共傳導板808之間。公共傳導板804，808和810(未示出)全都由大致平行插入其間的預定介質材料相互隔開，並且在各個外側板810和808相對於中心公共傳導板804的各個板的相對位置之間，有一個差分電極路徑809和809A(未示出)，它具有上述差分電極的特徵，例如在本發明的情況下就是幾乎被分別從上方和下方夾住傳導板809的板808和804完全覆蓋或屏蔽。
傳導板804，808和810也被介質材料801包圍，由介質材料提供支撐和部件的外殼。這一實施例需要有一個裝置將兩個公共屏蔽終端結構802單獨連接到同一個公共傳導板808和804和810(未示出)。當本發明的裝置整個被置入電路時，應該用現有技術中公知的標準裝置將終端結構802連接到同一個外部導電區域或同一個外部傳導路徑(未示出)，在各個終端結構802之間沒有中斷或傳導間隙。
現有技術中公知的標準裝置便於將分別連接到所有三個傳導板804，808和810(未示出)上的公共屏蔽終端結構802連接到一起構成一個單一結構作為一個公共傳導Faraday盒式屏蔽結構800″(未示出)。
儘管圖中沒有表示，Faraday盒式結構800′(未示出)是單個Faraday盒式結構800(未示出)的鏡像，唯一的區別是被夾在中間的差分電極809A(未示出)有一個出口/入口段812A(未示出)沒有被完全屏蔽，而是在與傳導終端結構807成180度的反方向上，並且差分電極809與傳導終端結構807A(未示出)接合。
這兩個Faraday盒式結構800和800′處在彼此平行的位置，但是大多數重要盒式結構800和800′都共享同一個公共傳導板804，單獨構成各個Faraday盒式結構800和800′的層次或路徑。
Faraday盒式結構800和800′共同構成一個大的傳導性Faraday盒式屏蔽結構800″(未示出)，它是一個雙體容器。每個容器800和800′保持等量且尺寸相同的差分電極，它們在上述大結構800″內是以大致平行的方式彼此相對的。由單個屏蔽式結構800和800′配合形成的大的傳導性Faraday盒式屏蔽結構800″在帶電並連接到同一外部公共傳導路徑34時在電路上形成一體。
在帶電時，夾住中心公共屏蔽板804的進入差分傳導的公共電極804，808和810(未示出)是構成一個公共傳導盒式結構800″的元件，它是本發明的基本元件，也就是Faraday盒式屏蔽結構800″。
該800″結構基本上構成至少兩個Faraday盒式結構800和800′，用來在本發明各層次的實施例中構成一個多功能線路調節裝置。其相對位置介於差分電極809和809A(未示出)之間的中心公共傳導板804在外側還需要有兩個夾住公共電極板808和810，形成一個不帶電的Faraday盒式結構800″。
進而，中心公共板804在同時可供兩個差分電極809和809A使用，但是關於電荷切換會產生相反的結果。必須注意到，對大多數晶片，無孔直通實施例，一個新式器件至少有兩個差分電極被夾在三個公共電極之間並且連接到外部終端結構，通過連接和傳導形成一個大Faraday盒式屏蔽結構800″，在連接到一個大外部傳導區域上時，當能量以相反的相位或充電方式沿著夾在上述盒式屏蔽結構800″中的導體傳播時，有助於同時執行帶電線路調節和濾波功能。
由連接的內部公共電極板804，808和810(未示出)構成Faraday盒式屏蔽結構並且隨後通電，允許外部傳導區域或路徑34向外延伸，並且密集定位且基本上平行地布置傳導元件，使其相對位置也處在預定層次的PCB或類似電子電路的內部。
