JP2007124889A

JP2007124889A - コントローラと別個の回路基板上に実装された電力構成要素とを備えた電力変換器

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Publication number: JP2007124889A
Application number: JP2006287398A
Authority: JP
Inventors: Richard S Lin; リチャード・エス・リン; Monji G Jabori; モンジ・ジー・ジャボリ; Thomas P Sawyers; トーマス・ピー・ソーヤーズ
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2007-05-17
Also published as: TW200717977A; CN1988345A; US20070091659A1; EP1780880A2; EP1780880A3

Abstract

【課題】電力変換器の電力回路構成を冷却し、回路基板設計の変更に対処する。
【解決手段】少なくともいくつかの実施形態において、電力変換器(50)は、第１の回路基板(60)上に実装されるよう構成された制御ロジック(56)と、該制御ロジックに電気的に結合されるよう構成され且つ第２の回路基板(62)上に実装されるよう構成された電力構成要素とを備える。前記第１の回路基板は、前記第２の回路基板に機械的に取り付けられる。他の実施形態において、システムは、システムボードと、該システムボードに取り付けられたモジュールと、電力構成要素に電気的に結合されたコントローラを含む電力変換器(50)とを備える。前記コントローラは、前記モジュール上に実装され、前記電力構成要素は、前記システムボード上に実装される。
【選択図】図４Ｂ

Description

本発明は電力変換器に関し、特に、コントローラと、別個の回路基板上に実装された電力構成要素（パワーコンポーネント）とを備えた、電力変換器に関する。

電力変換器は、コンピュータを含む様々な用途に用いられている。一般には、電力変換器は、入力電圧を異なる電圧レベルにおける出力電圧に変換する。例えば、電力変換器は、１２ボルトの直流（「ＶＤＣ」）電圧を、３．３ＶＤＣの出力電圧に変換することができる。

電力変換器は典型的には、低電圧制御回路構成と、より高い電力の電力回路構成とを含む。該電力回路構成は、１つか又は複数の構成要素（例えばトランジスタ）を備え、該構成要素を通して、電気的な出力電流の幾らかか又は全てが流れる。結果として、電力回路構成は、制御回路構成よりも高温になり、触れるには熱いほどにもなることから、その生成された熱を除去する熱制御機構からの恩恵を受ける。電子回路からの除熱は、特にいくつかの例において、問題となり得る。例えば、ラップトップコンピュータのような携帯用電子装置は、小さく且つコンパクトな設計であることにより、電子回路全体にわたって空気を動かすための空き空間がほとんどない。更には、ラップトップ内における雑音及びサイズの制約のために、そのファンは、もしもファンが存在するならば、典型的には小さく、一般には、十分な量の空気を動かすことができない。結果として、ラップトップのような携帯用電子装置を温度的に良良好な状態に維持することは、問題となる可能性がある。従って、電力変換器の電力回路構成を冷却することが困難である可能性がある。

システム設計者が直面する別の問題は、回路基板設計（例えば「マザー」ボード）の変更に対処することである。このような変更は、回路基板のプロバイダーがある特定の部品（例えばコントローラチップ）のための基板を設計し、該基板が設計されてテストされた後に、該プロバイダーがこの当初の部品用に設計された基板とピン互換性がない（ピンコンパチでない）別の部品に変更する場合に、結果として生じる可能性がある。このようなピン互換性のない部品へと変更する決定は、様々な理由から生じる可能性がある。例えば、元の部品のベンダーが、もはやその部品を供給しない可能性があることによって、基板製造業者は代替部品への切替を余儀なくさせられる。何らかの理由から、ピン互換性のない異なる部品が、既に別の部品用に設計されている回路基板と共に使用されることとなり、この部品における変更は、その回路基板に対するの設計変更を必要とする。例えば、コンピュータ内のマザーボードの場合には、この設計変更は、広範囲で且つコストがかかる可能性がある。

本発明の一実施例は、
負荷に電力を提供するよう構成された電力変換器（５０）であって、
第１の回路基板（６０）上に実装されるよう構成された制御ロジック（５６）と、
前記制御ロジック（５６）に電気的に結合されるように構成され且つ第２の回路基板（６２）上に実装されるよう構成された、電力構成要素であって、前記電力のうちの少なくともいくらかは、前記電力構成要素（Ｌ１）を通って前記負荷へ流れることからなる、電力構成要素
とを備え、
前記第１の回路基板（６０）は、前記第２の回路基板（６２）に機械的に取り付けられることからなる、電力変換器である。

