JP2008091355A

JP2008091355A - プレーナ型トランス及びスイッチング電源

Info

Publication number: JP2008091355A
Application number: JP2006266848A
Authority: JP
Inventors: Yasuaki Suzuki; 育明鈴木
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2006-09-29
Filing date: 2006-09-29
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2026-09-29
Also published as: US20080079524A1; JP4222490B2; US7663460B2

Abstract

【課題】１次側コイル基板と２次側コイル基板間に放熱体のスペーサ部を挿入することで１次、２次コイル自体の放熱を効果的に行い、小型化を図る。
【解決手段】１次コイル１１を有する１次側コイル基板１０及び２次コイル２１を有する２次側コイル基板２０と、間隙をおいて対向する１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０の前記間隙に挿入されるスペーサ部３１を一体に有する、少なくとも表面が絶縁性の放熱体３０と、１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０に設けられたＥ型フェライトコア４０とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、１次側コイル基板及び２次側コイル基板と磁気コアとを組み合わせたプレーナ型トランス及びこれを用いたスイッチング電源に係り、とくにその放熱構造に関する。

近年、電子機器の電源回路に使用されるスイッチング電源の小型化、薄型化に伴い、１次、２次コイルを多層基板（積層基板）で構成したプレーナ型トランスが使用されるようになってきている。

そのような多層基板を用いたプレーナ型トランスの放熱構造は、従来、磁気コアに放熱フィン等を固定することで、間接的にコイルの放熱を行うものであった。例えば、下記特許文献１に開示された構造が知られている。

特開平７−２３５５９号公報

しかしながら、スイッチング電源で用いるＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング周波数の高周波化で、プレーナ型トランスにおけるコイルの渦電流損が増大するが、その渦電流損によるコイル自体の発熱には上記磁気コアを放熱する構造では効果が低い問題がある。

１次、２次コイルに発生する熱を外部に放熱する手段としては、従来から、トランスファモールド構造がある。しかし、１次、２次コイルの間隙が広い共振型ＤＣ−ＤＣコンバータに使われるトランスでは、モールドに際して前記間隙を一定に保つ方法等が困難であり、多層基板を一体型とするにも無駄な部分が多く、放熱方法としても不適当である。

本発明は、主に共振型ＤＣ−ＤＣコンバータに使われるプレーナ型トランスでは、漏れインダクタンス、結合係数等の条件を満足させるため、１次コイルを有する１次側コイル基板と２次コイルを有する２次側コイル基板間に所定の間隙が必要となることに着目し、前記間隙に放熱体のスペーサ部を挿入することで１次、２次コイル自体の放熱を効果的に行うことが可能で、ひいては小型化を図り得るプレーナ型トランス及びスイッチング電源を提供することを目的とする。

本発明のその他の目的や新規な特徴は後述の実施の形態において明らかにする。

上記目的を達成するために、本発明のある態様のプレーナ型トランスは、１次コイルを有する１次側コイル基板及び２次コイルを有する２次側コイル基板と、
間隙をおいて対向する前記１次側コイル基板及び２次側コイル基板の前記間隙に挿入されるスペーサ部を一体に有する、少なくとも表面が絶縁性の放熱体と、
前記１次側コイル基板及び前記２次側コイル基板に設けられた磁気コアとを備えたことを特徴としている。

前記プレーナ型トランスにおいて、前記１次側コイル基板及び２次側コイル基板は、表裏面及び中間層にコイル導体パターンを形成した多層基板であり、前記中間層のコイル導体パターンの延長部が外周面に露出し、直接又は良熱伝導性部材を介し前記放熱体に接触していてもよい。

前記プレーナ型トランスにおいて、前記１次側コイル基板及び２次側コイル基板は前記コイル導体パターンの内側位置に貫通孔を有し、前記貫通孔に前記磁気コアの中央脚が挿入されていてもよい。

前記プレーナ型トランスにおいて、前記放熱体の外面には多数の放熱用凸部又は凹部が形成されていてもよい。

本発明の別の態様は、スイッチング電源であって、前記プレーナ型トランスを回路基板に搭載したことを特徴としている。

前記スイッチング電源において、前記回路基板には前記１次側コイル基板及び２次側コイル基板を位置決めする抜き穴が形成され、前記１次側コイル基板及び２次側コイル基板の嵌合用凸部が前記抜き穴に嵌合していてもよい。

