JP6314927B2

JP6314927B2 - ノイズフィルタ実装構造

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Publication number: JP6314927B2
Application number: JP2015144968A
Authority: JP
Inventors: 康太孝山; 由浩今西; 真悟宇田
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2015-07-22
Filing date: 2015-07-22
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2035-07-22
Also published as: CN106373713A; US20170026018A1; TW201705684A; CN205984507U; CN106373713B; US10784040B2; TWI597940B; JP2017028496A

Description

本発明は、コモンモードノイズを除去するノイズフィルタ実装構造に関する。

モバイル機器内の集積回路素子と、ディスプレイやカメラモジュールとの間の信号インタフェースとして、ｍｉｐｉＤ−ＰＨＹ規格が規定されている。Ｄ−ＰＨＹ規格においては、２本のワイヤを伝送される信号が相互に逆相の関係を有する差動伝送方式が用いられる。差動伝送方式が採用される伝送線路において、伝送される信号にほとんど影響を与えず、かつコモンモードノイズを除去するノイズフィルタとして、コモンモードチョークコイルが用いられる。このコモンモードチョークコイルは、相互に結合する２つのコイルを含む。２つのコイルが、それぞれ２本のワイヤに直列に挿入される。

mipi D-PHY 規格書 v1.2 (http://mipi.org/specifications/physical-layer#D-PHY Specification)

近年３本のワイヤを有する伝送方式（ｍｉｐｉＣ−ＰＨＹ規格）が提案されている。ｍｉｐｉＣ−ＰＨＹ規格の伝送方式では、ｍｉｐｉＤ−ＰＨＹ規格の伝送方式に比べて信号伝送の高速化が可能である。ｍｉｐｉＣ−ＰＨＹ規格の伝送方式で伝送される信号に対するノイズ対策が求められている。

３本のワイヤのうち２本のワイヤのみに着目すると、２本のワイヤを伝送されるｍｉｐｉＣ−ＰＨＹ規格の電気信号は、必ずしも相互に逆相にはなっていない。このため、３本のワイヤから選択された２本のワイヤの各組に従来のコモンモードチョークコイルを挿入すると、信号波形が崩れてしまう。その結果、正常なデータ転送を行うことが困難になる。

本発明の目的は、３本のワイヤを含む伝送線路のコモンモードノイズを効果的に除去することが可能なノイズフィルタ実装構造を提供することである。

本発明の第１の観点によるノイズフィルタ実装構造は、
基板に形成された３本のワイヤを含み、前記ワイヤの各々がグランドレベルとは異なる３値レベルの信号を伝送する伝送線路と、
前記伝送線路に挿入されるコモンモードチョークコイルと
を有し、
前記コモンモードチョークコイルは、相互に結合する３つのコイルと、前記コイルの各々の両端に接続される３対の外部電極とを含み、
３つの前記コイルが、それぞれ３本の前記ワイヤに直列に挿入されるように、前記外部電極が前記伝送線路に接続されている。

３つのコイルが相互に結合することにより、３本のワイヤを伝送される信号の波形の乱れを抑制することができる。さらに、コモンモードノイズが伝送されることを抑制することができる。

本発明の第２の観点によるノイズフィルタ実装構造においては、第１の観点によるノイズフィルタ実装構造に加えて、
３つの前記コイルから選択される２つの前記コイルの間の結合係数が、いずれの２つの前記コイルの組み合わせにおいても等しい。

３本のワイヤを伝送される信号の波形の乱れを、より抑制することができる。

本発明の第３の観点によるノイズフィルタ実装構造は、第１及び第２の観点によるノイズフィルタ実装構造に加えて、
さらに、３本の前記ワイヤにそれぞれ接続された静電気放電保護素子を有する。

伝送線路に接続されるコンポーネントの静電破壊を防止することができる。

本発明の第４の観点によるノイズフィルタ実装構造においては、第１及び第２の観点によるノイズフィルタ実装構造に加えて、
前記コモンモードチョークコイルが、
前記基板に形成されたグランド導体に接続されるグランド端子と、
３つの前記コイルの各々の一方の端部と、前記グランド端子との間に挿入された静電気放電保護構造と
を有する。