電力変換器の電力回路構成を冷却することができ、回路基板設計の変更に対処することができる。

本発明の例示的な実施形態の詳細な説明のため、添付図面に参照がなされる。

表記及び専門用語
以下の説明と特許請求の範囲とを通して、特定のシステム構成要素に言及するために特定の用語が用いられる。当業者であれば理解するであろうように、コンピュータ会社によって１つの構成要素を異なる名前で呼ぶ場合がある。本文書は、名前は異なるが機能は異ならない構成要素を区別することを意図していない。以下の説明において及び特許請求の範囲内において、用語「含む」及び「備える」は、拡大解釈可能な様式で用いられ、従って「…を含むが、それらに限定されない」ことを意味するよう解釈されるべきである。同様に、用語「結合する」も、間接的か又は直接的のいずれかの電気的接続を意味するよう意図される。従って、第１の装置が第２の装置に結合する場合には、この接続は、直接的な電気的接続によるものであるか、又は他のデバイス及び接続を介した間接的な電気的接続によるものである可能性がある。用語「システム」は、２つか又は３つ以上の部品の集まりを指す。用語「システム」は、コンピュータシステムの一部分におけるコンピュータシステムを指すように用いられる可能性がある。

以下の説明は、本発明の様々な実施形態に向けたものである。これらの実施形態のうち１つか又は複数が好適である可能性があるが、開示された実施形態は、特許請求の範囲を含む開示の範囲を限定するように解釈されるべきでないか、又は別様に用いられるべきではない。更には、以下の説明には広範囲な用途があり、任意の実施形態の説明は、その実施形態の例示となることのみを意図しており、且つ、特許請求の範囲を含む開示の範囲がその実施形態に限定されることをほのめかすことを意図していないことを、当業者であれば理解するであろう。

図１は、電力変換器５０の例示的な回路の一実施形態を示す。示されるように、電力変換器５０は、少なくとも２つの部分、すなわち制御部５２と電力部５４とを備える。該制御部と電力部とは、示されるように互いに電気的に結合されている。制御部５２は、コントローラ５６と１つか又は複数のディスクリートな受動構成要素を含む制御ロジックを備える。図１の実施形態の受動構成要素は、コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３、及びＣ４と、ダイオードＺ１と、抵抗器Ｒ１、Ｒ２、及びＲ３とを含む。電力部５４は、電力トランジスタＱ１及びＱ２と、インダクタＬ１と、コンデンサＣＯＵＴと、抵抗器ＲＬＯＡＤとを備える。一般には、電力部５４は、少なくとも１つの電力構成要素を備え、いくつかの実施形態においては、図１に示されるように、複数の電力構成要素と、必要に応じて他の構成要素とを備える。電力構成要素は、構成要素を通して電流が負荷へと流れる該構成要素を指す。図１に示された電力変換器５０を、コンピュータシステムのようなシステム内において使用することができ、従って、電力変換器５０は、システム内の１つか又は複数の負荷（具体的には図示せず）に電力を提供する。

コントローラ５６は、ＭＡＸＩＭによって提供されるＭＡＸ１９９９ＥＥＩコントローラのようなパルス幅変調器（「ＰＷＭ」）制御チップを備える。コントローラ５６は、一般には、入力ＤＣ電圧（「ＶＩＮ」）を受けて、少なくともいくつかの実施形態において入力電圧よりも低い出力定電圧レベル（「ＶＯＵＴ」）を生成するように用いられる。例えば、ＶＩＮは、＋１２ＶＤＣとすることができ、ＶＯＵＴは、＋３．３ＶＤＣとすることができる。コントローラ５６を、２つのおそらくは異なる出力電圧（例えば＋１．５ＶＤＣと＋３．３ＶＤＣ）を提供することが可能なデュアルコントローラとして実施することができる。一般には、コントローラ５６を、任意の適合可能な数の出力電圧を提供するように実施することができる。

図１内に図示されたコントローラ５６は、複数の入力及び出力を有する。このコントローラの入力及び出力が、下記の表Ｉ内において、各信号の簡単な説明と共に列挙されている。図１内においてコントローラ５６に関連して他の信号が示されているが、図１の実施形態においては使用されていない。このような信号が、表Ｉ内に含まれる。

