JP2009260088A - Pulse transformer - Google Patents

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Hirokazu Toya
弘和 遠矢
Norihisa Tooya
紀尚 遠矢
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Cast Kk I
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pulse transformer which has superior conversion efficiency, signal quality (signal integrity), and electromagnetic compatibility (EMC) although it is very easy to design. <P>SOLUTION: A loss pulse transformer includes a spool 15, a magnetic core 16, a winding 17, terminals 19 to 26 and 32 to 37, and a printed wiring board 38. The terminals 19 and 32 are connected to a ground plane 90 of the printed wiring board 38. A terminal 20 is connected to one end of a strip conductor 89. The terminal 33 is connected to the other end of the strip conductor 89 on the printed wiring board 38. The the printed wiring board 38 is constituted by sticking two one-side copper clad plates with a semiconductor prepreg. The strip conductor 89, the ground plane 90, insulator layers 86 and a microstrip line formed with an a semiconductor layer 87 constitute a loss line. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、パルストランスに関し、特に、高速スイッチング素子を使用する高速ディジタルデータ通信機器や高周波DC−DCコンバータに使用し、変換効率が高く、小型軽量化が可能で、信号品位(シグナルインテグリティ)や電磁環境適合性(EMC)に優れた損失パルストランスに関する。 The present invention relates to a pulse transformer, and in particular, is used for high-speed digital data communication equipment and high-frequency DC-DC converters that use high-speed switching elements, and has high conversion efficiency, can be reduced in size and weight, and can improve signal quality (signal integrity) and The present invention relates to a lossy pulse transformer excellent in electromagnetic environment compatibility (EMC).

近年、情報技術装置やマルチメディア機器のさらなる高性能化、高機能化のために、トランジスタの高速化が進んでいる。情報技術装置やマルチメディア機器にはまた、省エネルギ化や小型軽量化の要求も強い。 In recent years, transistors have been increased in speed in order to achieve higher performance and higher functionality of information technology devices and multimedia devices. Information technology devices and multimedia devices are also strongly demanded to save energy and reduce size and weight.

しかし、高速トランジスタを使用して高い繰り返し周波数でパルストランスを駆動すると、電磁ノイズや発熱を増加させるという問題があり、従来のパルストランス設計技術では、省エネルギ化や小型軽量化の要求に応えることが難しかった。 However, driving a pulse transformer at a high repetition rate using high-speed transistors has the problem of increasing electromagnetic noise and heat generation. Conventional pulse transformer design technology meets the demands for energy saving and miniaturization and weight reduction. It was difficult.

回路設計技術の理論を支配するのは物理学であり、より直接的には電磁気学である。電磁気学によると、回路の状態には活性状態(exited states)、定常状態(stationary states)および、実用上は定常状態と見なせる準定常状態(quasi
stationary states)が存在する。活性状態とは、回路上の電界と磁界が変化または振動している状態であり交流回路はその一例である。振動する電界と磁界は電磁波となって絶縁体中を進行する。該絶縁体が真空空間の場合は、電磁波は光速で進行する。
It is physics that dominates the theory of circuit design technology, and more directly, electromagnetism. According to electromagnetism, circuit states can be considered as active states (exited states), steady states (stationary states), and quasi-steady states (quasi-stationary states that can be regarded as steady states in practice)
There are stationary states. The active state is a state in which the electric field and magnetic field on the circuit are changing or oscillating, and an AC circuit is one example. The oscillating electric and magnetic fields travel as electromagnetic waves in the insulator. When the insulator is a vacuum space, the electromagnetic wave travels at the speed of light.

定常状態とは、回路上の電界と磁界が静止している状態であり直流回路はその一例である。準定常状態とは、電界と磁界が電磁波となって回路上を進行するが、電磁波の波長が回路長に対して非常に長く回路内での電磁波の挙動が強弱振動だけと見なしても実用上不都合が生じない状態である。低周波アナログ回路や、およそ1[ns]以上の立ち上がり時間を有するスイッチング素子を10[cm]以上の配線を有する回路で使用する場合は、準定常状態と見なすことが出来る一例である。 The steady state is a state where the electric field and magnetic field on the circuit are stationary, and a DC circuit is an example. The quasi-steady state means that an electric field and a magnetic field travel on the circuit as an electromagnetic wave, but the wavelength of the electromagnetic wave is very long compared to the circuit length, and even if the behavior of the electromagnetic wave in the circuit is regarded as only strong and weak vibration, it is practical. This is a state where no inconvenience occurs. When a low-frequency analog circuit or a switching element having a rise time of about 1 [ns] or more is used in a circuit having a wiring of 10 [cm] or more, this is an example that can be regarded as a quasi-stationary state.

電磁気学によると、活性状態にある回路の電流はアンペールの法則として定義され次式で示される。 According to electromagnetics, the current in a circuit in an active state is defined as Ampere's law and is given by

電磁気学によると、電位Vは、電界の及ばない無限遠から導線の一点までの電界の積分値と定義されるが実用的にはグランド面から導線の一点までの電界の積分値として、また、電界Eは電位Vの傾きとしてそれぞれ次式から求められる。 According to electromagnetism, the electric potential V is defined as an integral value of an electric field from an infinite point where the electric field does not reach to one point of the conductor, but practically as an integral value of the electric field from the ground plane to one point of the conductor, E is obtained from the following equation as the slope of the potential V.

マックスウエルは、磁界に関する理論と電界に関する理論を融合したマックスウエルの方程式を1873年に発表し、続いてこの式をダランベールの波動方程式の形式に変形し、ベクトル波動方程式を導出した。マックスウエルは、1862年頃から主張していた、電磁波と光はともに光速で伝搬することをこの式を用いて理論的に証明し、線形電磁波理論(以下電磁波理論)を完成させ、これにより電磁気学が完成した。ヘルツは、1887年に、実験によって電磁波の存在を実証し、マックスウエルの電磁波理論の正しさを証明した。 Maxwell published Maxwell's equation, which merged the theory of magnetic fields and the theory of electric fields, in 1873, and then transformed this equation into the form of D'Alembert's wave equation to derive the vector wave equation. Maxwell, who had been insisting since 1862, theoretically proved that both electromagnetic waves and light propagate at the speed of light using this equation, and completed linear electromagnetic wave theory (hereinafter referred to as electromagnetic wave theory). Was completed. In 1887, Hertz demonstrated the existence of electromagnetic waves by experiment and proved the correctness of Maxwell's electromagnetic wave theory.

電磁気学によると、時間的に変化する電界と磁界は相互に作用しつつ横波となって空間または誘電体中を伝搬する。真空中を伝搬する電磁波の速度は光速である。伝搬する電磁波はポインチングベクトル理論に従って電力を伝搬する。空間を伝搬する電磁波は、周期および極性が一致し振幅ベクトルが進行方向に対して直交する電界波と磁界波とから構成される。この状態の電磁波はTEM(transverse electromagnetic)波と呼ばれる。TEM波を構成する電界波の振幅を磁界波の振幅で割った値は波動インピーダンス(surge
impedanceまたはwave impedance)と呼ばれる。
According to electromagnetism, an electric field and a magnetic field that change with time interact with each other and propagate in a space or a dielectric as a transverse wave. The speed of the electromagnetic wave propagating in the vacuum is the speed of light. The propagating electromagnetic wave propagates power according to the pointing vector theory. An electromagnetic wave propagating in space is composed of an electric field wave and a magnetic field wave whose period and polarity coincide and whose amplitude vector is orthogonal to the traveling direction. The electromagnetic wave in this state is called a TEM (transverse electromagnetic) wave. The value obtained by dividing the amplitude of the electric field wave constituting the TEM wave by the amplitude of the magnetic field wave is the wave impedance (surge
impedance or wave impedance).

電磁気学によると、電磁波は空間だけでなく媒体中も進行する。損失のない誘電体中を進行する電磁波の速度は、光速に対して比誘電率の平方根だけ遅くなり、波長は比誘電率の平方根だけ短くなる。後者は、波長圧縮と呼ばれる。 According to electromagnetism, electromagnetic waves travel not only in space but also in media. The speed of the electromagnetic wave traveling through the lossless dielectric is slowed by the square root of the relative permittivity with respect to the speed of light, and the wavelength is shortened by the square root of the relative permittivity. The latter is called wavelength compression.

電磁気学によると、損失のある媒体中を進行する電磁波は、次式で示される減衰定数γに従い、進行に伴って振幅が減少し位相が変化する。γの実数項であるαは減衰定数、γの虚数項であるβは位相定数と呼ばれる。αは、nep/m(ネパー/メートル)の単位で表される。1 [nep/m]は、1メートル進行して振幅がexp-1または0.368倍に減衰することを意味する。 According to electromagnetism, an electromagnetic wave traveling in a lossy medium follows an attenuation constant γ expressed by the following equation, and the amplitude decreases and the phase changes with progress. α which is a real term of γ is called an attenuation constant, and β which is an imaginary term of γ is called a phase constant. α is expressed in units of nep / m (neper / meter). 1 [nep / m] means that the amplitude decreases by exp- 1 or 0.368 times after proceeding 1 meter.

電磁気学によると、式(3)中のγ 2を変形して得られる次式の括弧の項は、損失のある誘電体に関する複素誘電率と定義され、虚数部(σ/εω)を実数部(εr)で割った値を誘電体損失の正接と呼び、tanδで表す。但し、tanδは、電磁気学上、深い意味を持たない。 According to electromagnetics, the term in parentheses in the following equation obtained by transforming γ 2 in equation (3) is defined as the complex permittivity for a lossy dielectric, and the imaginary part (σ / ε 0 ω) is defined as The value divided by the real part (ε r ) is called the dielectric loss tangent and is represented by tan δ. However, tan δ has no deep meaning in electromagnetics.

電磁波が導体中を進行する場合は、導体中では電磁波に作用する電荷は存在せず導電率σは ωεに比べて非常に大きいので、γは次式で表される。次式中における減衰定数α の逆数であるδは、表皮厚さと呼ばれる。 When the electromagnetic wave travels in the conductor, there is no electric charge acting on the electromagnetic wave in the conductor, and the conductivity σ is much larger than ωε, so γ is expressed by the following equation. Δ, which is the reciprocal of the attenuation constant α in the following equation, is called the skin thickness.

電磁気学によると、導体中を進行する電磁波の電界と磁界の比である固有インピーダンスZは、損失のある媒体中の固有インピーダンスにおいて導電率σがωεに比べて非常に大きいとして、次式で与えられる。 According to electromagnetics, the intrinsic impedance Z 0, which is the ratio of the electric field to the magnetic field of the electromagnetic wave traveling in the conductor, is assumed to be very large compared to ωε in the intrinsic impedance in a lossy medium. Given.

回路上の電界と磁界が変化または振動している活性状態または準定常状態においては電磁波理論が回路を支配し、この場合は導体中を電磁波が進むことは困難である。しかし回路上の電界と磁界が静止している定常状態においては導体中を電流が容易に移動することが出来る。 In an active state or quasi-stationary state where the electric and magnetic fields on the circuit are changing or oscillating, the electromagnetic wave theory dominates the circuit, and in this case, it is difficult for the electromagnetic wave to travel through the conductor. However, in a steady state where the electric and magnetic fields on the circuit are stationary, the current can easily move through the conductor.

物理学によると、導体中には無尽蔵に近い自由電子すなわち電荷が存在する。しかし、導体中の総電荷量は物性的に決まり定常的にはその値は一定である。直流電源に静的負荷が接続されている場合は導体中の電荷の移動による電流が流れるが、一般に、電荷の移動軸にはわずかな電界しか印加出来ないので電荷の平均移動速度は極めて遅い。 According to physics, there are almost inexhaustible free electrons or charges in the conductor. However, the total amount of charge in the conductor is determined by physical properties, and the value is constant. When a static load is connected to the direct current power source, a current flows due to the movement of charges in the conductor, but in general, only a small electric field can be applied to the movement axis of charges, so the average movement speed of charges is extremely slow.