伝送線路に接続されるコンポーネントの静電破壊を防止することができる。さらに、部品点数及び部品の実装面積の削減を図ることができる。

図１Ａは、実施例１によるノイズフィルタ実装構造の平面図であり、図１Ｂは、コモンモードチョークコイル２０の等価回路図であり、図１Ｃは、コモンモードチョークコイル２０の斜視図である。図２Ａは、コモンモードチョークコイルが挿入されていない伝送線路を伝送された電気信号の波形を示すグラフであり、図２Ｂは、コモンモードチョークコイルが挿入されている伝送線路を伝送された電気信号の波形を示すグラフである。図３Ａは、シミュレーション対象の伝送線路とコモンモードチョークコイルとの接続構成を示す図であり、図３Ｂは、図３Ａに示した伝送線路を伝送された電気信号の波形を示すグラフである。図４Ａは、コモンモードチョークコイルが挿入されていない伝送線路を伝送された同相の電気信号の波形を示すグラフであり、図４Ｂは、コモンモードチョークコイルが挿入されている伝送線路を伝送された同相の電気信号の波形を示すグラフである。図５Ａは、実施例２によるノイズフィルタ実装構造の平面図であり、図５Ｂは、コモンモードチョークコイル及び静電気放電保護素子の等価回路図であり、図５Ｃは、コモンモードチョークコイル及び静電気放電保護素子の他の構成例の等価回路図である。図６Ａは、実施例３によるノイズフィルタ実装構造の平面図であり、図６Ｂは、コモンモードチョークコイル及び静電気放電保護素子の等価回路図であり、図６Ｃは、コモンモードチョークコイル及び静電気放電保護素子の他の構成例の等価回路図である。

図１Ａから図４Ｂまでの図面を参照して、実施例１によるノイズフィルタ実装構造について説明する。

図１Ａに、実施例１によるノイズフィルタ実装構造の平面図を示す。基板１０に、第１のコンポーネント１１及び第２のコンポーネント１２が実装されている。基板１０には、例えばプリント基板が用いられる。第１のコンポーネント１１は、例えばアプリケーションプロセッサであり、第２のコンポーネント１２は、例えばカメラモジュール、ディスプレイモジュール等である。

第１のコンポーネント１１と第２のコンポーネント１２とが、伝送線路１３で接続されている。伝送線路１３により、第１のコンポーネント１１と第２のコンポーネント１２とが、例えばｍｉｐｉＣ−ＰＨＹ規格のインタフェースで接続される。伝送線路１３は、３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを含む。３値レベルの電気信号が、３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃによって伝送される。ワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃは、例えば相互に平行に配置された等長の３本のプリント配線で構成される。伝送線路１３に、コモンモードチョークコイル２０が挿入されている。

図１Ｂに、コモンモードチョークコイル２０の等価回路図を示す。コモンモードチョークコイル２０は、相互に磁気的に結合する３つのコイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、及び３対の外部電極２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃを含む。３つのコイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃから選択される２つのコイルの間の結合係数が、いずれの２つのコイルの組み合わせにおいても等しくなるように、コモンモードチョークコイル２０を構成することが好ましい。コイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの両端が、それぞれ外部電極２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃに接続される。３本のコイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃが、ワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ（図１Ａ）に直列に挿入されるように、外部電極２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃが伝送線路１３に接続されている。

３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに同一方向の電流が流れるとき、３つのコイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃによって発生する磁束が相互に強め合う。

図１Ｃに、コモンモードチョークコイル２０の斜視図の一例を示す。フェライトコアの胴部（巻芯部）２４に巻き付けられた３本のワイヤにより、コイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃが構成される。コイル２１Ａのワイヤ、コイル２１Ｂのワイヤ、及びコイル２１Ｃのワイヤは、この順番に整列して巻き付けられており、３つのコイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの巻方向は同一である。胴部２４の両端に、それぞれ鍔部２５が装着されている。鍔部２５の各々に、外部電極２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃが形成されている。