前記スイッチング電源において、前記回路基板と前記プレーナ型トランスとをモールド樹脂で一体化してもよい。また、前記モールド樹脂の外面に放熱用凸部又は凹部が形成されていてもよい。

本発明によれば、プレーナ型トランスの１次コイルを有する１次側コイル基板と２次コイルを有する２次側コイル基板との間隙に放熱体のスペーサ部を挿入し、１次コイル及び２次コイルの渦電流損等に起因する発熱を前記スペーサ部から放熱体の外面側へ熱輸送する構造として熱抵抗の低減を図り、効果的な１次コイル及び２次コイルの放熱が可能となる。

これにより、プレーナ型トランスの小型化を図ることができ、ひいては、プレーナ型トランスを回路基板に搭載したスイッチング電源の小型化、薄型化が可能である。

以下、本発明を実施するための最良の形態として、プレーナ型トランス及びスイッチング電源の実施の形態を図面に従って説明する。

図１乃至図６において、プレーナ型トランス１は、１次コイル１１を有する１次側コイル基板１０及び２次コイル２１を有する２次側コイル基板２０と、１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０の間隙に挿入されるスペーサ部３１を一体に有する放熱体３０と、１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０を囲むように設けられた磁気コアとしてのフェライトコア４０とを備えている。

また、スイッチング電源を構成するＤＣ−ＤＣコンバータ５０は、プレーナ型トランス１の１次コイル１１の電流をスイッチングするスイッチング素子や２次コイル２１の誘起電圧を整流する整流回路等を構成する（組み立てた）回路基板６０上にプレーナ型トランス１を搭載したものである。

１次側コイル基板１０は、複数箇所（図示の例では３箇所）の表裏面及び中間層（内層）に周回するコイル導体パターン１２（銅パターン等）をそれぞれ形成した多層基板であり、図５及び図６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）、あるいは図７に示すように、中間層のコイル導体パターン１２の延長部１３が放熱のためにコイル基板外周面（上面）の溝部１８に露出している。図５及び図６に示すように延長部１３は溝部１８の全面に広がっていることが好ましいが、図７に示すように少なくとも溝部１８に部分的に露出していればよい（図７中、図５と同じ部分には同一符号を付した）。表面、中間層、裏面の各コイル導体パターン１２は図示しないスルーホールで接続されて１回（又は複数回）周回するコイル部１４となり、さらに複数箇所のコイル部１４は直列接続されて１次コイル１１を構成している。但し、図６では、表裏面及び中間層は延長部１３によって互いに接続されていて１ターンのコイル部１４を構成している場合を図示しており、溝部１８内は良熱伝導性部材としての良熱伝導性樹脂１９で埋められて、平坦面となっている。

同様に、２次側コイル基板２０は、複数箇所（図示の例では３箇所）の表裏面及び中間層に周回するコイル導体パターン２２（銅パターン等）をそれぞれ形成した多層基板であり、図５のように中間層のコイル導体パターン２２の延長部２３が放熱のためにコイル基板外周面（上面）の溝部２８に露出している。延長部２３は溝部２８の全面に広がっていることが好ましいが、図７に示すように少なくとも溝部２８に部分的に露出していればよい。表面、中間層、裏面の各コイル導体パターン２２は図示しないスルーホールで接続されて１回（又は複数回）周回するコイル部２４となり、さらに複数箇所のコイル部２４は直列接続されて１次コイル２１を構成している（図６に示した１次コイル１１と同様の構造である）。溝部２８内は良熱伝導性部材としての良熱伝導性樹脂２９で埋められて、平坦面となっている。

なお、１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０は３箇所のコイル部１４，２４におけるコイル導体パターン１２，２２の内側位置に貫通孔１５、２５をそれぞれ有している。また、各コイル基板１０，２０の底面には嵌合用凸部１６，２６がそれぞれ形成されている。

放熱体３０は、間隙をおいて対向する１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０に密着するように前記間隙に挿入されるスペーサ部３１と、スペーサ部３１と一体の板状本体部３５とを有している。板状本体部３５の下面に対してスペーサ部３１は垂直に垂下する配置である。図４（本体部を省略して図示）のように、スペーサ部３１は１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０のコイル部１４，２４の配置箇所（３箇所）に対応して３箇所に形成され、各スペーサ部３１にもコイル基板側の貫通孔１５、２５に対応した（合致した）貫通孔３２が形成されている。本体部３５の外側面である上面には、空気との接触面積を増やして放熱効率を高めるために、放熱用凸部としての柱状凸部３６が多数形成されている。ここでは、放熱用凸部として柱状凸部を示したが、放熱用凹部を形成してもよく、その形状は任意である。放熱体３０の材質としては熱伝導性が良好な絶縁材が好ましく、例えば、熱伝導性の良いセラミックや樹脂、熱伝導性を良好にするためのフィラーを混入した樹脂等が使用できる。また、表面を絶縁コートした金属材も使用可能である。