例えば、1平方ミリメートルの断面を有する銅線中を導体中の電荷の速度(dq/dt)で定義される10アンペアの電流が進行しているときの電流の進行速度は、物理学に従って計算すると常温で0.368[mm/s]となる。導体中の電荷は、遅いながらも移動は可能であるので、導体の他端で定常的に電荷が消費される際に導体の一端から同量の電荷が定常的に供給されれば、導体の他端に接続される抵抗器等の定常負荷へのエネルギ供給が支障なく行われる。 For example, when a current of 10 amperes defined by a charge velocity (dq / dt) in a conductor is traveling in a copper wire having a cross section of 1 square millimeter, the current progression rate is calculated according to physics It becomes 0.368 [mm / s] at room temperature. Since the charge in the conductor can move although it is slow, if the same amount of charge is constantly supplied from one end of the conductor when the charge is constantly consumed at the other end of the conductor, Energy supply to a steady load such as a resistor connected to the other end is performed without any trouble.

伝送線路上の電気信号の進行を扱うのが電気通信工学である。電気通信工学によると、直流的に絶縁された2本の導体間に電気信号を与えると、電気信号は電流波と電圧波となって伝送線路を進行するとしている。 Telecommunications engineering handles the progression of electrical signals on transmission lines. According to telecommunications engineering, when an electric signal is applied between two DC-insulated conductors, the electric signal becomes a current wave and a voltage wave and travels through the transmission line.

電気通信工学では、交流回路理論と同様に、電流を導体中の電荷の平均速度(dq/dt)すなわち導体電流としている。しかし、電磁気学の基礎を成すマックスウエルの方程式においては、導体電流は、時間の関数ではない電流密度Jに対応させている。 In telecommunications engineering, as in AC circuit theory, the current is the average charge velocity (dq / dt) in the conductor, that is, the conductor current. However, in Maxwell's equations that form the basis of electromagnetism, the conductor current corresponds to a current density J that is not a function of time.

交流回路理論や電気通信工学が電流をdq/dtと定義しているのは以下の理由によると考えられる。交流回路理論を支える重要な法則の一つであるキルヒホッフの法則が発表されたのが1845年でマックスウエルが電磁波の存在を理論的に証明しヘルツによって実験で電磁波の存在が確認される42年前、電気通信工学を支える重要な理論の一つである電信方程式が開発されたのが1874年で同様に電磁波の存在が確認される13年前である。従って、交流回路理論および電気通信工学が実用化された当時は、回路の作用を電磁波の作用とする考え方がそもそも存在していなかった。さらに、その後も理論の修正が行われなかった。 The AC circuit theory and telecommunications engineering define the current as dq / dt for the following reasons. Kirchhoff's law, one of the important laws supporting AC circuit theory, was announced in 1845, and Maxwell theoretically proved the existence of the electromagnetic wave, and the existence of the electromagnetic wave was confirmed by Hertz in an experiment 42 years Previously, the telegraph equation, one of the important theories supporting telecommunications engineering, was developed in 1874, 13 years before the existence of electromagnetic waves was also confirmed. Therefore, at the time when AC circuit theory and telecommunications engineering were put into practical use, there was no idea that the action of the circuit was the action of electromagnetic waves. Furthermore, the theory was not revised after that.

電気通信工学の基礎を成す電信方程式において、導体電流が光速で流れることが出来るとしている根拠となっているのはダランベールの波動方程式である。ダランベールの波動方程式では波動の主体を、スカラー量のラプラシアンとするベクトル関数で表現し、特定していない。従って導体電流が導体間電圧とともに波となること、電気回路を支配する電磁気学と整合させた上で、電圧と電流に関する回路方程式をダランベールの波動方程式に対比させる必要がある。しかし、前述のように電磁気学では導体電流は時間的に変化しないものとしている。 In the telegraph equation that forms the basis of telecommunications engineering, the basis of the fact that the conductor current can flow at the speed of light is the D'Alembert wave equation. In D'Alembert's wave equation, the subject of the wave is expressed by a vector function with a Laplacian of scalar quantity and is not specified. Therefore, it is necessary to compare the circuit equation relating to voltage and current with the Duramber wave equation after matching the conductor current into a wave with the voltage between conductors and the electromagnetics governing the electrical circuit. However, as described above, in electromagnetism, it is assumed that the conductor current does not change with time.

電流の定義が電磁気学に反すると、伝送線路の電圧や、インピーダンス、電磁波との関係、さらには伝送損失に関しても電磁気学と矛盾する考え方が生じる。電気通信工学は歴史が古く現在でも伝送線路設計に実用化されているため、従来通りの連続波を対象とする伝送線路設計には電磁気学との矛盾の顕在化を避ける工夫が見られる。 If the definition of current is contrary to electromagnetism, the concept of contradiction with electromagnetism also arises in relation to the voltage, impedance, electromagnetic wave, and transmission loss of the transmission line. Since telecommunications engineering has a long history and is still in practical use for transmission line design, conventional transmission line design for continuous waves can be devised to avoid the emergence of contradictions with electromagnetism.

スイッチング波またはディジタル波のような間欠波を対象とする伝送線路設計においても電気通信工学に基づくと効率的であるように見える。しかし電気通信工学のディジタル回路への実用化実績が浅いため電磁気学と対比しつつ慎重に設計や解析を行わないと、電磁気学との前記矛盾が顕在化する。 Transmission line design for intermittent waves such as switching waves or digital waves also seems to be efficient based on telecommunications engineering. However, since the practical application of telecommunications engineering to digital circuits is not so strong, the contradiction with electromagnetics becomes obvious unless careful design and analysis are performed in contrast to electromagnetics.

電磁気学によれば伝送線路を構成する2本の導体に挟まれる絶縁体が真空である場合は、TEM波の電磁波は光速で真空中を進行する。つまり、この場合の電流や電圧は、伝送線路の導体ではなくて絶縁体中を進み、それぞれ式(1)および式(2)から求められる値となる。実際の電流や電圧は磁界や電界であるので絶縁体中を波となって準光速で進むことが可能となる。伝送線路上のTEM波を構成する電界波の振幅を磁界波の振幅で割った値が、特性インピーダンスである。 According to electromagnetics, when the insulator sandwiched between the two conductors constituting the transmission line is in a vacuum, the electromagnetic wave of the TEM wave travels in the vacuum at the speed of light. In other words, the current and voltage in this case travel through the insulator, not the conductor of the transmission line, and have values obtained from the equations (1) and (2), respectively. Since an actual current or voltage is a magnetic field or an electric field, it can travel in a quasi-light speed as a wave in the insulator. A value obtained by dividing the amplitude of the electric field wave constituting the TEM wave on the transmission line by the amplitude of the magnetic field wave is the characteristic impedance.

電気通信工学によると、伝送線路上を進行する信号の挙動は、伝送線路の特性インピーダンスと伝搬定数によって決まる。理想的な平板導体が理想的な絶縁体を挟んで平行に対向している平行板線路の特性インピーダンスZは、伝送線路の物理定数によって次式から求められる。平板導体や絶縁体の材料特性は、伝送線路の特性インピーダンスに対して実用上大きな影響を及ぼさない。 According to telecommunications engineering, the behavior of a signal traveling on a transmission line is determined by the characteristic impedance and propagation constant of the transmission line. The characteristic impedance Z 0 of the parallel plate line the ideal flat conductor is parallel to opposite sides of the ideal insulator is determined from the following equation by the physical constants of the transmission line. The material characteristics of the flat conductor and the insulator do not have a large practical effect on the characteristic impedance of the transmission line.

電気通信工学によると、直径aの2本の導線の中心間を距離dだけ離して平行に配置した構造の、レッヘル線路の特性インピーダンスは次式から求めることが出来る。 According to the telecommunications engineering, the characteristic impedance of the Rehel line having a structure in which the centers of two conductors having a diameter a are arranged in parallel with a distance d can be obtained from the following equation.

電気通信工学によると、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスは次式から求めることが出来る。 According to telecommunications engineering, the characteristic impedance of a microstrip line can be obtained from the following equation.

電気通信工学によると、既知の特性インピーダンスZを有する伝送線路を通して未知の特性インピーダンスZを有する伝送線路に電磁波を注入したときの、
前記二つの伝送線路の接続点における反射係数S11は、次式で表される。
According to telecommunications engineering, when electromagnetic waves are injected into a transmission line having an unknown characteristic impedance Z 1 through a transmission line having a known characteristic impedance Z 0 ,
The reflection coefficient S 11 at the connection point of the two transmission lines is expressed by the following equation.

電気通信工学によると、既知の特性インピーダンスZに対する反射係数がS11である損失を有する伝送線路すなわち伝送線路の透過係数S21は、次式で表される。 According to telecommunications engineering, a transmission line having a loss with a reflection coefficient S 11 with respect to a known characteristic impedance Z 0, that is, the transmission coefficient S 21 of the transmission line is expressed by the following equation.

電磁気学によると、実用的な伝送線路の減衰定数は、電磁波が損失のある誘電体内を進行するときの減衰と、電磁波が誘電体内を進行する過程でその一部が導体内に侵入して熱になる導体損と、伝送線路外に漏れ出る放射損との和となると考えることが出来る。 According to electromagnetics, the practical transmission line attenuation constant is determined by the attenuation when the electromagnetic wave travels through a lossy dielectric body, and part of the electromagnetic wave penetrates into the conductor in the course of the electromagnetic wave traveling through the dielectric. It can be considered that this is the sum of the conductor loss and the radiation loss leaking out of the transmission line.

高速ディジタルデータ通信機器の配線設計は電気通信工学に従って行われている。しかし、電気通信工学は正弦波等の連続波を扱う伝送線路設計には適するが、前述のようにディジタル信号のような間欠波を扱う伝送線路設計には、電磁気学との矛盾があり適さない。このため、
電気通信工学に従っても、変換効率が高く、小型軽量化が可能で、信号品位(シグナルインテグリティ)や電磁環境適合性(EMC)に優れたパルストランスを設計することは難しい。
Wiring design of high-speed digital data communication equipment is performed according to telecommunication engineering. However, telecommunications engineering is suitable for transmission line design that handles continuous waves such as sine waves, but as mentioned above, transmission line design that handles intermittent waves such as digital signals is not suitable because of inconsistencies with electromagnetics. . For this reason,
Even in accordance with telecommunications engineering, it is difficult to design a pulse transformer that has high conversion efficiency, can be reduced in size and weight, and has excellent signal quality (electromagnetic integrity) and electromagnetic compatibility (EMC).

高速ディジタルデータ通信機器や高周波DC−DCコンバータにおける直流電源は、回路に電荷を供給すると考えられている。 A direct-current power source in high-speed digital data communication equipment and a high-frequency DC-DC converter is considered to supply electric charge to a circuit.

電磁気学によると、マックスウエルは、単位(試験)点電荷に働く力の原因は、単位点電荷の存在する場所における電界にあるとし、クーロンの法則を修正した。この事実はあまり知られていない。 According to electromagnetism, Maxwell modified Coulomb's law, assuming that the force acting on the unit (test) point charge is due to the electric field where the unit point charge exists. This fact is not well known.

修正された電磁気学によると、電界に関する静電(electrostatic)エネルギwは、次式で表される。 According to the modified electromagnetism, the electrostatic energy w E related to the electric field is expressed as:

このように、静電エネルギwは電荷が持っているのではなくて電界Eと電束密度Dの積または電界Eとして媒質に蓄積していることになる。 Thus, the electrostatic energy w E is not held by electric charges but is accumulated in the medium as the product of the electric field E and the electric flux density D or the electric field E.

なお、電圧Vが印加された容量Cのコンデンサに蓄積されている静電エネルギwは、式(13)から、電極距離をd、電極面積をSとすると、次式で表される。 The electrostatic energy w C stored in the capacitor having the capacitance C to which the voltage V is applied is expressed by the following equation, where d is the electrode distance and S is the electrode area from the equation (13).