図１Ｃでは、コモンモードチョークコイル２０として巻線型のものを示したが、コモンモードチョークコイル２０として、積層型または薄膜型のものを用いることも可能である。

ｍｉｐｉＣ−ＰＨＹ規格においては、伝送線路１３の３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ（図１Ａ）を伝送される電気信号は、ハイ（Ｈ）レベル、ミドル（Ｍ）レベル、及びロー（Ｌ）レベルのいずれかの電圧レベルを取る。さらに、同一の電圧レベルの電気信号が複数のワイヤに同時に現れることはない。３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの電圧変化量は打ち消し合う。すなわち、３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの電圧変化量の合計は０である。

３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃの各々の電圧変化量は、電流変化量にほぼ比例する。このため、３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを流れる電流変化量の合計も０になる。電流変化量の合計が０であるため、コモンモードチョークコイル２０に含まれる３つのコイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃによって発生する磁束の変化が打ち消しあう。従って、コモンモードチョークコイル２０は、３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを通って伝送される電気信号に対して、実質的にインピーダンスとして働かない。このため、伝送線路１３（図１Ａ）に挿入されたコモンモードチョークコイル２０は、３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを通って伝送される電気信号の波形に影響を与えない。

コモンモードチョークコイル２０が３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを通って伝送される電気信号の波形に影響を与えないことを、シミュレーションによって確認した。以下、図２Ａ及び図２Ｂを参照して、シミュレーション結果について説明する。

図２Ａは、コモンモードチョークコイル２０が挿入されていない伝送線路１３（図１Ａ）を通って伝送された電気信号の波形を示し、図２Ｂは、コモンモードチョークコイル２０が挿入されている伝送線路１３（図１Ａ）を通って伝送された電気信号の波形を示す。横軸は経過時間を単位「ｎｓ」で表し、縦軸は信号レベルを単位「Ｖ」で表す。シミュレーションの条件として、コイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの各々の自己インダクタンスを０．１５μＨとし、２つのコイルの結合係数を０．９９とした。ここでは、「結合係数」として、着目する２つのコイル以外の３つ目のコイルの両端を開放したときの値を採用した。

図２Ａ及び図２Ｂの太い実線、細い実線、及び破線は、それぞれワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを通って伝送された電気信号の波形を示す。図２Ａ及び図２Ｂに示した電気信号の元の波形は同一である。電気信号は、約０．１Ｖ、約０．２５Ｖ、及び約０．４Ｖの３値のいずれかを取る。同一の信号レベルが同時に複数のワイヤに現れることはない。３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを通って伝送される電気信号の信号レベルの変化量の総和は０である。

図２Ａと図２Ｂとを比較すると、コモンモードチョークコイル２０（図１Ａ）を挿入しても、伝送線路１３（図１Ａ）を通って伝送される電気信号の波形は、ほとんど乱れていないことがわかる。このように、３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを通って伝送される電気信号の変化量の総和が０になる場合、電気信号の波形の乱れを抑制することができる。

比較のために、従来の２本のワイヤからなる伝送線路に適用されるコモンモードチョークコイルを、３本のワイヤからなる伝送線路に挿入した構成を採用したノイズフィルタ実装構造についてシミュレーションを行なった。

図３Ａに、シミュレーション対象の伝送線路とコモンモードチョークコイルとの接続構成を示す。３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃから選択された２本のワイヤに対して、それぞれ２ワイヤ用のコモンモードチョークコイル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃが挿入されている。

２ワイヤ用のコモンモードチョークコイル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、２本のワイヤを通って伝送される電気信号が相互に逆相である場合に、電気信号の波形に影響を及ぼさない。ところが、３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃから選択された２本のワイヤを通って伝送される電気信号は、相互に逆相であるとはいえない。このため、コモンモードチョークコイル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、ワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを伝送される電気信号に対してインダクタンス（インピーダンス）として働く。ワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを伝送される電気信号の波形は、このインピーダンスの影響を受ける。

図３Ｂに、図３Ａに示した伝送線路を通って伝送された電気信号の波形を示す。元の波形は、図２Ａ及び図２Ｂに示した電気信号の元の波形と同一である。コモンモードチョークコイル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃの影響を受けて、波形が乱れていることがわかる。

図１Ａ〜図１Ｃに示した３つのコイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃを含むコモンモードチョークコイル２０を用いることにより、３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを伝送されるｍｉｐｉＣ−ＰＨＹ規格の電気信号の波形の乱れを抑制することが可能になる。