磁気コアとしてのフェライトコア４０は中央脚４１とその両側の側脚４２とを有するＥ型コアであり、一対のフェライトコア４０で１次側コイル基板１０と２次側コイル基板２０の１箇所のコイル部１４，２４を囲むように設けられる。すなわち、３箇所のコイル部１４，２４に対して三対のフェライトコア４０が用いられる。対をなすフェライトコアの中央脚４１はコイル基板側の貫通孔１５，２５及びスペーサ部３１の貫通孔３２に挿入配置され、両方の側脚４２は突き合わされた状態で接着固定される。なお、側脚４２を貫通させるために各コイル基板１０，２０には貫通孔１７，２７が形成されている。

回路基板６０には１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０を位置決めする抜き穴６１，６２が形成され、１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０の嵌合用凸部１６，２６が抜き穴６１，６２に嵌合するようになっている。

次に、組立手順に従ってプレーナ型トランス１及びこれを回路基板６０上に搭載したＤＣ−ＤＣコンバータ５０の全体構成を説明する。

まず、回路基板６０の抜き穴６１，６２に１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０の嵌合用凸部１６，２６を嵌合し、必要に応じて各コイル基板１０，２０を回路基板６０に接着固定し、図３の状態とし、この状態において、回路基板６０に搭載されている各部品６５やコイル基板１０，２０のはんだ付け等による電気接続を完了しておく。

次に、図４に示した放熱体３０のスペーサ部３１を１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０の間隙に挿入し、１次側コイル基板１０と２次側コイル基板２０の対向面にスペーサ部３１を密着させる。また、図５、図６に示すように、各コイル部１４，２４の中間層を含めたコイル導体パターン１２，２２の延長部１３，２３がコイル基板外周面（上面）の溝部１８，２８に露出し、さらに溝部１８，２８が良熱伝導性樹脂１９，２９で埋められて平坦面となっているが、それらの良熱伝導性樹脂１９，２９の平坦面には放熱体３０の本体部３５が接触して、中間層のコイル導体パターンの発熱の熱輸送を可能にしている。

その後、１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０の３箇所のコイル部１４，２４に対して三対のフェライトコア４０を装着する。つまり、対をなすフェライトコア４０の中央脚４１をコイル基板側の貫通孔１５，２５及びスペーサ部３１の貫通孔３２に挿入し、両方の側脚４２を突き合わせて接着固定する。

回路基板６０上に１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０、放熱体３０及びフェライトコア４０が組み付けられた後、図２のように、回路基板６０上面と放熱体３０の本体部３５下面間の空間にモールド樹脂７０をモールド成形する。モールド樹脂７０は熱伝導性の良好な樹脂や、熱伝導性を良好にするためのフィラーを混入した樹脂等であり、外面には放熱用凸部又は凹部としての多数の放熱フィン７１が形成されている。なお、１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０間にスペーサ部３１が挿入されているため、両基板１０，２０間の間隙はスペーサ部３１で規定され、モールド樹脂７０によるモールド成形の際に、前記間隙が大きく変動してしまう不都合は生じない。

この実施の形態によれば、次の通りの効果を得ることができる。

(1) スイッチング電源を構成するＤＣ−ＤＣコンバータ５０のスイッチング周波数の高周波化で、１次コイル１１及び２次コイル１２の渦電流損に起因する発熱が問題となる。本実施の形態では、１次コイル１１及び２次コイル１２を個別のコイル基板（１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０）とし、漏れインダクタンス、結合係数等の条件を満足させるため、１次側コイル基板１０と２次側コイル基板２０間に所定の間隙が必要となることに着目し、前記間隙に放熱体３０の一部をなすスペーサ部３１を挿入している。そして、スペーサ部３１が１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０に密着してそれらの間に介在しているため、１次コイル１１及び２次コイル１２自体を直接的に放熱することが可能である。すなわち、１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０の発熱は、放熱体３０のスペーサ部３１から本体部３５に熱輸送され、多数の柱状凸部３６が形成された本体部３５の外面から放散される。