電磁気学によると磁界に関する静磁気(magnetostatic)エネルギwは磁界と磁束密度の積として媒質に蓄積しているとされ、次式で表される。 According to electromagnetism, the magnetostatic energy w H relating to the magnetic field is assumed to be accumulated in the medium as the product of the magnetic field and the magnetic flux density, and is expressed by the following equation.

電流Iが印加された誘導Lのリアクトルに蓄積されている静磁気エネルギwは、リアクトルの磁路長をl 、磁路の断面積をSとすると、次式で表される。 The magnetostatic energy w L accumulated in the reactor of the induction L to which the current I is applied is expressed by the following equation, where l is the magnetic path length of the reactor and S is the cross-sectional area of the magnetic path.

非特許文献1および非特許文献2に示される孤立電磁波コンセプトによると、スイッチング素子は、スイッチングの瞬間に、非線形波動またはソリトンの一種である孤立電磁波を励起する。スイッチング電源装置を構成する電力変換回路や制御回路内のスイッチング素子も、同様のメカニズムで、スイッチングの瞬間に非線形波動またはソリトンの一種である孤立電磁波を励起する。 According to the isolated electromagnetic wave concept shown in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, the switching element excites an isolated electromagnetic wave, which is a kind of nonlinear wave or soliton, at the moment of switching. The power conversion circuit and the switching element in the control circuit constituting the switching power supply device also excite a solitary electromagnetic wave, which is a kind of nonlinear wave or soliton, at the moment of switching by the same mechanism.

スイッチング素子のスイッチング動作時の孤立電磁波の励起メカニズムは、1834年にJohn Scott Russell がソリトンを発見する際に行った種々の実験の内の水を貯めた水門(ゲート)を急に開くことによって生じたソリトンの発生メカニズムや、ソリトンの一種であると確認されている津波の生成過程に極めて類似している。 The excitation mechanism of isolated electromagnetic waves during the switching operation of the switching element is caused by suddenly opening a gate for storing water in various experiments conducted by John Scott Russell in 1834 when he discovered solitons. It is very similar to the generation mechanism of solitons and the tsunami generation process that has been confirmed to be a kind of solitons.

非特許文献1および非特許文献2に示される孤立電磁波コンセプトによると、スイッチング素子がオフからオンにスイッチングする瞬間に、スイッチング素子が電源線路と信号線路を接続した点の電位が前記直流電源の電圧を電源線路と信号線路の特性インピーダンス分割した値になる。従って、電源線路には電圧を分割電圧まで下げる極性の孤立電磁波が、信号線路には電圧を分割電圧まで上げる極性の孤立電磁波がそれぞれ同時に励起され、電磁波理論に従い、互いにその振幅ベクトルが直交する孤立電界波と孤立磁界波を伴って伝送線路上を進行する。 According to the isolated electromagnetic wave concept shown in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, at the moment when the switching element switches from OFF to ON, the potential at the point where the switching element connects the power line and the signal line is the voltage of the DC power supply. Is a value obtained by dividing the characteristic impedance of the power line and the signal line. Therefore, isolated electromagnetic waves with a polarity that lowers the voltage to the divided voltage are excited on the power line, and isolated electromagnetic waves with a polarity that raises the voltage to the divided voltage are excited simultaneously on the signal line, and the isolated amplitude vectors are orthogonal to each other according to the electromagnetic wave theory. It travels on the transmission line with electric field waves and solitary magnetic field waves.

図1は、孤立電磁波の挙動を説明するためのプッシュプル回路1に関する等価回路の一例である。図1において、特性インピーダンスZ0の伝送線路の途中にプッシュプル回路1が接続されており、特性インピーダンスZ0の伝送線路5は直流電源4とプッシュプル回路1との間に接続されて電源線路を構成し、特性インピーダンスZ0の伝送線路6はプッシュプル回路1と整合終端抵抗7との間に接続されて信号線路を構成している。プッシュプル回路1は、PチャネルMOS
FET2とNチャネルMOS FET3によるコンプリメンタリー構成である。
FIG. 1 is an example of an equivalent circuit related to a push-pull circuit 1 for explaining the behavior of an isolated electromagnetic wave. In Figure 1, a push-pull circuit 1 is connected to the middle of the transmission line of the characteristic impedance Z 0, the transmission line 5 of the characteristic impedance Z 0 is connected between the DC power source 4 and the push-pull circuit 1 supply line The transmission line 6 having the characteristic impedance Z 0 is connected between the push-pull circuit 1 and the matching termination resistor 7 to form a signal line. Push-pull circuit 1 is a P-channel MOS
Complementary configuration with FET 2 and N-channel MOS FET 3.

図1において、プッシュプル回路1のオン状態とは、PチャネルMOS FET2がオンでNチャネルMOS FET3がオフの状態であり、プッシュプル回路1のオフ状態はその逆である。伝送線路を進行するTEM波に関する磁界と電流の関係および電界と電位の関係は、電磁気学においてそれぞれアンペアの法則および電位の定義として示される。 In FIG. 1, the on state of the push-pull circuit 1 is a state where the P-channel MOS FET 2 is on and the N-channel MOS FET 3 is off, and the push-pull circuit 1 is off. The relationship between the magnetic field and the current and the relationship between the electric field and the potential with respect to the TEM wave traveling through the transmission line are shown as the amperage law and the definition of the potential in electromagnetics, respectively.

図2に、プッシュプル回路1がオン時の伝送線路6上の電位波形9と、電磁気学に示される電位の定義から逆算して求められる伝送線路6上を進む電界波形8とを示す。図3は、プッシュプル回路1がオン時の伝送線路5上の電位波形11と、電磁気学に示される電位の定義から逆算して求められる電源側の伝送線路5上を進む電界波形10とを示す。 FIG. 2 shows a potential waveform 9 on the transmission line 6 when the push-pull circuit 1 is turned on, and an electric field waveform 8 that travels on the transmission line 6 obtained by back calculation from the definition of the potential shown in electromagnetics. FIG. 3 shows a potential waveform 11 on the transmission line 5 when the push-pull circuit 1 is on, and an electric field waveform 10 that travels on the transmission line 5 on the power source side obtained by back calculation from the definition of the potential shown in electromagnetics. Show.

図2および図3に示すように、プッシュプル回路1のスイッチングによって生じる電界の波形は、スイッチング素子の立ち上がり波形の最大傾斜部の接線を立ち上がり波形と見なして求める立ち上がり時間と円周率との積の逆数として求められる周波数で定義される実効周波数(significant frequency)を有する正弦波の半波形に近似している。実効周波数の考え方を引用すると、前記近似の確かさ(accuracy)は、92%以上と見込まれる。従って、設計だけに限ると実用上実効周波数で行うことが出来る。 As shown in FIGS. 2 and 3, the waveform of the electric field generated by the switching of the push-pull circuit 1 is the product of the rise time and the circumference obtained by regarding the tangent of the maximum slope of the rising waveform of the switching element as the rising waveform. It approximates to a half waveform of a sine wave having an effective frequency defined by the frequency obtained as the reciprocal of. To quote the concept of effective frequency, the accuracy of the approximation is expected to be 92% or more. Therefore, practically, it can be performed at an effective frequency as far as design is concerned.

図1から図3において、プッシュプル回路1がオンすると、図1中のB点とC点の電位は等しくE/2[V]となる。プッシュプル回路1によって励起された、お互い逆極性を有する伝送線路6上を進む孤立電界波8と伝送線路5上を進む孤立電界波10は、それぞれプッシュプル回路1に対して反対方向に進む。伝送線路6上を進む孤立電界波8は、伝送線路6の電位を0[V]からE/2[V]に上昇させつつ進み、整合終端抵抗7に向かう。一方、伝送線路5上を進む孤立電界波10は、伝送線路5の電位をE[V]からE/2[V]に降下させつつ直流電源4に向かって、それぞれ伝送線路を構成する絶縁体中を準光速で進行する。 1 to 3, when the push-pull circuit 1 is turned on, the potentials at points B and C in FIG. 1 are equal to E / 2 [V]. The isolated electric field wave 8 traveling on the transmission line 6 having the opposite polarity and the isolated electric field wave 10 traveling on the transmission line 5 excited by the push-pull circuit 1 travel in opposite directions with respect to the push-pull circuit 1. The isolated electric field wave 8 traveling on the transmission line 6 travels while increasing the potential of the transmission line 6 from 0 [V] to E / 2 [V], and travels toward the matching termination resistor 7. On the other hand, the isolated electric field wave 10 traveling on the transmission line 5 is an insulator that constitutes the transmission line toward the DC power source 4 while lowering the potential of the transmission line 5 from E [V] to E / 2 [V]. Proceeds with quasi-light speed.

非特許文献1および非特許文献2によると、伝送線路上を進行する孤立電磁波の波長は次式で定義される。 According to Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2, the wavelength of an isolated electromagnetic wave traveling on the transmission line is defined by the following equation.

従来の印刷配線基板については、下記の特許文献や非特許文献に記載されている。その要点は後述される。
特開平6−224052 特開平7−161533 特開平7−45451 特開2004−253500(P2004−253500A) 特開2005−19766(P2005−19766A) 特願2006−332245(P2006−332245A) 特開2007−67177(P2007−67177A) Hirokazu Tohya andNoritaka Toya著 「A Novel DesignMethodology of the On - Chip Power Distribution Network Enhancing thePerformance and Suppressing EMI of the SoC」、IEEE InternationalSymposium on Circuits and Systems 2007、 pp. 889-892、 May 2007. 遠矢弘和、遠矢紀尚 著 「SoCの性能とEMCを大きく改善するオンチップ電源分配回路の新しい設計法」、電子情報通信学会 信学技報、Vol.107、No. 149、 EE2007-20、pp.73-78、2007年7月.
Conventional printed wiring boards are described in the following patent documents and non-patent documents. The point will be described later.
JP-A-6-224052 JP 7-161533 A JP 7-45451 JP-A-2004-253500 (P2004-253500A) JP2005-19766 (P2005-19766A) Japanese Patent Application No. 2006-332245 (P2006-332245A) JP2007-67177A (P2007-67177A) Hirokazu Tohya and Noritaka Toya "A Novel Design Methodology of the On-Chip Power Distribution Network Enhancing the Performance and Suppressing EMI of the SoC", IEEE International Symposium on Circuits and Systems 2007, pp. 889-892, May 2007. Hirokazu Toya, Norio Naoya Toya "New design method of on-chip power distribution circuit that greatly improves SoC performance and EMC", IEICE Technical Report, Vol.107, No.149, EE2007-20, pp .73-78, July 2007.

解決しようとする問題点の第1は、特許文献1に関する。特許文献1は、変成器巻線において、巻線間の結合度を改良するために、多数の、横断面が小さい、相互に絶縁されている個別線材(例えば銅ラッカ線材)から成るコイル形状に巻回されたフレキシブルなリッツ線を備え、個別線材は個々にまたは複数個平行にまとめられて相互に緻密に撚られており、かつ1次巻線および2次巻線はそれぞれ、任意に選択可能な数の個別線材から成る束によって形成される技術を開示している。 The first problem to be solved relates to Patent Document 1. In Patent Document 1, in order to improve the degree of coupling between windings in a transformer winding, the coil shape is made up of a large number of individual wires (for example, copper lacquer wires) that have a small cross section and are insulated from each other. With flexible litz wire wound, individual wires are grouped individually or in parallel and closely twisted together, and primary and secondary windings can be selected arbitrarily Disclosed is a technique formed by a bundle of a number of individual wires.

