专利名称：控制设备和用于设计控制设备的电路板的方法
技术领域：
本发明涉及一种尤其是用于汽车的控制设备、以及一种用于设计该控制设备的电路板的方法和一种用于执行该方法的计算机程序产品。
背景技术：
现代汽车包含许多电子控制设备，这些电子控制设备安装在不同的位置，以承担控制或调节功能。控制设备同样被用作嵌入系统以控制和调节机器、设备和其他的技术过程。为了能够在估计具有静电放电(ESD )和其他潜在干扰性电磁效应的那些安装位置上可靠地运行控制设备，必须保证该控制设备的足够的电磁兼容性(EMV)。诸如ISO 10605:2008的工业标准规定了特定的测试方法，利用该测试方法能够尤其是针对静电放电来检验控制设备的电磁兼容性。在此情况下，该控制设备在运行中针对空气放电效应被暴露于其机壳壁附近，并监控在该控制设备的电子装置中是否出现故障。在电子装置中导致失效的机理在于，高欧姆的电路部分(比如振荡器电路、模数转换器的输入端和具有弱上拉源的IC处未连接的管脚，比如测试管脚、编程管脚、传感器)以其电压水平受到高静电场的影响。如果这种受干扰电路的电压水平超过其功能范围，那么就可能导致电子装置的故障。图5以剖面图示出了用于汽车的一种常规控制设备100，其安装在测试装置500上，在此期间按照ISO 10605 2008来执行在此简化示出的对在静电放电时电磁干扰的测试。该控制设备100具有由不导电的材料构成的机壳101和固定于其中的带有电子构件的电路板102，其中为了清楚性仅示出一个集成电路112，该集成电路112具有未连接的输入端 104。为了执行测试，该控制设备100被设置到该测试装置500的与地电位156电连接的水平金属板154上。通过电缆束158，该控制设备与模拟负载160电连接，该模拟负载模拟在实际运行中要由该控制设备100控制的负载并且包含该控制设备100的内部地电位至接地金属板154的电气连接161。属于该测试装置500的、用于在枪150的尖端151上生成静电放电的ESD枪150通过柔性线路152同样与接地金属板154相连接。在测试期间，如所示那样在该控制设备100的持续运行中，该ESD枪将其尖端151置于控制设备100的机壳101上，以相对于地电位156高的电压施加空气放电，并检查是否出现控制设备100的故障。通过空气放电短时地形成电场162,该电场从该ESD枪的尖端151穿过机壳101的壁延伸至靠近集成电路112的未连接输入端104附近的电路板102。该电场162影响了该未连接输入端104处的电压水平，使得出现对该控制设备100的运行干扰。如果利用这种测试方法识别到由于静电放电导致的故障，则改进控制设备的构造的一种方式在于，增大在该机壳壁与有关电路部分之间的间距。但这是耗费的，因为必须匹配模具和其他生产工具，并且导致不利的机壳体积增大。另一方案在于，通过引入导电材料来提高机壳材料的体积电导率，但这需要以相应提高的成本来重新构造机壳。在机壳内安置导电层也需要高的耗费，因为为了安置和构造该层需要额外的工作步骤。在该控制设备中在有关的电路部分周围安装导电屏蔽面或特殊封装也是耗费的。因此值得期望的是，以尤其是构造改变的微小耗费来改善控制设备相对于静电放电的兼容性。
发明内容
因此规定一种尤其是用于汽车的控制设备，其具有电路板、设置在电路板上的高阻抗电路部分，所述高阻抗电路部分相对于控制设备的地具有IkQ或更高的阻抗；以及至少一个与地电气连接的导电的保护元件，所述保护元件设置在电路板上高阻抗电路部分的旁边，并在高阻抗电路部分的保护距离内具有至少等于该保护距离的高度。诸如“上”、“旁边”和“高度”的空间概念涉及承载该高阻抗电路部分的电路板的表面。在其他方面，本发明还提供一种用于设计控制设备的电路板的方法以及一种用于执行该方法的计算机程序产品，根据该方法首先在电路板上确定高阻抗电路部分的位置，所述高阻抗电路部分相对于控制设备的地具有IkQ或更高的阻抗。在另一方法步骤中，在电路板上高阻抗电路部分的旁边，如此确定至少一个与地电气连接的导电的保护元件的位置，使得所述保护元件在高阻抗电路部分的保护距离内具有至少等于保护距离的高度。本发明的优点