(2) １次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０の中間層のコイル導体パターン１２，２２はそれぞれ１次側コイル基板１０及び２次側コイル基板２０の外周面（上面）に露出した延長部１３，２３を有しており、それらの延長部１３，２３に良熱伝導性樹脂１９，２９を介して放熱体３０の本体部３５が接触しているので、中間層のコイル導体パターン１２，２２の発熱も効果的に放熱可能である。

(3) スイッチング電源を構成するＤＣ−ＤＣコンバータ５０の完成状態においては、回路基板６０上面と放熱体３０の本体部３５下面間の空間にモールド樹脂７０がモールド成形され、かつその表面に多数の放熱フィン７１が形成されているため、フェライトコア４０や回路基板６０上の搭載部品６５の放熱を図ることができる。

(4) 従って、スイッチング電源全体の高放熱特性を実現し、スイッチング電源の小型化を達成可能である。

なお、上記実施の形態において、各コイル基板１０，２０が有する中間層を含めたコイル導体パターン１２，２２の延長部１３，２３に直接放熱体３０の本体部３５が接触して放熱を図る構造としてもよい。

以上本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明はこれに限定されることなく請求項の記載の範囲内において各種の変形、変更が可能なことは当業者には自明であろう。

本発明に係るプレーナ型トランス及びスイッチング電源の実施の形態を示す分解斜視図である。同斜視図である。実施の形態において、スイッチング電源の回路基板上にプレーナ型トランスの１次側コイル基板及び２次側コイル基板を取り付けた状態の斜視図である。実施の形態において、プレーナ型トランスの放熱体の一部であるスペーサ部と、１次側コイル基板及び２次側コイル基板と、フェライトコアと、スイッチング電源の回路基板を示す分解斜視図である。実施の形態において、１次側コイル基板及び２次側コイル基板の中間層のコイル導体パターンの放熱構造を示す断面図である。実施の形態におけるコイル基板の構成であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）はＡ−Ａ断面図である。１次側コイル基板及び２次側コイル基板の中間層のコイル導体パターンの放熱構造の他の例を示す断面図である。

符号の説明

１プレーナ型トランス
１０１次側コイル基板
１１１次コイル
１２，２２コイル導体パターン
１３，２３延長部
１４，２４コイル部
１５，１７，２５，２７，３２貫通孔
１６，２６嵌合用凸部
１８，２８溝
１９，２９良熱伝導性樹脂
２０２次側コイル基板
２１２次コイル
３０放熱体
３１スペーサ部
３５本体部
４０フェライトコア
４１中央脚
４２側脚
５０ＤＣ−ＤＣコンバータ
６０回路基板
６５部品
７０モールド樹脂
７１放熱フィン

Claims

１次コイルを有する１次側コイル基板及び２次コイルを有する２次側コイル基板と、
間隙をおいて対向する前記１次側コイル基板及び２次側コイル基板の前記間隙に挿入されるスペーサ部を一体に有する、少なくとも表面が絶縁性の放熱体と、
前記１次側コイル基板及び前記２次側コイル基板に設けられた磁気コアとを備えたことを特徴とするプレーナ型トランス。
前記１次側コイル基板及び２次側コイル基板は、表裏面及び中間層にコイル導体パターンを形成した多層基板であり、前記中間層のコイル導体パターンの延長部が外周面に露出し、直接又は良熱伝導性部材を介し前記放熱体に接触している請求項１記載のプレーナ型トランス。
前記１次側コイル基板及び２次側コイル基板は前記コイル導体パターンの内側位置に貫通孔を有し、前記貫通孔に前記磁気コアの中央脚が挿入されている請求項１又は２記載のプレーナ型トランス。
前記放熱体の外面には多数の放熱用凸部又は凹部が形成されている請求項１，２又は３記載のプレーナ型トランス。
請求項１，２，３又は４のプレーナ型トランスを回路基板に搭載したことを特徴とするスイッチング電源。
前記回路基板には前記１次側コイル基板及び２次側コイル基板を位置決めする抜き穴が形成され、前記１次側コイル基板及び２次側コイル基板の嵌合用凸部が前記抜き穴に嵌合している請求項５記載のスイッチング電源。
前記回路基板と前記プレーナ型トランスとをモールド樹脂で一体化した請求項５又は６記載のスイッチング電源。
前記モールド樹脂の外面に放熱用凸部又は凹部が形成されている請求項５，６又は７記載のスイッチング電源。