電磁気学によると、変成器は、1次巻線に印加される定常エネルギによって静磁気エネルギが蓄積され、2次巻線から静磁気エネルギを放出する。静磁気エネルギの蓄積と放出の効率が高い変成器が、一般に高い性能を有すると考えられる。一方、変成器の1次巻線に印加される電磁波が2次巻線に漏洩すると、該変成器を搭載する機器の電磁環境適合性(EMC)や信号品位(シグナルインテグリティ)が低下する。 According to electromagnetism, the transformer stores the magnetostatic energy by the steady energy applied to the primary winding and releases the magnetostatic energy from the secondary winding. Transformers with high magnetostatic energy storage and release efficiency are generally considered to have high performance. On the other hand, when the electromagnetic wave applied to the primary winding of the transformer leaks to the secondary winding, the electromagnetic environment compatibility (EMC) and the signal quality (signal integrity) of the device on which the transformer is mounted are reduced.

特許文献1において、1次巻線および2次巻線を複数個平行にまとめられて相互に緻密に撚られるとしているので、1次巻線と2次巻線の間は、静磁気エネルギの結合度だけでなく巻線間の静電容量による変位電流または電束電流による電磁波の結合度が非常に高いと考えられる。従って、開示された技術によって、変成器を使用するスイッチング機器の信号品位(シグナルインテグリティ)や電磁適合性(EMC)を共に大幅に高めることは不可能であった。 In Patent Document 1, since a plurality of primary windings and secondary windings are gathered in parallel and closely twisted with each other, a coupling of magnetostatic energy is provided between the primary winding and the secondary winding. It is considered that the degree of coupling of electromagnetic waves due to not only the degree but also the displacement current or the electric flux current due to the capacitance between the windings is very high. Therefore, it has been impossible to significantly improve both the signal quality (signal integrity) and electromagnetic compatibility (EMC) of switching equipment using a transformer by the disclosed technology.

解決しようとする問題点の第2は、特許文献2に関する。特許文献2は、パルス符号通信や変復調を用いたデータ通信に使用されるパルストランスを、伝送路側と送受信器側との絶縁を確保し、コモンモードノイズを除去し、1次巻線と2次巻線との間の電磁結合を高くするために、1次巻線と2次巻線との間にシールド板を設けるか、1次巻線とシールド機能を持つ巻線と2次巻線とを交互に巻く従来の方法ではなく、1次導体巻線と、2次導体巻線2との間に、線径がほぼ同じ棒状のシールド巻線6を介在させて接着剤によって一体成形してこれを複合部材とし、トロイダルコアに、前記複合部材が一定ピッチでスパイラル状に、かつ、隣り合う1次導体巻線1と、2次導体巻線2との間隔を等しく巻く技術を開示している。 A second problem to be solved relates to Patent Document 2. Patent Document 2 discloses a pulse transformer used for data communication using pulse code communication and modulation / demodulation, ensuring insulation between the transmission path side and the transmitter / receiver side, removing common mode noise, and primary winding and secondary winding. In order to increase the electromagnetic coupling between the windings, a shield plate is provided between the primary winding and the secondary winding, or the primary winding, the winding having a shielding function, and the secondary winding Is not integrally formed with an adhesive by interposing a rod-shaped shield winding 6 having substantially the same wire diameter between the primary conductor winding 2 and the secondary conductor winding 2 instead of the conventional method of winding the wire alternately. Disclosed is a technology in which this is a composite member, and the composite member is spirally formed at a constant pitch on the toroidal core, and the interval between the adjacent primary conductor winding 1 and secondary conductor winding 2 is evenly wound. Yes.

特許文献2で使用する配線材である複合部材はリボン状であるので、トロイダルコアのサイズが大きくなる。トロイダルコアのサイズを小さくするためには複合部材を多層に亘って巻く必要があるが、多層巻きにすると複合部材中のシールド巻線の効果が損なわれる。従って、開示された技術によって、ディジタル機器の信号品位(シグナルインテグリティ)や電磁環境適合性(EMC)を共に大幅に高めるとともに小型軽量化を実現することは不可能であった。 Since the composite member which is a wiring material used in Patent Document 2 has a ribbon shape, the size of the toroidal core increases. In order to reduce the size of the toroidal core, it is necessary to wind the composite member over multiple layers. However, when the multi-layer winding is used, the effect of the shield winding in the composite member is impaired. Therefore, it has been impossible to significantly reduce the signal quality (signal integrity) and electromagnetic environment compatibility (EMC) of digital devices and to reduce the size and weight with the disclosed technology.

解決しようとする問題点の第3は、特許文献3に関する。特許文献3は、自動組立が容易であって安価な静電シ−ルド機能を備えたスイッチングトランスによってスイッチング電源回路の雑音を除去するために、電源1次側と磁性体コア及び2次側巻線と磁性体コアの間にそれぞれ1次側及び2次側の安定電位端子に接続される銅箔を使用する従来のシ−ルドに対して、活電部を構成する1次巻線の主構成部と非活電部を構成する2次巻線の主構成部との間に、それぞれ活電部および非活電部に接続される独立した1層の巻線による静電シ−ルド層を備える、スイッチングトランスの技術を開示している。 A third problem to be solved relates to Patent Document 3. Patent Document 3 discloses a power supply primary side, a magnetic core, and a secondary side winding in order to remove noise of a switching power supply circuit by a switching transformer having an electrostatic shield function that is easy to assemble automatically and inexpensive. Compared to the conventional shield using copper foils connected to the primary and secondary stable potential terminals between the wire and the magnetic core, respectively, the main winding of the primary winding constituting the live part An electrostatic shield layer formed by independent one-layer windings connected to the active part and the non-active part between the constituent part and the main constituent part of the secondary winding constituting the non-active part The technique of the switching transformer provided with this is disclosed.

上記従来の技術では銅箔に励起される電圧は小さいので銅箔は静電シールドとして機能するが、特許文献3で開示されている静電シールド巻線には、1次巻線または2次巻線の電圧と同等の大きな電圧が励起される。1次巻線と1次側の静電シールド巻線、および2次巻線と2次側の静電シールド巻線とは密に巻かれるので、結局、特許文献3で開示されている技術では、従来の銅箔で行う静電シールドと同等のシールド特性を得ることは不可能である。従って、開示された技術によって、スイッチング電源回路の雑音を除去することは不可能であった。 In the above conventional technique, since the voltage excited on the copper foil is small, the copper foil functions as an electrostatic shield. However, the electrostatic shield winding disclosed in Patent Document 3 includes a primary winding or a secondary winding. A large voltage equivalent to the line voltage is excited. Since the primary winding and the primary-side electrostatic shield winding, and the secondary winding and the secondary-side electrostatic shield winding are densely wound, the technique disclosed in Patent Document 3 is eventually used. It is impossible to obtain a shield characteristic equivalent to that of an electrostatic shield performed with a conventional copper foil. Therefore, it has been impossible to remove the noise of the switching power supply circuit by the disclosed technique.

解決しようとする問題点の第4は、特許文献4に関する。特許文献4は、インバータ電源からのスイッチングトランスのノイズ発生を抑えるために、従来のシールド用のショートリングによる方法の代わりに、コイルとボビンと磁気コアとを備え、ボビンはコイルが巻かれる巻回部と、巻回部を挟むように設けられた側板部とを具備し、各側板部の表面には巻回部を一巡するように磁気コアを配置するための凹部分が設けられたトランス本体と、トランス本体を覆う収納ケースと、収納ケースの内面に設けられ、トランス本体を覆う導体からなるシールドケースと、トランス本体が設けられた収納ケースに注入された樹脂とから、低背型スイッチングトランスを構成する技術を開示している。 A fourth problem to be solved relates to Patent Document 4. Patent Document 4 discloses that a coil, a bobbin, and a magnetic core are provided in place of a conventional method using a short ring for shielding in order to suppress noise generation of a switching transformer from an inverter power supply, and the bobbin is wound around which the coil is wound. And a side plate portion provided so as to sandwich the winding portion, and a transformer body provided with a concave portion for arranging a magnetic core so as to go around the winding portion on the surface of each side plate portion A low-profile switching transformer comprising: a storage case that covers the transformer body; a shield case that is provided on the inner surface of the storage case and is made of a conductor that covers the transformer body; and a resin that is injected into the storage case provided with the transformer body. The technology which comprises is disclosed.

特許文献4では、スイッチングトランスのノイズ問題をスイッチングトランスからの放射電磁波だけとみなしているが、スイッチングトランスの最大のノイズ問題は、1次側と2次側の高周波電磁結合である。従って、開示された技術によって、インバータ電源のノイズ問題を解決することは不可能であった。 In Patent Document 4, the noise problem of the switching transformer is regarded as only the radiated electromagnetic wave from the switching transformer, but the largest noise problem of the switching transformer is the high frequency electromagnetic coupling between the primary side and the secondary side. Therefore, it has been impossible to solve the noise problem of the inverter power supply by the disclosed technique.

解決しようとする問題点の第5は、特許文献5に関する。特許文献5は、インバータ等に使用されるパルストランスの、低域における伝送効率を高くすると共に、所定レベル以上の高域の場合における結合状態の減衰量を確保し、不要な信号や雑音(ノイズ)を低減するために、機械的に隙間なく閉磁路を形成する閉磁路コアと、この閉磁路コアを巻軸としてそれぞれ閉磁路コアの離れた位置に巻回された一次巻線及び二次巻線と、一次巻線及び二次巻線の間に配置され、所定レベル以上の高周波帯域において一次巻線と二次巻線との容量結合を低下させるように容量結合を制御する結合制御コア部とを備える技術を開示している。 The fifth problem to be solved relates to Patent Document 5. Patent Document 5 increases the transmission efficiency in a low frequency range of a pulse transformer used for an inverter or the like, and secures an attenuation amount of a coupled state in a high frequency range of a predetermined level or higher, thereby preventing unnecessary signals and noise (noise). ), A closed magnetic circuit core that mechanically forms a closed magnetic circuit without a gap, and a primary winding and a secondary winding wound around the closed magnetic circuit core around the closed magnetic circuit core as winding axes, respectively. The coupling control core unit is arranged between the wire and the primary winding and the secondary winding, and controls the capacitive coupling so as to reduce the capacitive coupling between the primary winding and the secondary winding in a high frequency band above a predetermined level. The technique provided with these is disclosed.

電磁気学によると、変成器は、1次巻線に印加される定常エネルギによって静磁気エネルギが蓄積され、2次巻線から静磁気エネルギを放出する。静磁気エネルギの蓄積と放出の効率が高い変成器が、一般に高い性能を有すると考えられる。一方、変成器の1次巻線に印加される電磁波が2次巻線に漏洩すると、該変成器を搭載する機器の電磁環境適合性(EMC)や信号品位(シグナルインテグリティ)が低下する。特許文献5で開示されている技術は、1次巻線と2次巻線がE型コアの2個所の脚の部分に分けて配置されているので、1次巻線と2次巻線との間の高周波電磁結合は低いと考えられる。しかし、静磁気エネルギに対す磁気結合が低くなる。従って、開示された技術によって、インバータ電源のノイズ問題の解決と、小型軽量化や電力変換効率向上との両立を実現することは不可能であった。 According to electromagnetism, the transformer stores the magnetostatic energy by the steady energy applied to the primary winding and releases the magnetostatic energy from the secondary winding. Transformers with high magnetostatic energy storage and release efficiency are generally considered to have high performance. On the other hand, when the electromagnetic wave applied to the primary winding of the transformer leaks to the secondary winding, the electromagnetic environment compatibility (EMC) and the signal quality (signal integrity) of the device on which the transformer is mounted are reduced. In the technique disclosed in Patent Document 5, since the primary winding and the secondary winding are arranged separately at the two leg portions of the E-type core, the primary winding and the secondary winding The high frequency electromagnetic coupling between is considered low. However, the magnetic coupling to magnetostatic energy is low. Therefore, it has been impossible to achieve both the resolution of the noise problem of the inverter power supply and the reduction in size and weight and the improvement of power conversion efficiency by the disclosed technology.