上記実施例において、３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを通って同相の電気信号が伝送される場合には、３つのコイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃによって発生する磁束の変化が、相互に強め合う。このため、同相の電気信号に対しては、コモンモードチョークコイル２０がインダクタンス（インピーダンス）として働く。伝送線路１３に挿入されたコモンモードチョークコイル２０は、同相のコモンモードノイズに対してインピーダンスとして働くため、３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに発生するコモンモードノイズを抑制する効果を有する。

コモンモードチョークコイル２０が電気信号の波形に与える影響を小さくするために、３つのコイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃから選択される２つのコイルの間の結合係数が、いずれの２つのコイルの組み合わせにおいても等しくなるように、コモンモードチョークコイル２０を構成することが好ましい。さらに、コモンモードチョークコイル２０を構成する３つのコイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの間の結合度を大きくすることが好ましい。具体的には、３つのコイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃから選択された２つのコイルの間の結合係数を０．９以上にすることが好ましい。

コモンモードチョークコイル２０が、３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに発生するコモンモードノイズを抑制することを、シミュレーションによって確認した。以下、図４Ａ及び図４Ｂを参照して、シミュレーション結果について説明する。シミュレーション対象のコモンモードチョークコイル２０は、図２Ｂのシミュレーションの対象としたコモンモードチョークコイル２０と同一の構成のものである。

図４Ａは、コモンモードチョークコイル２０が挿入されていない伝送線路１３（図１Ａ）を通って伝送された同相の電気信号の波形を示し、図４Ｂは、コモンモードチョークコイル２０が挿入されている伝送線路１３（図１Ａ）を通って伝送された同相の電気信号の波形を示す。横軸は経過時間を単位「ｎｓ」で表し、縦軸は信号レベルを単位「Ｖ」で表す。３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに同相で、かつ同一の大きさの電気信号が加わる。図４Ａ及び図４Ｂでは、３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃを通って伝送された３つの電気信号が重なって示されている。

図４Ａ及び図４Ｂを比較すると、コモンモードチョークコイル２０を挿入することにより、同相の電気信号の振幅が低下することがわかる。このシミュレーション結果からわかるように、図１Ａに示したノイズフィルタ実装構造は、コモンモードノイズを抑制する効果を有する。

次に、図５Ａから図５Ｃまでの図面を参照して、実施例２によるノイズフィルタ実装構造について説明する。以下、図１Ａから図４Ｂまでの図面を参照して説明した実施例１との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図５Ａに、実施例２によるノイズフィルタ実装構造の平面図を示す。基板１０、第１のコンポーネント１１、第２のコンポーネント１２、伝送線路１３、及びコモンモードチョークコイル２０の構成は、実施例１の構成と同一である。実施例２においては、伝送線路１３の３つのワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに、それぞれ静電気放電保護素子１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃが接続されている。

図５Ｂに、コモンモードチョークコイル２０及び静電気放電保護素子１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃの等価回路図を示す。図５Ｂに示した例では、静電気放電保護素子１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃとして、ツェナーダイオードが用いられている。３つのツェナーダイオードのカソードが、それぞれワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに接続されており、アノードは、基板１０（図５Ａ）のグランド導体に接続されている。

図５Ｃに示すように、静電気放電保護素子１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃとして、ツェナーダイオードに代えて、バリスタ、ギャップ方式を採用した素子等を使用してもよい。

３本のワイヤ１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃに、それぞれ静電気放電保護素子１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃを接続することにより、第１のコンポーネント１１及び第２のコンポーネント１２の静電破壊を防止することができる。

次に、図６Ａから図６Ｃまでの図面を参照して、実施例３によるノイズフィルタ実装構造について説明する。以下、図５Ａから図５Ｃまでの図面を参照して説明した実施例２との相違点について説明し、共通の構成については説明を省略する。

図６Ａに、実施例３によるノイズフィルタ実装構造の平面図を示す。基板１０、第１のコンポーネント１１、第２のコンポーネント１２、及び伝送線路１３の構成は、実施例２の構成と同一である。実施例２においては、静電気放電保護素子１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ（図５Ａ）として、個別の素子が用いられている。これに対し、実施例３においては、コモンモードチョークコイル２０が、静電気放電保護構造を含む。