連接接合的公共導體，並且用位於中心的公共傳導板804包圍多個公共屏蔽板808和810(未示出)，板804是外部延伸元件34，它以平行的方式介於上述多個元件之間，該外部延伸元件相對於配對相位的差分電極809和809A(未示出)有一個微小的間隔距離或『環路面積』，差分電極夾住它們自己，並且與外部延伸34間隔(未示出)一個包含介質材料801的距離，讓上述延伸包圍住用來執行靜電屏蔽功能的屏蔽式元件，提高上述帶電組合的性能，並且同時在能量沿著組裝的差分導體的上述部分傳播時對能量進行有效的調節。組成組合的公共傳導面或區域的內部和外部平行結構還能抵消和/或抑制有害的寄生，以及在上述能量部分沿著傳導路逕到有源組件負載傳播的過程中從上述差分導體上溢出或進入其內的電磁發射。
在以下各段中還是將公共傳導板804用做公共傳導板808和810。公共傳導板804與本發明的邊沿偏移了一個距離814。公共接地公共傳導板804的一或多個部分811延伸812′通過材料801並且連接到公共接地終端帶或襯底802上。儘管圖中沒有表示，公共接地終端帶802用電路將公共傳導板804，808和810相互連接到一起，並且在使用中連接到濾波器的所有其它公共傳導板。
電極板809沒有公共傳導板804那麼大，在電極板809的邊沿803與中心公共傳導板804的邊沿之間存在一個偏移距離和面積806。這一偏移距離和面積806讓公共傳導板804越過電極板809延伸，為防護可能越過電極板809的邊沿的任何通量線提供一個屏蔽，從而在濾波器內部的其它電極板或對延伸到濾波器以外的元件減少或是消除近場耦合。
水平偏移大約是電極板809與公共傳導板804間垂直距離的0到20多倍，然而，對於特殊用途可以優化選擇偏移距離806，但是，各板當中的重疊806的所有距離都應該大致與允許的製造公差相同。板與板之間的距離/面積806輕微尺寸差別並不重要，只要Faraday盒式屏蔽結構800″的靜電屏蔽功能不會受到影響。為了將電極809連接到能量路徑(未示出)中，電極809可以有一兩個部分812延伸812′越過公共傳導板804和808的邊沿805。這些部分812被路逕到電極終端帶807，象上文所述一樣通過焊接等等用電路將電極809路逕到能量路徑(未示出)。應該注意到元件813是本發明的三維能量調節功能的中心軸點的一種動態表達方式，它涉及到本實施例在一個帶電電路中的最終尺寸，形狀和位置。
從圖中可見，這種多功能能量調節器構造可以有許多種不同的用途，必須對所有實施例的幾個共同特徵加以回顧。首先，具有預定電氣特性的材料801在任何實施例中都可以有多種選擇，包括但是不僅限於介質材料，金屬氧化物可變電阻材料，鐵氧體材料和其它特殊物質諸如Mylar薄膜或燒結的多晶體。無論使用何種材料801，都是用公共傳導板和電極板的組合形成多個電容器，在電容器之間構成線路到線路差分耦合電容器，並且由一對導體兩個線路到接地去耦電容器。具有預定電氣特性的材料801可以改變電容值，和/或增加額外的特徵，諸如過電壓和浪湧保護，或者是增加電感，電阻，或是所有上述的組合。
第二，在所有實施例中，無論有沒有表示出板的數量，公共導體和電極都可以有多個，以形成許多平行的電容元件，從而額外地增加電容值。
第三，可以採用包圍中心傳導板和多個電極的組合的其它公共傳導板來提供加強的固定接地，並且在所有實施例中優化Faraday盒式功能以及浪湧分散區域。
第四，通常需要有至少有一個中心公共傳導屏蔽板與另外的兩個公共傳導板或屏蔽板配對，並且應該定位在中心公共傳導屏蔽板的相對兩側(如上所述，諸如介質材料和差分電極等其它元件可以布置在這些屏蔽板之間)。上述的任何實施例還可以採用額外的公共傳導板，這一點本發明已經充分考慮到了。
實際上，儘管圖中沒有表示，這種多功能能量調節器很容易裝配在矽片中，並且直接納入供通信微處理器集成電路或晶片等應用中使用的集成電路。集成電路的矽基片內已經具有蝕刻而成的電容器，這使得本發明的構造很容易與當今採用的技術相結合。
多功能能量調節器還可以從其電路板端子連接點上直接嵌入，並且對通信或數據線濾波，從而縮小電路板實際面積要求，並且進一步縮小電路的整體尺寸，同時對製造的要求更加簡化。