本发明所基于的想法是，在电路板上高阻抗电路部分旁边足够近地设置与地相连的导电的保护元件，使得由控制设备外部的静电放电所引起的电场的走向偏转到所述保护元件。同样大或大于所述保护元件与所述高阻抗电路部分之间的距离的保护元件高度致使在静电放电的情况下一所述静电放电在该控制设备外部在电路板上的高阻抗电路部分的位置上出现，放电位置相对于保护元件的路径长度约等于或小于放电位置相对于高阻抗电路部分的路径长度。因为保护元件与地相连，而高阻抗电路部分通过至少IkQ与地隔离，所以构建了一个电场，该电场的场力线在放电位置与保护元件的上端之间延伸，而在高阻抗电路部分周围的空间基本上保持无场力线。根据本发明，与例如常规的屏蔽面和封装不同的所述保护元件仅仅设置在电路板上高阻抗电路部分的旁边，使得不用大的耗费就实现了对高阻抗电路部分的改善的保护。因为所述保护元件仅仅具有给定的高度就足够了，所以所述保护元件可以用小的宽度尺寸来构造，使得该保护元件可简单地和成本有利地来制造，可以仅仅占据小的电路板面积，以及无需耗费的改变就可以事后集成到已有的电路板布局中。不需要比如在控制设备的机壳上进行的进一步改变。根据一个优选的改进方案，所述控制设备具有机壳，该机壳具有基本不导电的材料，比如具有小于ImS的电导率。诸如塑料的这类材料已知是种类繁多的，使得可以采用特别成本有利的和/或轻质的材料。根据一个优选的改进方案，所述高阻抗电路部分包括振荡器、传感器、模数转换器的输入端和/或集成电路的未连接端子，诸如编程和测试输入端。这类电路部分典型地相对于静电放电是特别敏感的，使得可以实现最大的保护作用。根据一个优选的改进方案，所述高阻抗电路部分的基面在电路板上基本上位于所述保护距离之内围绕电路板的一个片段，在该片段上所述至少一个保护元件具有所述高度。这样在大面积构造的高阻抗电路部分的情况下整个高阻抗电路部分也可靠地落入由所述保护元件所保护的区域之中，因为对于基面的每个点都存在所述至少一个保护元件的点，该保护元件具有比两点之间的距离更大的高度。根据一个优选的改进方案，所述高阻抗电路部分基本上位于围绕所述至少一个保护元件的保护空间之内，该保护空间可以由多个正圆锥叠加而成，该正圆锥分别具有90°的开启角度、位于所述至少一个保护元件上的锥尖和在电路板上的基圆平面。这样尤其在高阻抗保护部分具有电路板上的显著高度的情况下，整个高阻抗电路部分可靠地落入由该保护元件所保护的区域中，因为对于在该高阻抗电路部分的表面上的每个点都存在所述至少一个保护元件的点，该保护元件具有比这两个点之间的距离更大的高度。根据一个优选的改进方案，所述至少一个保护元件基本上构造为垂直于电路板突出的棒或板形状。这需要特别小的面积和材料耗费。根据一个优选的改进方案，所述至少一个保护元件具有保持在电路板开孔中的压嵌针。也称作压嵌管脚的这种针作为具有标准尺寸的大规模制造产品而可以成本有利地获得，并尤其简单地通过压嵌到电路板开孔中来固定，其中在适当地设置的导体线路的情况下不用额外的步骤就可以同时制造对地的电气接触。此外，该压嵌针优选地用于把电路板固定在控制设备中，所通过的方式例如是，该压嵌针通过与机壳盖相结合而用作电路板的压紧装置。所述压嵌针的双重功能致使进一步降低了构造耗费，因为比如可以省略在电路板上的其他位置处所设置的压嵌针，使得该创新措施既不需要额外的构建也不需要电路板面积。根据一个优选的改进方案，所述至少一个保护元件构造为电路构件，该电路构件具有至少一个与地相连的端子。比如所述保护元件可以构造为电容器、晶体管或二极管。这比如能够把在控制设备的电子装置中总归需要的电路构件额外地用作保护元件，使得既不需要额外的保护元件也不需要额外的电路板面积。