解決しようとする問題点の第6は、特許文献6および特許文献7に関する。特許文献6および特許文献7は、簡単な構造で安定した直流重畳特性を実現し、また漏れ磁束を低減し、かつ低コストの線輪部品すなわちチョークコイルを提供することを目的としており、開磁路線輪部品の周辺を閉磁路化のため、ペースト状の流動体から成る軟磁性金属粉末と熱硬化性樹脂との混成物にてモールドすることにより、十分な直流重畳特性を可能にする技術を開示している。 The sixth problem to be solved relates to Patent Document 6 and Patent Document 7. Patent Document 6 and Patent Document 7 are intended to realize a stable DC superposition characteristic with a simple structure, reduce leakage magnetic flux, and provide a low-cost wire ring component, that is, a choke coil. A technology that enables sufficient DC superimposition characteristics by molding with a mixture of soft magnetic metal powder consisting of paste-like fluid and thermosetting resin in order to create a closed magnetic circuit around the road and ring parts. Disclosure.

特許文献6および特許文献7は、チョークコイルに限定し、モールド用の混和物には軟磁性体粉末に限定しているため、高速スイッチング素子を使用する高速ディジタルデータ通信機器や高周波DC−DCコンバータに使用し、変換効率が高く、小型軽量化が可能で、信号品位(シグナルインテグリティ)や電磁環境適合性(EMC)に優れたパルストランスに適用することは不可能であった。 Patent Document 6 and Patent Document 7 are limited to choke coils, and are limited to soft magnetic powder as a mixture for molding. Therefore, high-speed digital data communication equipment and high-frequency DC-DC converters that use high-speed switching elements. It has been impossible to apply to pulse transformers that have high conversion efficiency, can be reduced in size and weight, and are excellent in signal quality (signal integrity) and electromagnetic environment compatibility (EMC).

アナログ回路は、回路状態の変化が比較的緩やかで始まりと終わりが明確でないことが多い。アナログ回路の歴史は古く、特に工学においては経験則等の適用によって、電磁気学に戻らなくても、従来の交流回路理論や電気通信工学に従う回路設計において、実用上、問題が生じることはほとんど無かった。 In analog circuits, changes in the circuit state are relatively gradual and the beginning and end are often unclear. Analog circuits have a long history, and especially in engineering, there are almost no problems in practical use in circuit design according to conventional AC circuit theory or telecommunications engineering without having to return to electromagnetism by applying rules of thumb, etc. It was.

一方、アナログ回路の場合と異なり、スイッチング回路における状態の変化の始まりと終わりは明確である。スイッチング回路の状態の変化は非常に急激であり、急激な電界または磁界の変化は当然ながら大きなレベルの電磁波を励起する。スイッチング回路における電界または磁界の変化は間歇的である。さらに、半導体集積回路中の約9割を占めるデータ処理回路においては、一般にスイッチングの周期は不定である。 On the other hand, unlike the case of the analog circuit, the beginning and end of the state change in the switching circuit are clear. Changes in the state of the switching circuit are very rapid, and sudden changes in electric or magnetic fields naturally excite large levels of electromagnetic waves. The change in the electric or magnetic field in the switching circuit is intermittent. Furthermore, in a data processing circuit that occupies about 90% of a semiconductor integrated circuit, the switching cycle is generally indefinite.

以上のようにアナログ回路とスイッチング回路は、電磁気学の観点からは大きく異なっている。しかし、従来の電気通信工学や交流回路理論では、間欠的な回路動作を想定した回路すなわちパルス回路の設計は、電磁気学とは関係のない前述のような手法で行われ、解析は、スイッチング波をひずみ波の一種と考えるフーリエ変換法が適用されてきた。 As described above, the analog circuit and the switching circuit are greatly different from the viewpoint of electromagnetics. However, in conventional telecommunications engineering and AC circuit theory, the design of a circuit that assumes intermittent circuit operation, that is, a pulse circuit, is performed by the above-mentioned method that has nothing to do with electromagnetics, and the analysis is performed using a switching wave. The Fourier transform method has been applied, which is considered as a kind of distorted wave.

フーリエ変換法によると、ひずみ波は正弦波である多数の高調波から構成されている。これらの高調波は始まりと終わりが無い多数の正弦波である。回路上の信号を高調波毎に解析してその結果を加算すれば、スイッチング回路の解析が可能となる。しかし、フーリエ変換法は数学の一手法であり、上位理論である電磁気学との整合性を確認した上で電気電子回路の設計や解析に採用されている訳ではないため、ディジタル回路で発生する瞬時現象の解析は、現実との乖離が甚だしく、不可能である。 According to the Fourier transform method, the distorted wave is composed of a number of harmonics that are sine waves. These harmonics are numerous sine waves with no beginning and no end. If the signal on the circuit is analyzed for each harmonic and the results are added, the switching circuit can be analyzed. However, the Fourier transform method is a mathematical method, and it is not used in the design and analysis of electrical and electronic circuits after confirming the consistency with the higher theory of electromagnetism. The analysis of instantaneous phenomena is impossible because of the large deviation from reality.

たとえばデューティが1/10で繰り返し周波数が1[GHz]のスイッチング波をフーリエ変換すると振幅の1/10の値の直流成分と1[GHz]を基本波とする高調波とに分解できる。直流電流はほとんど流さないCMOS回路を使用する半導体集積回路内のある長さの配線または伝送線路が、1[GHz]の振幅を1/2に低下させる損失を有しているとすると、配線または伝送線路の終端でのスイッチング波の振幅は、解析結果ではほぼ1/2以下に低下する。 For example, when a switching wave having a duty of 1/10 and a repetition frequency of 1 [GHz] is Fourier transformed, it can be decomposed into a DC component having a value of 1/10 of the amplitude and a harmonic having 1 [GHz] as a fundamental wave. If a certain length of wiring or transmission line in a semiconductor integrated circuit using a CMOS circuit that hardly passes direct current has a loss that reduces the amplitude of 1 [GHz] to 1/2, The amplitude of the switching wave at the end of the transmission line is reduced to almost ½ or less in the analysis result.

しかし、電磁気学に従うと、スイッチング波の振幅は直流電源から供給される静電エネルギによって維持される。静電エネルギは波ではないので配線または伝送線路の損失の作用は受けない。従って、伝送線路の終端で観測されるスイッチング波の振幅は減衰しないはずである。 However, according to electromagnetics, the amplitude of the switching wave is maintained by electrostatic energy supplied from a DC power source. Since electrostatic energy is not a wave, it is not affected by the loss of wiring or transmission lines. Therefore, the amplitude of the switching wave observed at the end of the transmission line should not be attenuated.

この事実は、スイッチング波をひずみ波として扱うことが誤りであることを示している。また、この事実は、フーリエ変換法に基づいて生じる群速度の概念に従う、ディジタル信号配線における信号品位(シグナルインテグリティ)に関する従来の理論には修正が必要であることを示している。すなわち、この事実は、スイッチング回路やディジタル回路上での瞬時の変化と比較的長い期間の挙動を矛盾無く説明できる、統一した設計および解析のための理論が、新たに構築されなければならないことを示唆している。 This fact indicates that it is an error to treat the switching wave as a distorted wave. This fact also shows that the conventional theory concerning signal quality (signal integrity) in digital signal wiring, which follows the concept of group velocity generated based on the Fourier transform method, needs to be modified. In other words, this fact means that a unified theory for design and analysis that can explain instantaneous changes in switching circuits and digital circuits and behavior over a relatively long period of time without contradiction must be newly established. Suggests.

本発明は、上記問題を根本的に解決する手段を提供することを目的の一つとしている。 An object of the present invention is to provide means for fundamentally solving the above problems.

上記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、パルストランスに係り、スイッチング素子によって駆動される、少なくとも1つの1次巻線と少なくとも1つの2次巻線とを有するパルストランスにおいて、該パルストランスが、該パルストランスの1次巻線に、スイッチング素子の立ち上がり波形の最大傾斜部の接線を立ち上がり波形と見なして求める立ち上がり時間と円周率との積の逆数として求められる周波数で定義される実効周波数の電磁波を印加したときに、前記パルストランスの内部で前記電磁波の振幅を1/10以下に減衰させる能力を有する損失パルストランスとして設計されて成ることを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problem, an invention according to claim 1 relates to a pulse transformer, and includes a pulse transformer having at least one primary winding and at least one secondary winding driven by a switching element. The pulse transformer is defined in the primary winding of the pulse transformer with a frequency obtained as the reciprocal of the product of the rise time and the circumference calculated by regarding the tangent of the maximum slope of the rising waveform of the switching element as the rising waveform. It is characterized by being designed as a lossy pulse transformer having an ability to attenuate the amplitude of the electromagnetic wave to 1/10 or less inside the pulse transformer when an electromagnetic wave having an effective frequency is applied.

また、請求項2記載の発明は、パルストランスに係り、請求項1記載の損失パルストランスにおいて、前記損失パルストランスを構成する巻線構造と外部接続端子とを接続する配線が、導体と、該導体表面に形成される絶縁体と、該絶縁体の表面に形成される半導体とで構成される損失線路、または、導体と、該導体表面に形成される前記半導体と、該半導体の表面に形成される絶縁体とで構成される損失線路であることを特徴としている。 The invention described in claim 2 relates to a pulse transformer. In the loss pulse transformer according to claim 1, the wiring connecting the winding structure constituting the loss pulse transformer and the external connection terminal includes a conductor, Loss line composed of an insulator formed on a conductor surface and a semiconductor formed on the surface of the insulator, or a conductor, the semiconductor formed on the conductor surface, and formed on the surface of the semiconductor It is characterized by a lossy line composed of an insulator.

また、請求項3記載の発明は、パルストランスに係り、請求項1から請求項2記載の損失パルストランスにおいて、前記損失パルストランスを構成する前記損失線路の長さが、10[mm]以上であることを特徴としている。 The invention described in claim 3 relates to a pulse transformer, wherein in the loss pulse transformer according to claim 1 or 2, the length of the loss line constituting the loss pulse transformer is 10 [mm] or more. It is characterized by being.

また、請求項4記載の発明は、パルストランスに係り、請求項1から請求項3記載の損失パルストランスにおいて、前記損失パルストランスを構成する前記損失線路の特性インピーダンスが、前記損失パルストランスを搭載する印刷配線基板の特性インピーダンスに±20%以内の精度で等しいことを特徴としている。 According to a fourth aspect of the present invention relates to a pulse transformer, and in the lossy pulse transformer according to any one of the first to third aspects, the characteristic impedance of the lossy line constituting the lossy pulse transformer is mounted with the lossy pulse transformer. It is characterized by being equal to the characteristic impedance of the printed wiring board to be performed with an accuracy within ± 20%.

また、請求項5記載の発明は、パルストランスに係り、請求項1から請求項4記載の損失パルストランスにおいて、前記損失パルストランスを構成する前記損失線路が、半導体膜で覆われた2本の導体を柔軟性のある絶縁体樹脂中に埋め込んで形成されることを特徴としている。 The invention according to claim 5 relates to a pulse transformer, and in the loss pulse transformer according to claims 1 to 4, the loss line constituting the loss pulse transformer is covered with two semiconductor films. It is characterized by being formed by embedding a conductor in a flexible insulating resin.

また、請求項6記載の発明は、パルストランスに係り、請求項1から請求項5記載の損失パルストランスにおいて、前記損失パルストランスを構成する前記損失線路が、2層の導体層の間に絶縁層と半導体層を有する印刷配線基板上に形成されることを特徴としている。 The invention described in claim 6 relates to a pulse transformer, wherein in the loss pulse transformer according to claims 1 to 5, the loss line constituting the loss pulse transformer is insulated between two conductor layers. It is formed on a printed wiring board having a layer and a semiconductor layer.

また、請求項7記載の発明は、パルストランスに係り、請求項1から請求項6記載の損失パルストランスにおいて、前記半導体が、無機半導体または有機半導体であって10[S/m]以上の導電率を有するように設計されて成ることを特徴としている。 The invention according to claim 7 relates to a pulse transformer, wherein the semiconductor is an inorganic semiconductor or an organic semiconductor and has a conductivity of 10 [S / m] or more. It is designed to have a rate.