最後，從以上的許多實施例中可以看出，其形狀，厚度或尺寸可以隨著需要的電氣特性而改變，或是根據濾波器的具體用途而改變，公共電極板及其連帶結構的布局所形成的物理構造能構成至少一個均勻傳導的Faraday盒式屏蔽結構800″和其它電極板。
儘管上文中具體描述了本發明的原理，最佳實施例及其最佳的應用，其本意並不是要將本發明限制於所述的具體形式。本領域的技術人員顯然有能力對最佳實施例作出各種各樣的修改，這一切都沒有脫離附帶的權利要求書所限定的本發明的原理或範圍。
權利要求
1.一種電極結構包括層疊的多個電極，它至少具有被第一和第三電極夾住並屏蔽的第二電極，以及被第三和第五電極夾住和屏蔽的第四電極；第二和第四電極的尺寸和形狀基本上相同；第二和第四電極彼此在傳導上隔離；第二和第四電極各自小於第一，第三或第五電極；第一，第三和第五電極的尺寸基本上相同，彼此對齊，並且相互用電路連接用以屏蔽第二和第四電極；並且第二和第四電極的協同布置和排列方式是從相對的位置夾住第三電極。
2.按照權利要求1的電極結構，其特徵是至少第一，第三和第五電極是屏蔽電極。
3.按照權利要求1的電極結構，其特徵是至少第一，第三和第五電極是屏蔽電極；並且至少第二和第四電極是受屏蔽電極。
4.按照權利要求2的電極結構，其特徵是電極結構的屏蔽電極數量是奇數整數；並且層疊的多個電極的電極數量是奇數整數。
5.按照權利要求2的電極結構，其特徵是層疊的多個電極中的每個電極具有至少一個延伸部。
6.按照權利要求3的電極結構，其特徵是層疊的多個電極中的每個受屏蔽電極至少具有第一延伸部；並且層疊的多個電極中的每個屏蔽電極至少具有第一和第二延伸部。
7.按照權利要求1的電極結構，其特徵是進一步包括一種材料；並且層疊的多個電極中的任何一個電極至少被至少一部分材料與層疊的多個電極中的任何另外一個電極隔開。
8.按照權利要求1的電極結構，其特徵是進一步包括多種材料部分；層疊的多個電極中的每個電極被多種材料部分中的至少兩種材料部分夾住；並且多種材料部分中的每一種材料部分具有至少一種預定的電氣特性。
9.按照權利要求6的電極結構，其特徵是進一步包括第一外部電極，它至少連接到第二電極的延伸部分上；第二外部電極，它至少連接到第四電極的延伸部分上；第一公共外部電極，它至少連接到層疊的多個電極中各屏蔽電極的至少第一延伸部分上；第二公共外部電極，它至少連接到層疊的多個電極中各屏蔽電極的至少第二延伸部分上；以及電極結構的各外部電極和電極結構的各公共外部電極被彼此隔開。
10.按照權利要求9的電極結構，其特徵是進一步包括第一，第三和第五電極各自的第三延伸部分；第一，第三和第五電極各自的第四延伸部分；第三和第四公共外部電極；第三公共外部電極至少被連接到第一，第三和第五電極的第三延伸部分；並且第四公共外部電極至少被連接到第一，第三和第五電極的第四延伸部分。
11.按照權利要求9的電極結構，其特徵是進一步包括第三和第四外部電極；第一和第二電極各自的第二延伸部分；第三外部電極被連接到第二電極的第二延伸部分；並且第四外部電極被連接到第四電極的第二延伸部分。
12.按照權利要求11的電極結構，其特徵是進一步包括第三和第四公共外部電極；層疊的多個電極中各屏蔽電極的第三和第四延伸部分；第三公共外部電極被連接到層疊的多個電極中各屏蔽電極的第三延伸部分；並且第四公共外部電極被連接到層疊的多個電極中各屏蔽電極的第四延伸部分。
13.一種電極結構包括多個第一電極，其尺寸基本相同，對齊，並且用電路彼此連接；多個第二電極，其尺寸基本相同，對齊，並且用電路彼此連接；多個第三電極，其尺寸基本相同，對齊，並且用電路彼此連接；多個第一，第二和第三電極在電路上被彼此隔離；其中多個第一電極中的各個電極大於多個第二或第三電極當中的任何一個電極；多個第二電極中的各個電極相對於多個第三電極中對應的一個電極分別被布置在相對的位置；並且多個第二和第三電極中的各個電極被多個第一電極夾住並且屏蔽。