本发明下面借助优选实施方式和附图来解释。在附图中
图1示出了根据本发明实施方式的用于汽车的控制设备在测试该控制设备的电磁兼容性时的剖视 图2示出了根据另一实施方式的控制设备的电路板的片段俯视 图3示出了图2中的电路板沿着线1-1’的片段剖视 图4示出了根据一个实施方式的用于设计控制设备的电路板的方法的流程图；以及 图5示出了用于汽车的常规控制设备的在测试该控制设备的电磁兼容性时的剖面图。除非另外说明，在附图中相同的附图标记表示相同的或功能相同的部件。
具体实施例方式图1示出了用于汽车的控制设备100的剖视图，该控制设备安装在测试装置500上，在此期间按照ISO 10605:2008执行对在静电放电时的电磁干扰执行在此简化示出的测试。该测试装置500的构造与图5所示的相同。该控制设备100在其基本构造上与图5的常规控制设备一致，但该控制设备100另外具有导电的棒状保护元件110，该保护元件在未连接的输入端104旁垂直于该电路板102固定，并突出该电路板102的表面180直至高度h。分别从该电路板的表面180来测量，该保护元件的高度h约为机壳101的盖内侧181的高度H的2/3。该保护元件110与该控制设备100的地电气连接，比如通过在该电路板102的底侧和/或上侧180处适当引入的、在此未示出的导体线路。在图1所示的、以与图5中相同的方式来进行的测试期间，在该控制设备100的持续运行中，ESD枪以其尖端151被置于该控制设备100的机壳101上，以相对于地电位156高的电压施加空气放电，并检查是否出现该控制设备100的故障。通过空气放电短时地形成电场162，该电场的场力线从ESD枪的尖端151出发穿过机壳101的壁延伸并继续侧向延伸直至保护元件110的最高点111。因此，尽管该ESD枪150的尖端151如在图5中那样直接被置于集成电路112的未连接输入端104上方的机壳101上,但围绕未连接输入端104的区域基本上保持无电场，使得该未连接输入端104的电压水平不受影响，并实现了控制设备100的无干扰运行。在图1中围绕该保护元件110用虚线标记出保护区域114，保护元件110的保护作用近似延伸到该保护区域上，以使高欧姆电路部分避开电场。该保护区域110具有向下扩大的圆锥形状，该圆锥具有开启角度β =90 ，其锥尖与保护元件110的最高点111相重合，并且其基圆平面与电路板102的上侧180相重合。该圆锥的锥轴与棒状保护元件110的中心轴相重合，并且电路板102上的基圆的半径d等于保护元件110的高度h。未连接输入端104的主要片段位于保护区域114中。如果观察该未连接输入端104以及保护元件110的最高点111在电路板102上的投影，那么二者之间的距离小于高度h。图2和3示出了根据另一实施方式的用于汽车的控制设备的电路板102的片段。在电路板102上存在金属化层107，在该金属化层中通过蚀刻或另一种合适的方法形成了不同的导体线路254、106。石英振荡器153被安装在电路板102的矩形屏蔽区域108中，在该屏蔽区域中该电路板主要覆盖有由金属化层107所形成的接地导体线路106。与该接地导体线路106绝缘的其他导体线路254从石英振荡器153底侧的连接触点255穿过该屏蔽区域108而从该屏蔽区域108中引出，在此导体线路254通过锡球矩阵的锡球251被接触，利用该锡球将微控制器250安装在电路板102上。