コモンモードチョークコイル２０は、３つのコイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ（図１Ｂ）に接続される３対の外部電極２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃの他に、グランド端子２７を含む。グランド端子２７は、基板１０のグランド導体に接続される。

図６Ｂに、実施例３で用いられるコモンモードチョークコイル２０の等価回路図を示す。コモンモードチョークコイル２０は、３つのコイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、及び３つの静電気放電保護構造２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃを含む。

コイル２１Ａの両端が、それぞれ１対の外部電極２２Ａに接続されており、コイル２１Ｂの両端が、それぞれ１対の外部電極２２Ｂに接続されており、コイル２１Ｃの両端が、それぞれ１対の外部電極２２Ｃに接続されている。静電気放電保護構造２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃは、それぞれコイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの一方の端部と、グランド端子２７との間に挿入されている。図６Ｂに示した例では、静電気放電保護構造２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃがツェナーダイオードで構成される。３つのツェナーダイオードのアノードがグランド端子２７に接続されており、３つのツェナーダイオードのカソードが、それぞれコイル２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの一方の端部に接続されている。

図６Ｃに示すように、静電気放電保護構造２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃをバリスタで構成することも可能である。さらに、静電気放電保護構造を２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃを、微小ギャップを挟んで対向する２つの導体パターンで構成することも可能である。

実施例３においても、実施例２と同様に、第１のコンポーネント１１及び第２のコンポーネント１２の静電破壊を防止することができる。さらに、静電気放電保護構造２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃがコモンモードチョークコイル２０に内蔵されているため、部品点数、及び実装面積を削減することができる。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ノイズフィルタ実装構造
１１第１のコンポーネント
１２第２のコンポーネント
１３伝送線路
１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃワイヤ
１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ静電気放電保護素子
２０コモンモードチョークコイル
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃコイル
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ外部電極
２４胴部（巻芯部）
２５鍔部
２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ静電気放電保護構造
２７グランド端子
３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ２ワイヤ用のコモンモードチョークコイル

Claims

基板に形成されたグランド導体と、
前記基板に形成された３本のワイヤを含み、前記ワイヤの各々が前記グランド導体のレベルとは異なる３値レベルの信号を伝送する伝送線路と、
前記伝送線路に挿入されるコモンモードチョークコイルと
を有し、
前記コモンモードチョークコイルは、相互に結合する３つのコイルと、前記コイルの各々の両端に接続される３対の外部電極とを含み、
３つの前記コイルが、それぞれ３本の前記ワイヤに直列に挿入されるように、前記外部電極が前記伝送線路に接続されているノイズフィルタ実装構造。
３つの前記コイルから選択される２つの前記コイルの間の結合係数が、いずれの２つの前記コイルの組み合わせにおいても等しい請求項１に記載のノイズフィルタ実装構造。
基板に形成された３本のワイヤを含み、前記ワイヤの各々が３値レベルの信号を伝送する伝送線路と、
前記伝送線路に挿入されるコモンモードチョークコイルと
を有し、
前記コモンモードチョークコイルは、相互に結合する３つのコイルと、前記コイルの各々の両端に接続される３対の外部電極とを含み、
３つの前記コイルが、それぞれ３本の前記ワイヤに直列に挿入されるように、前記外部電極が前記伝送線路に接続されており、
さらに、３本の前記ワイヤにそれぞれ接続された静電気放電保護素子を有するノイズフィルタ実装構造。
基板に形成された３本のワイヤを含み、前記ワイヤの各々が３値レベルの信号を伝送する伝送線路と、
前記伝送線路に挿入されるコモンモードチョークコイルと
を有し、
前記コモンモードチョークコイルは、相互に結合する３つのコイルと、前記コイルの各々の両端に接続される３対の外部電極とを含み、
３つの前記コイルが、それぞれ３本の前記ワイヤに直列に挿入されるように、前記外部電極が前記伝送線路に接続されており、
前記コモンモードチョークコイルは、
前記基板に形成されたグランド導体に接続されるグランド端子と、
３つの前記コイルの各々の一方の端部と、前記グランド端子との間に挿入された静電気放電保護構造と
を有するノイズフィルタ実装構造。