また、請求項8記載の発明は、パルストランスに係り、請求項1から請求項7記載の損失パルストランスにおいて、前記半導体が、ポリ(p−フェニレン)(22.7°)、またはポリ(p−フェニレンスルフィド)、またはカーボングラファイト、または二酸化マンガン、またはポリアセチレン、またはポリチオフェン、またはポリピロール、またはポリフェニレンビニレン、またはテトラチアフルバレン−テトラキノジメタン(TTF−TCNQ)であることを特徴としている。 The invention described in claim 8 relates to a pulse transformer, wherein in the loss pulse transformer according to claims 1 to 7, the semiconductor is poly (p-phenylene) (22.7 °) or poly (p -Phenylene sulfide), or carbon graphite, or manganese dioxide, or polyacetylene, or polythiophene, or polypyrrole, or polyphenylene vinylene, or tetrathiafulvalene-tetraquinodimethane (TTF-TCNQ).

また、請求項9記載の発明は、パルストランスに係り、請求項1から請求項8記載の損失パルストランスにおいて、前記半導体が、1015[cm-3]以上のリンをドーピングしたn型シリコン、1016[cm-3]以上のボロンをドーピングしたp型シリコン、または、不純物を混合した、アモルファスシリコン、またはアルミナ、またはジルコニア、またはカーバイド、またはニトライド、またはシリサイド、またはシリコンカーバイド、またはシリコンナイトライド、またはマグネシウムナイトライド、または酸化亜鉛であることを特徴としている。 The invention according to claim 9 relates to a pulse transformer, wherein in the loss pulse transformer according to claims 1 to 8, the semiconductor is n-type silicon doped with phosphorus of 10 15 [cm −3 ] or more, P-type silicon doped with boron of 10 16 [cm −3 ] or more, or amorphous silicon, alumina, zirconia, carbide, nitride, silicide, silicon carbide, or silicon nitride mixed with impurities Or magnesium nitride or zinc oxide.

また、請求項10記載の発明は、パルストランスに係り、請求項1から請求項9記載の損失パルストランスにおいて、前記半導体が、請求項4から請求項6記載の半導体または最大長が100ナノメートル以下の前記半導体の粒子を混合した、樹脂であることを特徴としている。 The invention described in claim 10 relates to a pulse transformer. In the loss pulse transformer according to claims 1 to 9, the semiconductor is the semiconductor according to claims 4 to 6, or the maximum length is 100 nanometers. It is a resin in which the following semiconductor particles are mixed.

高速ディジタルデータ通信機器や高周波DC−DCコンバータに主として使用されるパルストランスに、非特許文献1および非特許文献2に示される孤立電磁波コンセプトに従う本発明を適用すると、電磁気学に忠実なパルストランスの設計や解析を容易に行うことが出来る。 When the present invention according to the isolated electromagnetic wave concept shown in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 is applied to a pulse transformer mainly used in high-speed digital data communication equipment and high-frequency DC-DC converters, Design and analysis can be performed easily.

また、高速ディジタルデータ通信機器や高周波DC−DCコンバータに主として使用されるパルストランスに孤立電磁波コンセプトに基づく本発明を適用すると、高速スイッチングパルスを印加するパルストランスに不可欠であったスナバや整合終端回路が全く不要となる。 In addition, when the present invention based on the isolated electromagnetic wave concept is applied to a pulse transformer mainly used in a high-speed digital data communication device or a high-frequency DC-DC converter, a snubber or a matching termination circuit that is indispensable for a pulse transformer that applies a high-speed switching pulse. Is completely unnecessary.

また、パルストランスに孤立電磁波コンセプトに基づく本発明を適用すると、高速ディジタルデータ通信機器や高周波DC−DCコンバータなどの変換効率、信号品位(シグナルインテグリティ)、ならびに電磁環境適合性(EMC)を高めるために、小型軽量化や高性能化が可能となる。 In addition, when the present invention based on the isolated electromagnetic wave concept is applied to a pulse transformer, the conversion efficiency, signal integrity, and electromagnetic environment compatibility (EMC) of high-speed digital data communication equipment and high-frequency DC-DC converters are improved. In addition, it is possible to reduce the size and weight and improve the performance.

以下、本発明に係る 最良の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, the best embodiment according to the invention will be described in detail with reference to the drawings.

(実施の形態1)
図4は、損失線路の一例である。
(Embodiment 1)
FIG. 4 is an example of a lossy line.

図4において、損失巻線は、導体12、絶縁体13、および半導体14によって構成されている。 In FIG. 4, the loss winding is composed of a conductor 12, an insulator 13, and a semiconductor 14.

図5は、損失パルストランスの断面構造の一例である。 FIG. 5 is an example of a cross-sectional structure of the loss pulse transformer.

図5において、損失パルストランスは、巻枠15、磁心16、巻線17、樹脂18、一次巻線外部端子19、20、一次巻線内部端子21、22、固定用の端子23、24、二次巻線内部端子25,26、二次巻線外部端子27、28、樹脂基板29、および樹脂箱30で構成されている。 In FIG. 5, the loss pulse transformer includes a winding frame 15, a magnetic core 16, a winding 17, a resin 18, primary winding external terminals 19 and 20, primary winding internal terminals 21 and 22, fixing terminals 23 and 24, two It consists of secondary winding internal terminals 25 and 26, secondary winding external terminals 27 and 28, a resin substrate 29, and a resin box 30.

図6は、損失パルストランスの内部配線構造の一例である。 FIG. 6 is an example of the internal wiring structure of the loss pulse transformer.

図6において、損失パルストランスの内部配線構造は、一次巻線外部端子19、20と一次巻線内部端子21、22との間を接続するための、図4の断面を有する損失線路31を樹脂箱30に内蔵している。損失線路31は、図4の断面構造を有し、導体12の半径が0.5[mm]、半導体14の厚さが0.1[mm]、2本の導体12間の中心距離が2
[mm]であるとすると、式(8)から、損失線路31の特性インピーダンスは50.8[Ω]となる。
In FIG. 6, the internal structure of the loss pulse transformer is such that the loss line 31 having the cross section of FIG. 4 for connecting the primary winding external terminals 19 and 20 and the primary winding internal terminals 21 and 22 is made of resin. Built in the box 30. The lossy line 31 has the cross-sectional structure of FIG. 4, the radius of the conductor 12 is 0.5 [mm], the thickness of the semiconductor 14 is 0.1 [mm], and the center distance between the two conductors 12 is 2
If it is [mm], the characteristic impedance of the lossy line 31 is 50.8 [Ω] from the equation (8).

の特性インピーダンスを有する損失線路を構成する絶縁体の導電率が無限大、半導体の導電率がσである場合、絶縁体中を進行するインピーダンスZを有する電磁波の一部が固有インピーダンスZを有する半導体中に侵入する。該半導体中に進行中にした電磁波はTEM波以外の通信に役立たない電磁波であって全てが損失となる。半導体の導電率を実際に損失に関わる割合で修正したものを半導体の実効導電率と定義すると、実効導電率σ
P1は次式から求めることができる。
When the conductivity of the insulator constituting the loss line having the characteristic impedance of Z 0 is infinite and the conductivity of the semiconductor is σ P , a part of the electromagnetic wave having the impedance Z 0 traveling through the insulator is a specific impedance. penetrating into the semiconductor having a Z P. The electromagnetic waves in progress in the semiconductor are electromagnetic waves that are not useful for communication other than TEM waves, and all of them are lost. If we define the effective conductivity of the semiconductor as the actual conductivity of the semiconductor, corrected by the ratio related to the loss, the effective conductivity σ
P1 can be obtained from the following equation.

実効導電率がσ P1のときの減衰定数αP1は次式から求めることが出来る。 The attenuation constant α P1 when the effective conductivity is σ P1 can be obtained from the following equation.

図5において、図4の断面構造を有する損失線路31が、導電率が無限大の絶縁体と導電率が100[S/m]の半導体を有し、長さが1[cm]で、特性インピーダンスが端子19,20を経由して50.8[Ω]の印刷配線基板上の伝送線路に接続されているときの、損失線路31の透過係数S21は、式(10)、(11)、(17)および(18)から、1[GHz]で−43dB、10[GHz]で−162dBとなる。これらの値の妥当性については、実施の形態3に示すDC−DCコンバータへの適用例で検証する。 In FIG. 5, the lossy line 31 having the cross-sectional structure of FIG. 4 includes an insulator with infinite conductivity and a semiconductor with a conductivity of 100 [S / m], a length of 1 [cm], when the impedance is connected to the transmission line of the printed wiring board of 50.8 [Omega] through the terminals 19 and 20, the transmission coefficient S 21 of the loss line 31, formula (10), (11) , (17) and (18), −43 dB at 1 [GHz] and −162 dB at 10 [GHz]. The validity of these values will be verified by the application example to the DC-DC converter shown in the third embodiment.

(実施の形態2) (Embodiment 2)

図7は、損失パルストランスの断面構造の他の一例である。 FIG. 7 shows another example of the cross-sectional structure of the lossy pulse transformer.

図8は、印刷配線基板38の損失パルストランス搭載面の配線構造の一例である。図9は、図8のX−X’から見た印刷配線基板38の断面図である。 FIG. 8 is an example of the wiring structure of the loss pulse transformer mounting surface of the printed wiring board 38. FIG. 9 is a cross-sectional view of the printed wiring board 38 as viewed from X-X ′ in FIG. 8.

図7と図8において、損失パルストランスは、巻枠15、磁心16、巻線17、一次巻線外部端子19、20、一次巻線内部端子21、22、一次巻線の印刷配線基板38との接続端子32,33、二次巻線内部端子25,26、二次巻線外部端子34、35、巻枠15に孤立して配置されて固定され印刷配線基板38のビア83と84に接続される端子36および37、および印刷配線基板38で構成されている。端子34と35は、印刷配線基板38のバカ穴81、82の中心部を非接触で貫通しており、損失パルストランスが搭載される印刷配線基板に直接接続される。 7 and 8, the loss pulse transformer includes a winding frame 15, a magnetic core 16, a winding 17, primary winding external terminals 19 and 20, primary winding internal terminals 21 and 22, and a primary wiring printed wiring board 38. The connection terminals 32 and 33, the secondary winding internal terminals 25 and 26, the secondary winding external terminals 34 and 35, and the winding terminals 15 are arranged and fixed in isolation and connected to the vias 83 and 84 of the printed wiring board 38. Terminal 36 and 37, and printed wiring board 38. The terminals 34 and 35 pass through the central portions of the hole 81 and 82 of the printed wiring board 38 in a non-contact manner, and are directly connected to the printed wiring board on which the loss pulse transformer is mounted.

図7と図8において、端子19および32は、印刷配線基板38のグランドプレーン90に接続されているビア77,79に接続される。端子20は、印刷配線基板38上のストリップ導体89の一端に接続されているビア78に接続される。端子33は、印刷配線基板38上のストリップ導体89の他端に接続されているビア80に接続される。 7 and 8, the terminals 19 and 32 are connected to vias 77 and 79 connected to the ground plane 90 of the printed wiring board 38. The terminal 20 is connected to a via 78 connected to one end of a strip conductor 89 on the printed wiring board 38. The terminal 33 is connected to a via 80 connected to the other end of the strip conductor 89 on the printed wiring board 38.

印刷配線基板38は、2枚の片面銅張り板2枚を半導体プリプレグで貼り合わせて構成されている。 The printed wiring board 38 is configured by bonding two single-sided copper-clad plates with a semiconductor prepreg.

図9は、図8のX−X’から見た印刷配線基板38の断面図である。 FIG. 9 is a cross-sectional view of the printed wiring board 38 as viewed from X-X ′ in FIG. 8.