在石英振荡器253与微控制器250之间在该电路板上安装两个电容器210，所述电容器分别具有与接地导体线路106连接的端子232和另一端子231，该端子231分别与将微控制器250与石英振荡器253相连接的、与地106绝缘的导体线路254相连接。在石英振荡器253旁在屏蔽区域108内形成穿过电路板的孔209，该石英振荡器253是高欧姆的电路部分、也即相对于地106具有1ΚΩ或更高阻抗的电路部分。在孔209中压入金属压嵌针Iio来作为石英振荡器253的保护元件，以保护该石英振荡器免受电场影响，该电场由控制设备外部的静电放电发出。压嵌针110与地电气连接，其方式是，该压嵌针110与围绕压嵌孔209的接地导体线路106和/或必要时附加地在孔壁中所构成的、在此未示出的孔壁金属化层相接触，该孔壁金属化层与接地导体线路106电气连接。压嵌针110具有比如3.5mm的高度h，并在其上端具有开启角度α约为30 至60的锥形尖
端 Illo
如前面参照图1所解释的，围绕压嵌针110用虚线标记了圆锥形保护区域114。石英振荡器253完全位于该保护区域114内。在图2中尤其可以看出，石英振荡器253的基面在电路板102上位于该圆锥形保护区域114的基圆内。从而在不导电的机壳壁101外侧182上进行静电放电的情况下，石英振荡器253被保护免受由于电场而产生的故障，其中所述机壳壁在电路板102上延伸。因为两个电容器210分别具有与地106相连接的端子232，所以所述电容器同样用作保护元件。通过为有关电容器210的表面上的每个点构造向下开口的圆锥——该圆锥在有关点处具有其锥尖，可以得到由诸如电容器210之一的不规则形状的保护元件所形成的保护区域214。在电容器210的情况下，通过把多个如此获得的圆锥221、222相叠加——在此针对电容器210的近似矩形的上面两个角211、212而代表性地示出一得出该不规则形状的保护元件的保护区域214。但因为在图2和3中借助电容器210之一所示的示例中，该区域完全位于压嵌针110的保护区域114之内，所以整体由该压嵌针110和有关电容器210保护的整个保护区域与仅仅该压嵌针110的保护区域114相一致。图4示出用于设计控制设备的电路板的方法600的流程图。在步骤602中，首先在电路板上确定高阻抗电路部分的位置，该高阻抗电路部分相对于该控制设备的地具有IkQ或更高的阻抗。在另一方法步骤604中，在电路板上的该高阻抗电路部分的旁边，如此确定给定高度h的、与地导电连接的保护元件的位置，使得该高阻抗电路部分的尽可能大的片段位于保护元件周围的圆形保护区域内，该保护区域的半径等于该保护元件的高度。在判断步骤606中，检验该保护区域是否已经覆盖了整个高阻抗电路部分。如果不是这种情况，那么该方法就跳转返回到步骤604，在步骤604现在如此来确定另一同样的保护元件的位置，使得该高阻抗电路部分的尽可能大的片段位于整个保护区域内，所述整个保护区域通过把围绕各个保护元件的各个圆形保护区域相叠加而形成。然后在判断步骤606中，检验整个保护区域是否已经覆盖了整个高阻抗电路部分。如果不是这种情况，那么该方法就跳转返回到步骤604。如果在判断步骤606中确定之前所定位的保护元件的保护区域完全覆盖了高阻抗电路部分，那么该方法结束。
权利要求
1.一种尤其是用于汽车的控制设备(100)，具有: -电路板(102); -设置在电路板(102)上的高阻抗电路部分(104)，所述高阻抗电路部分相对于控制设备(100)的地(106)具有IkQ或更高的阻抗；以及 -至少一个与地(106)电气连接的导电的保护元件(110，210)，所述保护元件设置在电路板(102)上高阻抗电路部分(104)的旁边，并在高阻抗电路部分(104)的保护距离(d)内具有至少等于该保护距离(d)的高度(h)。