図１に示されるように、使用される回路トポロジは、ＤＣ入力源（「ＶＩＮ」）とグランドとの間に直列接続された２つの電力トランジスタＱ１及びＱ２（それぞれ「アッパー」トランジスタ及び「ロワー」トランジスタとも呼ばれる）が１スイッチングサイクル内において交互にオン及びオフに駆動される同期バック変換器（synchronous-buck converter）である。コントローラ５６は、トランジスタＱ１及びＱ２を互いに位相をずらして交互にターンオン及びオフさせる「ハイ」制御信号及び「ロー」制御信号（「ＤＨ」及び「ＤＬ」）を生成する。すなわち、Ｑ１がターンオンされる時にはＱ２がターンオフされ、Ｑ１がターンオフされる時にはＱ２がターンオンされる。トランジスタがターンオン及びオフされるデューティサイクルは、コントローラ５６によって、所望のＶＯＵＴ電圧レベルに達するように実現される。トランジスタＱ１及びＱ２における振動する且つ協調された動きの結果として、この２つのトランジスタを相互接続するノード（ノード５７）における電圧は、スイッチング波形を構成する。従って、ノード５７は、「スイッチング」ノードと呼ばれる。該スイッチングノード５７は、スイッチング波形を、インダクタＬ１とコンデンサＣ_ＯＵＴとを備えたローパスフィルタに提供する。該ローパスフィルタは、スイッチング電圧を所望のＤＣ出力電圧（ＶＯＵＴ）に平均化する。コントローラ５６は、該コントローラのＯＵＴ入力端子及びＦＢ入力端子において受けた信号に基づき、トランジスタＱ１及びＱ２に関連付けられたデューティサイクルを絶えず調整する。電力変換器５０の制御部５２において示された様々なコンデンサ、抵抗器、及びダイオードによって、コントローラ５６が正確に動作することが可能となる。例えば、抵抗器Ｒ２及びＲ３は、ＦＢ入力端子についての電圧分圧器ネットワークを形成する。

本発明の例示的な一実施形態によれば、制御ロジックを含む制御部５２と、少なくとも１つの電力構成要素を含む電力部５４とが、２枚の別個の回路基板上か又はモジュール上に製造される。例えば、コンピュータシステムの状況において、電力部５４は、コンピュータのマザーボード上に設けられ、制御部５２は、マザーボードに対して機械的に且つ電気的に取り付け可能な「ドーター（daughter）」ボード上に設けられる。図２及び図３は、電力変換器５０を構成する図１の構成要素の、例示的なレイアウト分割を示す。図２は、第１の回路基板６０を示し、該第１の回路基板６０の上に、制御部５２の構成要素が実装される。導電端子６５が設けられることにより、制御部５２の制御ロジックと、電力部５４の１つか又は複数の電力構成要素との間の接続が可能となる。図３は、第２の回路基板６２の少なくとも一部を示し、該第２の回路基板６２の上に、電力部の構成要素が実装される。端子６７は、電力部５４の構成要素と、制御部５２の１つか又は複数の構成要素との間の電気的な接続を可能にするために設けられる。

上記のように、いくつかの実施形態において、第２の回路基板６２は、コンピュータのマザーボードを含むことができる。コンピュータのマザーボード上に電力部５４を設けることによって、コンピュータ内の様々な他の構成要素（例えば制御部５２内の構成要素）よりも高温になりやすいそのような構成要素を、コンピュータの熱調節機構（例えばファン）を用いてより効率的に冷却することが頻繁に可能となる。ドーターボードのような別個の基板上に制御部５２を設けることによって、制御部の回路構成内における変更（例えば異なるコントローラ５６への変更）により必要とされる任意の基板設計変更は、ドーターボード内における変更のみを必要とし、マザーボード内における変更を必要としない。ドーターボードに対する設計変更は、一般には、コンピュータのマザーボードに対する変更よりも複雑でなく、コストが低い。

図４Ａは、電力変換器の制御部５２の上面配置図を示す。示されるように、制御部は、コントローラ５６と、第１の回路基板６０上に実装された様々な受動構成要素６４とを備える。該受動構成要素６４は、図１及び図２に示された制御部５２の抵抗器、コンデンサ、及びダイオードの任意のものか又は全てを含む。第１の回路基板６０は、１つか又は複数の導電性の銅フィンガ（copper finger）７２によって、マザーボード６２（図４Ｂ）上に実装されたドーターボードを含むことができる。銅フィンガ７２は、基板６０の縁（エッジ）を包み込み、該基板６０は、導電性パッド６５と電気的に接触している。半田７４を使用することにより、銅フィンガ７２が、従って導電性パッド６５が、マザーボード６２上の対応する導電性パッド６７に電気的に接続される。図４Ｂ内に具体的には示されていないが、電力部の構成要素は、マザーボード６２上に実装される。