14.按照權利要求13的電極結構，其特徵是多個第一，第二或第三電極當中的任何兩個電極都被多個材料部分中的至少一個材料部分彼此隔開；並且多個材料部分中的任何一個材料部分是從鐵氧體材料部分，介質材料部分和可變電阻材料部分構成的組中選出的。
15.按照權利要求13的電極結構，其特徵是多個第一電極是多個屏蔽電極；多個第二電極是被屏蔽的多個第一電極；並且多個第三電極是被屏蔽的多個第二電極。
16.按照權利要求13的電極結構，其特徵是電極結構的電極數量是奇數整數。
17.按照權利要求13-16之一的電極結構，其特徵是多個第二和第三電極是層疊的，並且至少被鐵氧體材料部分彼此隔開。
18.按照權利要求1-12之一的電極結構，其特徵是第三電極是多個電極的中心電極。
19.按照權利要求1-12之一的電極結構，其特徵是電極結構的至少一部分是由摻雜工藝製成的。
20.按照權利要求1-12之一的電極結構，其特徵是電極結構至少是從能量調節網絡和電容網絡構成的組中選出的一種網絡中的一部分。
21.按照權利要求1-12之一的電極結構，其特徵是電極結構是從旁路電極結構，直通電極結構，和跨接直通電極結構構成的組中選出的一種結構。
22.按照權利要求1-12之一的電極結構，其特徵是電極結構被連接到由襯底，電動機和電路構成的一組中選出的一個部件。
23.按照權利要求1-12之一的電極結構，其特徵是電極結構是一種分壓器。
24.按照權利要求1-12之一的電極結構，其特徵是電極結構是帶電的。
25.按照權利要求1-12之一的電極結構，其特徵是至少由層疊的多個電極中的第一，第三和第五電極共同防止一部分近場電通量從電極結構內部溢出。
26.按照權利要求1-12之一的電極結構，其特徵是層疊的多個電極中的至少第三電極能夠靜電屏蔽層疊的多個電極中的第二和第四電極。
27.按照權利要求1-12之一的電極結構，其特徵在於至少是第一和第二線路到地電容關係是可以變動的；至少是第二線路到地電容關係可以在第三電極和第四電極之間變動；至少是線路到線路電容關係是可以變動的；並且至少是第一或第二線路到地電容關係的電容值大約等於線路到線路電容關係的電容值的一半。
28.按照權利要求9-12之一的電極結構，其特徵在於電路的第一部分至少連接到第一外部電極；電路的第而部分至少連接到第二外部電極；一個傳導部分至少連接到公共外部電極；並且電路的第一和第二部分至少在電路上彼此間並且與傳導部分隔離。
29.按照權利要求9-12之一的電極結構，其特徵在於電路的第一部分至少用電路連接到層疊的多個電極中的第二電極；電路的第而部分至少用電路連接到層疊的多個電極中的第四電極；傳導部分被連接到公共外部電極；並且電路的第一和第二部分至少在電路上彼此間並且與公共外部電極隔離。
30.按照權利要求13-16之一的電極結構，其特徵在於多個電極中的第一，第二和第三電極各自具有至少一個延伸部分。
31.按照權利要求1-12之一的電極結構，其特徵在於電極結構的電極至少被一種材料彼此隔開，該材料具有從鐵-磁特性，可變電阻特性和介質特性構成的一組中選出的特性。
全文摘要
本發明涉及到多功能能量調節器(10)，它具有與各種介質和介質材料的組合結合著採用的結構，提供一或多個差分和共模濾波器，用於抑制電磁發射和浪湧保護。部件結構在介質上是獨立的，並且供單個部件內的各種電特性的整體執行濾波，去耦，熔斷和浪湧抑制的功能。
文檔編號H03H7/01GK1783631SQ20051010895
公開日2006年6月7日 申請日期2000年5月26日 優先權日1999年5月28日
發明者A·A·安東尼, W·M·安東尼 申請人:X2Y衰減器有限公司