2.根据权利要求1所述的控制设备(100)，所述控制设备(100)具有机壳(101)，所述机壳具有基本不导电的材料。
3.根据权利要求1或2所述的控制设备(100)，其中高阻抗电路部分(104)包括振荡器(253)、传感器、模数转换器的输入端或/和集成电路(112)的未连接端子(104)。
4.根据前述权利要求之一所述的控制设备(100)，其中高阻抗电路部分(104)在电路板(102)上的基面基本上位于保护距离(d)之内围绕电路板(102)的一个片段，在所述片段之上至少一个保护元件(110，210)具有所述高度(h)。
5.根据权利要求4所述的控制设备(100)，其中高阻抗电路部分(104)基本上位于围绕至少一个保护元件(110，210)的保护空间(114)之内，所述保护空间能通过多个正圆锥(114，221，222)的叠加来形成，所述正圆锥分别具有90°的开启角度(β )、在至少一个保护元件(110，210)上的锥尖(211，212)以及在电路板(102)上的基圆平面。
6.根据前述权利要求之一所述的控制设备(100)，其中至少一个保护元件(110，210)基本上构造为垂直于电路板(102)突出的棒或板形状。
7.根据前述权利要求之一所述的控制设备(100)，其中至少一个保护元件(110，210)具有保持在电路板(102)的开孔中的压嵌针(110)，所述压嵌针尤其是将电路板(102)固定在所述控制设备(100)中。
8.根据前述权利要求之一所述的控制设备(100)，其中至少一个保护元件(110，210)具有电路构件(210)，该电路构件在至少一个端子(232)处与地(106)相连接。
9.一种用于设计尤其是用于汽车的控制设备(100 )的电路板(102 )的方法(600 )，该方法具有以下的步骤: -在电路板(102)上确定(602)高阻抗电路部分(104)的位置，所述高阻抗电路部分相对于控制设备(100)的地(106)具有IkQ或更高的阻抗； -在电路板(102)上高阻抗电路部分(104)的旁边，如此确定(604)至少一个与地(106)电气连接的导电的保护元件(110，210)的位置，使得所述至少一个保护元件(110，210)在高阻抗电路部分(104)的保护距离(d)内具有至少等于保护距离(d)的高度(h)。
10.一种具有程序指令的计算机程序产品，所述指令存储在机器可读的载体上，以执行根据权利要求9所述的方法(600)。
全文摘要
本发明提供一种尤其是用于汽车的控制设备，其具有电路板；设置在电路板上的高阻抗电路部分，所述高阻抗电路部分相对于控制设备的地具有1kΩ或更高的阻抗；以及至少一个与地电气连接的导电的保护元件，所述保护元件设置在电路板上高阻抗电路部分的旁边，并在高阻抗电路部分的保护距离内具有至少等于该保护距离的高度。在其他方面，本发明还提供一种用于设计控制设备的电路板的方法以及一种用于执行该方法的计算机程序产品，根据该方法首先在电路板上确定高阻抗电路部分的位置，所述高阻抗电路部分相对于控制设备的地具有1kΩ或更高的阻抗。在另一方法步骤中，在电路板上高阻抗电路部分的旁边，如此确定至少一个与地电气连接的导电的保护元件的位置，使得所述保护元件在高阻抗电路部分的保护距离内具有至少等于保护距离的高度。
文档编号H05K9/00GK103081585SQ201180043588
公开日2013年5月1日 申请日期2011年7月12日 优先权日2010年9月10日
发明者J.许布尔, M.凯歇尔 申请人:罗伯特·博世有限公司