図9において、ストリップ導体89、グランドプレーン90、絶縁体層86、および半導体層87で構成されるマイクロストリップ線路は、損失線路を構成する。 In FIG. 9, the microstrip line composed of the strip conductor 89, the ground plane 90, the insulator layer 86, and the semiconductor layer 87 constitutes a loss line.

図8および図9において、ストリップ導体89およびグランドプレーン90の厚さを35[μm]、絶縁体層86の厚さを500[μm]、半導体層87の厚さを50[μm]、ストリップ導体89のストリップ導体の幅を1[mm]、絶縁体層の比誘電率を4とすると、マイクロストリップ線路の特性インピーダンスは、式(9)から、49.6[Ω]となる。 8 and 9, the strip conductor 89 and the ground plane 90 have a thickness of 35 [μm], the insulator layer 86 has a thickness of 500 [μm], and the semiconductor layer 87 has a thickness of 50 [μm]. When the width of the 89 strip conductor is 1 [mm] and the relative dielectric constant of the insulator layer is 4, the characteristic impedance of the microstrip line is 49.6 [Ω] from the equation (9).

図8および図9において、絶縁体層の導電率が無限大、半導体層の導電率が100[S/m]であり、ストリップ導体の実効長が1[cm]のとき、端子78、79を経由して50[Ω]の印刷配線基板上の伝送線路に接続されているときの、刷配線基板38上の損失線路の透過係数S21は、式(10)、(11)、(17)および(18)から、1[GHz]で−43dB、10[GHz]で−162dBとなる。これらの値の妥当性については、実施の形態3に示す損失パルストランスのDC−DCコンバータへの適用例で検証する。 8 and 9, when the conductivity of the insulator layer is infinite, the conductivity of the semiconductor layer is 100 [S / m], and the effective length of the strip conductor is 1 [cm], the terminals 78 and 79 are connected. The transmission coefficient S 21 of the loss line on the printed wiring board 38 when connected to the transmission line on the printed wiring board of 50 [Ω] via the equations (10), (11), (17) From (18), -43 dB at 1 [GHz] and -162 dB at 10 [GHz]. The validity of these values will be verified in the application example of the lossy pulse transformer shown in the third embodiment to the DC-DC converter.

(実施の形態3)
本実施の形態は、実施の形態1および2の損失パルストランスをフォワード型DC−DCコンバータに使用したときの伝送線路上での孤立電磁波の挙動に関する。
(Embodiment 3)
This embodiment relates to the behavior of an isolated electromagnetic wave on a transmission line when the lossy pulse transformer of Embodiments 1 and 2 is used for a forward type DC-DC converter.

図10において、フォワード型DC−DCコンバータは、直流電源51と、スイッチング用のNチャネルMOS FET55と、NチャネルMOS FET55と直流電源51の間に接続され導体52と53からなる伝送線路54と、損失パルストランス60と、損失パルストランス60の一次巻き線端子62,63とMOS FET55との間に接続され導体56と57からなる伝送線路58と、損失パルストランス60の一次巻き線端子61と63の間に接続されるダイオード59と、損失パルストランス60の二次巻き線端子64と66に接続されるダイオード66、67と、チョークコイル71と、チョークコイル71とダイオード67との間に接続され導体68と69からなる伝送線路70とコンデンサ72とで構成されている。なお、伝送線路54と58の特性インピーダンスは50[Ω]である。 In FIG. 10, the forward type DC-DC converter includes a DC power source 51, a switching N-channel MOS FET 55, a transmission line 54 connected between the N-channel MOS FET 55 and the DC power source 51 and made up of conductors 52 and 53, Loss pulse transformer 60, transmission line 58 composed of conductors 56 and 57 connected between primary winding terminals 62 and 63 of loss pulse transformer 60 and MOS FET 55, and primary winding terminals 61 and 63 of loss pulse transformer 60. Are connected between the choke coil 71, the choke coil 71, the choke coil 71, and the diode 67. A transmission line 70 composed of conductors 68 and 69 and a capacitor 72 are included. The characteristic impedance of the transmission lines 54 and 58 is 50 [Ω].

図10において、NチャネルMOS FET55がオンすると、立ち上がりの期間に、伝送線路58上のC点に、図11に示す負の極性を有する孤立電磁波が励起される。C点に励起された孤立電磁波を構成する孤立電界波41は、式(16)で定義される波長λを維持しつつ、図11に示す先頭部の包絡曲線43に沿って指数的に振幅を減少させながら伝送線路58中を進行しD点に到達する。 In FIG. 10, when the N-channel MOS FET 55 is turned on, an isolated electromagnetic wave having a negative polarity shown in FIG. 11 is excited at the point C on the transmission line 58 during the rising period. The isolated electric field wave 41 constituting the isolated electromagnetic wave excited at the point C has an exponential amplitude along the leading envelope curve 43 shown in FIG. 11 while maintaining the wavelength λ s defined by the equation (16). It proceeds in the transmission line 58 while decreasing the point D and reaches the point D.

指数的に減衰する電界は、式(2)に従うと、孤立電界波の減衰分を補う形の電位を発生させる。この電界は静電界であって、孤立電界波が伝送線路上に図10における直流電源51から静電エネルギを引き出すことによって生じる。 The exponentially decaying electric field generates a potential that compensates for the attenuation of the solitary electric field wave according to equation (2). This electric field is an electrostatic field, and is generated when an isolated electric field wave draws electrostatic energy from the DC power source 51 in FIG. 10 onto the transmission line.

孤立電磁波は、静電界を伝送線路上に分布させつつ伝送線路58の電位をC点からD点まで一定に保ちつつ進行する。本実施の形態においては伝送線路52と伝送線路58の特性インピーダンスが等しいので、孤立電界波7がD点に到達する伝送線路50の電位は−E/2 [V]の定常値となる。 The isolated electromagnetic wave travels while keeping the potential of the transmission line 58 constant from the C point to the D point while distributing the electrostatic field on the transmission line. In this embodiment, since the transmission line 52 and the transmission line 58 have the same characteristic impedance, the potential of the transmission line 50 at which the isolated electric field wave 7 reaches the point D becomes a steady value of −E / 2 [V].

D点には実施の形態1または実施の形態2の損失パルストランスが接続されている。実施の形態1および2の損失パルストランスには、図10端子61と端子62に接続されている一次巻線が無いが、本実施の形態での説明には不用であるので、省略した。 The loss pulse transformer of the first or second embodiment is connected to the point D. Although the lossy pulse transformers of the first and second embodiments do not have a primary winding connected to the terminal 61 and the terminal 62 in FIG. 10, they are omitted because they are unnecessary for the description in the present embodiment.

D点に到達した孤立電磁波7は損失パルストランス60の一次巻き線に向かって進む過程で、損失パルストランス60中の損失線路により、1[GHz]で−43dBだけ減衰する。大きく減衰した孤立電磁波7は変位電流または電束電流の考え方に従って損失パルストランス60の二次巻線に進むが、孤立電磁波が引き出してきた静電エネルギは絶縁体を透過できないので、線路57上の電位の上昇は一次巻線までで停止する。なお、立ち上がり時間が0.3[ns]のNチャネルMOS FETの前記実効周波数は1[GHz]となる。 The isolated electromagnetic wave 7 reaching the point D is attenuated by −43 dB at 1 [GHz] by the loss line in the loss pulse transformer 60 in the process of traveling toward the primary winding of the loss pulse transformer 60. The greatly attenuated isolated electromagnetic wave 7 proceeds to the secondary winding of the loss pulse transformer 60 in accordance with the concept of displacement current or electric flux current. However, since the electrostatic energy extracted by the isolated electromagnetic wave cannot pass through the insulator, The rise in potential stops until the primary winding. Note that the effective frequency of an N-channel MOS FET having a rise time of 0.3 [ns] is 1 [GHz].

図11は、伝送線路58上のC点とD点の孤立電界波と、孤立電界波の尖頭部の包絡曲線の一例である。 FIG. 11 is an example of an isolated electric field wave at points C and D on the transmission line 58 and an envelope curve at the tip of the isolated electric field wave.

損失パルストランス60中の損失線路上を孤立電磁波が進行する場合の孤立電磁波の尖頭部の包絡曲線は、式(11)の指数項から求まる減衰曲線となる。孤立電磁波の尖頭部が式(11)の指数項で減衰するときの孤立電界波による伝送線路の長さ方向の電位の変化は、電界の減衰特性に依存すると考えられ、次式から求められる。 The envelope curve at the tip of the isolated electromagnetic wave when the isolated electromagnetic wave travels on the loss line in the loss pulse transformer 60 is an attenuation curve obtained from the exponential term of Equation (11). The change in potential in the length direction of the transmission line due to the isolated electric field wave when the point of the isolated electromagnetic wave attenuates by the exponential term of Equation (11) is considered to depend on the attenuation characteristic of the electric field, and is obtained from the following equation. .

式(19)は、孤立電界波が損失パルストランス60中の損失線路路上を進行中に、損失線路の電位を上昇させる能力が減少することを静電エネルギが補い、結果的に孤立電界波が進行中の損失パルストランス60中の損失線路の−E/2 [V]の電位および損失パルストランス60の一次巻き線の−E/2 [V]の電位は減衰しない。 Equation (19) shows that the electrostatic energy compensates for the decrease in the ability to raise the potential of the loss line while the isolated electric field wave is traveling on the loss line in the loss pulse transformer 60. The potential of −E / 2 [V] of the loss line in the ongoing loss pulse transformer 60 and the potential of −E / 2 [V] of the primary winding of the loss pulse transformer 60 are not attenuated.

図10において、NチャネルMOS FET55がオンすると、立ち上がりの期間に、前述の伝送線路58上のC点と同時に、伝送線路54上のB点に図12に示す正の極性を有する孤立電磁波が励起される。B点に励起された孤立電磁波を構成する孤立電界波42は、式(16)で定義される波長λを維持し、伝送線路54の電位を−E[V]から−E/2
[V]に上昇させつつA点に向かって進行する。
In FIG. 10, when the N-channel MOS FET 55 is turned on, the isolated electromagnetic wave having the positive polarity shown in FIG. 12 is excited at the point B on the transmission line 54 at the same time as the point C on the transmission line 58. Is done. The isolated electric field wave 42 constituting the isolated electromagnetic wave excited at the point B maintains the wavelength λ s defined by the equation (16), and the potential of the transmission line 54 is changed from −E [V] to −E / 2.
Proceed toward point A while increasing to [V].

A点に接続されている直流電源51は理想電源であって端子インピーダンスがゼロであるとする。孤立電界波42がAに到達すると、反射して極性を反転させ、伝送線路54の電位を−E[V]に戻しつつてB点まで進む。孤立電界波42がB点に到達した時点で、NチャネルMOS FET55がオンを維持していると、孤立電界波42は伝送線路58上のC点を通ってD点に向かう。 It is assumed that the DC power source 51 connected to the point A is an ideal power source and has a terminal impedance of zero. When the isolated electric field wave 42 reaches A, the reflected electric field wave 42 is reflected to reverse the polarity, and the potential of the transmission line 54 is returned to -E [V] to advance to the point B. When the isolated electric field wave 42 reaches the point B, if the N-channel MOS FET 55 is kept on, the isolated electric field wave 42 goes to the point D through the point C on the transmission line 58.

D点に到達した孤立電磁波42は損失パルストランス60の一次巻き線に向かって進む過程で、損失パルストランス60中の損失線路により、1[GHz]で−43dBだけ減衰するが、前述のように損失パルストランス60の一次巻き線の電位を−E[V]の定常値にする。従って、損失パルストランス60中の損失線路は、損失パルストランス60を駆動するためのNチャネルMOS FET55の静電エネルギ供給能力を減ずることはない。 The isolated electromagnetic wave 42 that reaches the point D is attenuated by −43 dB at 1 [GHz] by the loss line in the loss pulse transformer 60 in the process of traveling toward the primary winding of the loss pulse transformer 60, as described above. The potential of the primary winding of the loss pulse transformer 60 is set to a steady value of −E [V]. Therefore, the loss line in the loss pulse transformer 60 does not reduce the electrostatic energy supply capability of the N-channel MOS FET 55 for driving the loss pulse transformer 60.