図５Ａ及び図５Ｂは、制御部５２を含むドーターボード６０が、導電性ヘッダピン８２によって電力部５４を含むマザーボード６２に取り付けられる代替の構成を示す。ドーターボード６０は、その中に形成された複数のスルーホール８０を含み、該スルーホール８０を介してヘッダピン８２が挿入されて半田付けされ、これにより、制御部５２の１つか又は複数の構成要素が、電力部５４の１つか又は複数の構成要素に電気的に接続される。第１の回路基板６０（ドーターボード）を第２の回路基板（マザーボード６２）にはめ込むことによって、第１の回路基板６０を第２の回路基板の表面６３から持ち上げて離すことができる。このようにして、制御関連の構成要素のような電気的な構成要素６９を、示されるように第１の回路基板６０の底面６１に実装することができる。該電気的な構成要素６９は、図１内に示された構成要素のうちの１つか又は複数を、制御部５２を構成するように含むことができる。制御部の構成要素をドーターボード６０の両面上に実装することによって、ドーターボードの表面積を、構成要素が片面のみに実装されたドーターボードの表面積よりも小さくすることができる。

図６Ａ及び図６Ｂは、ドーターボード６０が半田付リード線（solder-on-lead）８３によってマザーボード６２上に実装された更に別の実施形態を示す。リード線８３は、ドーターボード６０の導電性パッドと、マザーボード６２の、対応する導電性パッド６７とに半田付けされる。

上記の説明は、本発明の原理と様々な実施形態とを例示することを意図したものである。上記開示が完全に理解されると、当業者であれば、多数の変形形態及び修正が明らかとなるであろう。添付の特許請求の範囲は、全てのそのような変形形態及び修正を包含するように解釈されることが意図される。

電力変換器の例示的な回路の一実施形態を示す図である。電力変換器回路の様々な部分が分離して実装されることが可能な例示的な手法を示す図である。電力変換器回路の様々な部分が分離して実装されることが可能な例示的な手法を示す図である。電力変換器の制御部の上面図である。電力変換器の電力部上に実装された、図４Ａの電力変換器の断面図である。電力変換器の制御部の代替の上面図である。電力変換器の電力部上に実装された、図５Ａの電力変換器の断面図である。電力変換器の制御部の更に別の代替の上面図である。電力変換器の電力部上に実装された、図６Ａの電力変換器の断面図である。

符号の説明

５０電力変換器
５６制御ロジック
６０第１の回路基板
６２第２の回路基板
７２導電性フィンガ
８２導電性ヘッダピン
８３半田付リード線

Claims

負荷に電力を提供するよう構成された電力変換器（５０）であって、
第１の回路基板（６０）上に実装されるよう構成された制御ロジック（５６）と、
前記制御ロジック（５６）に電気的に結合されるように構成され且つ第２の回路基板（６２）上に実装されるよう構成された、電力構成要素であって、前記電力のうちの少なくともいくらかは、前記電力構成要素（Ｌ１）を通って前記負荷へ流れることからなる、電力構成要素
とを備え、
前記第１の回路基板（６０）は、前記第２の回路基板（６２）に機械的に取り付けられることからなる、電力変換器。
前記制御ロジック（５６）は、パルス幅変調器（「ＰＷＭ」）コントローラと、該ＰＷＭコントローラに結合された複数の受動構成要素（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ４、Ｒ１、Ｒ２）とを備える、請求項１に記載の電力変換器。
前記制御ロジック（５６）に電気的に結合されるよう構成され且つ前記第２の回路基板（６２）上に実装されるよう構成される複数の電力構成要素を、更に備える、請求項１に記載の電力変換器。
前記電力構成要素は、電力トランジスタ、インダクタ（Ｌ１）、及び電力コンデンサから成るグループから選択された構成要素を含む、請求項１に記載の電力変換器。
前記電力構成要素は、前記第１の回路基板（６０）によって少なくとも部分的に覆われるよう構成される、請求項１に記載の電力変換器。
前記第２の回路基板（６２）は、コンピュータシステム内において使用されるためのマザーボードを含み、前記第１の回路基板（６０）は、ドーターボードを含むことからなる、請求項１に記載の電力変換器。
前記第１の回路基板（６０）は、導電性ヘッダピン（８２）によって前記第２の回路基板（６２）に機械的に且つ電気的に取り付けられる、請求項１に記載の電力変換器。
前記第１の回路基板（６０）は、該第１の回路基板（６０）の縁を包み込む導電性フィンガ（７２）によって前記第２の回路基板（６２）に機械的に且つ電気的に取り付けられる、請求項１に記載の電力変換器。
前記第１の回路基板（６０）は、該第１の回路基板（６０）と前記第２の回路基板（６２）との両方の導電性パッドに半田付けされた半田付リード線（８３）によって前記第２の回路基板（６２）に機械的に且つ電気的に取り付けられる、請求項１に記載の電力変換器。