損失パルストランス60中の損失線路上で大きく減衰した孤立電磁波7は変位電流または電束電流の考え方に従って損失パルストランス60の二次巻線に進むが、孤立電磁波が引き出してきた静電エネルギは絶縁体を透過できないので、電位の−E[V]までの降下は一次巻線までで停止する。 The isolated electromagnetic wave 7 greatly attenuated on the loss line in the loss pulse transformer 60 proceeds to the secondary winding of the loss pulse transformer 60 according to the concept of displacement current or electric flux current, but the electrostatic energy extracted by the isolated electromagnetic wave is insulated. Since it cannot penetrate the body, the potential drop to -E [V] stops at the primary winding.

孤立電磁波7が損失パルストランス60の一次巻き線に到達するまでの間は、直流電源51から線路58を充電するための静電エネルギが供給される。孤立電磁波7が損失パルストランス60の一次巻き線に到達後は、NチャネルMOS FET55がオフするまで、損失パルストランス60に静磁気エネルギを蓄積するために、引き続き直流電源51から静電エネルギが供給される。この期間、直流電源51から直流電流の供給が観測されるが、この電流は定常電流である。伝送線路58を充電する期間の電流は、伝送線路58上の電位を伝送線路58の特性インピーダンスで割った値である。 Until the isolated electromagnetic wave 7 reaches the primary winding of the loss pulse transformer 60, electrostatic energy for charging the line 58 is supplied from the DC power supply 51. After the isolated electromagnetic wave 7 reaches the primary winding of the loss pulse transformer 60, electrostatic energy is continuously supplied from the DC power source 51 in order to accumulate magnetostatic energy in the loss pulse transformer 60 until the N-channel MOS FET 55 is turned off. Is done. During this period, supply of direct current from the direct current power supply 51 is observed, but this current is a steady current. The current during the period for charging the transmission line 58 is a value obtained by dividing the potential on the transmission line 58 by the characteristic impedance of the transmission line 58.

伝送線路58上および損失パルストランス60中を孤立電磁波が通過する際に、変位電流または電束電流が観測されるが、これは孤立電磁波が保有する電磁波エネルギすなわちポインチングベクトルによる瞬時の電流である。 When an isolated electromagnetic wave passes on the transmission line 58 and through the lossy pulse transformer 60, a displacement current or an electric flux current is observed, which is an instantaneous current due to the electromagnetic energy held by the isolated electromagnetic wave, that is, a pointing vector. .

図13は、伝送線路54上のA点の時間軸上で表した伝送線路上の電位曲線45の一例である。図14は、伝送線路54上のB点の時間軸上で表した伝送線路上の電位曲線46の一例である。図15は、伝送線路58上のC点の時間軸上で表した伝送線路上の電位曲線47の一例である。図16は、伝送線路58上のD点の時間軸上で表した伝送線路上の電位曲線48の一例である。電流については前述の通りであって図は省略した。 FIG. 13 is an example of a potential curve 45 on the transmission line represented on the time axis of point A on the transmission line 54. FIG. 14 is an example of a potential curve 46 on the transmission line represented on the time axis of point B on the transmission line 54. FIG. 15 is an example of a potential curve 47 on the transmission line represented on the time axis of point C on the transmission line 58. FIG. 16 is an example of a potential curve 48 on the transmission line represented on the time axis of point D on the transmission line 58. The current is as described above, and the illustration is omitted.

図13から図16において、tは、伝送線路58上のC点に励起された孤立電磁波がD点に到達するまでの時間である。tは、伝送線路54上のB点に励起された孤立電磁波がA点で反射してB点に戻るまでの時間である。tは、伝送線路54上のB点に励起された孤立電磁波がA点で反射して、B点およびC点を経て伝送線路58上のD点に到達するまでの時間である。 In FIG. 13 to FIG. 16, t 1 is the time until the isolated electromagnetic wave excited at the point C on the transmission line 58 reaches the point D. t 2 is the time from when the isolated electromagnetic wave excited at the point B on the transmission line 54 is reflected at the point A and returns to the point B. t 3 is the time from when the isolated electromagnetic wave excited at the point B on the transmission line 54 is reflected at the point A and reaches the point D on the transmission line 58 via the points B and C.

図16から、伝送線路58上のD点の信号波形の立ち上がり時間は、伝送線路54や伝送線路58の損失または減衰定数に無関係であること、および、波源であるNチャネルMOS FET55の立ち上がり時間と、NチャネルMOS FET55と直流電源51との間に接続されている伝送線路54の長さに依存していることが判る。 From FIG. 16, the rise time of the signal waveform at point D on the transmission line 58 is independent of the loss or attenuation constant of the transmission line 54 and the transmission line 58, and the rise time of the N-channel MOS FET 55 that is the wave source. It can be seen that this depends on the length of the transmission line 54 connected between the N-channel MOS FET 55 and the DC power supply 51.

放射電力Pを有する線形電磁波がアンテナから放射されたときのr[m]の距離での電界強度Eは、IEC CISPR16−2−3に示されている次式から求めることが出来る。 The electric field intensity E at a distance r [m] when a linear electromagnetic wave having radiated power P is radiated from the antenna can be obtained from the following equation shown in IEC CISPR 16-2-3.

例えば家庭内使用を目的とするクラスB情報技術装置から10[m]の距離での妨害波電界強度の許容値は、VCCI(CISPR22)で決められており、30[MHz]から230[MHz]で30[dBμV/m]、230[MHz]から1[GHz]で37[dBμV/m]である。式(20)から、例えば230[MHz]での許容放射電力値を求めると、2[nW]となる。 For example, the permissible value of the interference wave electric field strength at a distance of 10 [m] from a class B information technology device intended for home use is determined by VCCI (CISPR22), and is from 30 [MHz] to 230 [MHz]. 30 [dBμV / m] and 230 [MHz] to 1 [GHz] and 37 [dBμV / m]. From the equation (20), for example, the allowable radiated power value at 230 [MHz] is 2 [nW].

図17は従来のパルストランスの断面構造の一例である。 FIG. 17 is an example of a cross-sectional structure of a conventional pulse transformer.

図17において、従来のパルストランスは、巻枠92、磁心93、巻線94、樹脂91、端子95で構成されている。 In FIG. 17, the conventional pulse transformer includes a winding frame 92, a magnetic core 93, a winding 94, a resin 91, and a terminal 95.

図10のフォワード型DC−DCコンバータの入力電力を100[W]とし、NチャネルMOS FET55の立ち上がり時間を0.3[ns]、オン時間を30[ns]とすると、孤立電磁波のエネルギは1[W]となる。この内の0.1%がパルストランスから大気中に放射され、さらにその内の10−4の電力を230[MHz]の線形電磁波が有しているとすると、230[MHz]の放射妨害波の電力は、100 [nW]となる。この値は、前記クラスB情報技術装置の許容放射電力値を大幅に上回る。 When the input power of the forward type DC-DC converter of FIG. 10 is 100 [W], the rise time of the N-channel MOS FET 55 is 0.3 [ns], and the on-time is 30 [ns], the energy of the isolated electromagnetic wave is 1 [W]. Assuming that 0.1% of this is radiated from the pulse transformer into the atmosphere, and that 10 −4 of that is included in the linear electromagnetic wave of 230 [MHz], the radiation disturbance wave of 230 [MHz] Is 100 [nW]. This value significantly exceeds the allowable radiated power value of the class B information technology device.

実施の形態1および2の損失パルストランスにおいては、損失パルストランス中の損失線路の透過係数が、立ち上がり時間0.3[ns]のときの実効周波数である1[GHz]において、−43dBであるので、前記条件での230[MHz]の放射妨害波の電力は、0.7[nW]となり、前記クラスB情報技術装置の許容放射電力値を充分満たす。 In the lossy pulse transformers of the first and second embodiments, the transmission coefficient of the loss line in the lossy pulse transformer is −43 dB at 1 [GHz], which is the effective frequency when the rise time is 0.3 [ns]. Therefore, the power of the 230 [MHz] radiated disturbance wave under the above condition is 0.7 [nW], which sufficiently satisfies the allowable radiated power value of the class B information technology device.

実施の形態1および2の損失パルストランスにおいては、損失パルストランス中の損失線路の長さを1[cm]とした。透過係数は、式(11)に示すように、損失線路の長さに対して指数的に減少するので、長さを選択することによって容易に大きな減衰特性を得ることが出来る。従って、本特許に依れば、特にEMC対策部品や電磁シールド材を使用しなくても、パルストランスが原因のEMC問題はほぼ解消されると考えられる。 In the loss pulse transformers of the first and second embodiments, the length of the loss line in the loss pulse transformer is set to 1 [cm]. Since the transmission coefficient decreases exponentially with respect to the length of the loss line as shown in the equation (11), a large attenuation characteristic can be easily obtained by selecting the length. Therefore, according to this patent, it is considered that the EMC problem caused by the pulse transformer is almost solved without using any EMC countermeasure parts or electromagnetic shielding materials.

(実施の形態4)
図18は、試作した低インピーダンスを有する損失線路の構造の一例である。
(Embodiment 4)
FIG. 18 is an example of the structure of a prototyped loss line having a low impedance.

低インピーダンスを有する損失線路は、導体96、弁金属97、絶縁体98、半導体99、および導電性接着剤100とで構成され、弁金属97は図17に示すように線路長方向に引き出されている。引き出された弁金属97の線路長方向の両端が陽極端子となり、導体96の線路長方向の両端が負極端子となる。 The loss line having a low impedance is composed of a conductor 96, a valve metal 97, an insulator 98, a semiconductor 99, and a conductive adhesive 100. The valve metal 97 is drawn out in the line length direction as shown in FIG. Yes. Both ends of the drawn valve metal 97 in the line length direction are anode terminals, and both ends of the conductor 96 in the line length direction are negative terminals.

試作した低インピーダンスを有する損失線路は、線路部の幅が1[mm]で長さが16[mm]を有するエッチング処理が施されたアルミニウム薄膜が弁金属97として使用されている。アルミニウム薄膜のエッチング部に化成処理によって形成された10[nm]の厚さの酸化アルミニウム被膜が絶縁体98に相当している。アルミニウム薄膜のエッチング部分に化学重合によって付着させたポリピロールが半導体99に相当し、厚さは約2.5μmである。 An experimentally produced lossy line having a low impedance uses an aluminum thin film subjected to an etching process having a line part width of 1 [mm] and a length of 16 [mm] as the valve metal 97. An aluminum oxide film having a thickness of 10 nm formed by chemical conversion treatment on the etched portion of the aluminum thin film corresponds to the insulator 98. Polypyrrole deposited on the etched portion of the aluminum thin film by chemical polymerization corresponds to the semiconductor 99 and has a thickness of about 2.5 μm.

ポリピロールの上に約30[μm]の厚さに塗布されたカーボングラファイトとカーボングラファイトの上に塗布された熱硬化性銀ペーストが導電性接着剤100に相当する。導電性接着剤100によって幅が1[mm]で長さが16[mm]の銅板が接着されおりこれが導体99に相当する。半導体として使用するポリピロールの導電率は1500[S/m]、絶縁体として使用する酸化アルミニウムの比誘電率は10である。 The conductive graphite 100 corresponds to carbon graphite coated on polypyrrole to a thickness of about 30 [μm] and thermosetting silver paste coated on the carbon graphite. A copper plate having a width of 1 [mm] and a length of 16 [mm] is bonded by the conductive adhesive 100, and this corresponds to the conductor 99. The electrical conductivity of polypyrrole used as a semiconductor is 1500 [S / m], and the relative dielectric constant of aluminum oxide used as an insulator is 10.

図19は、試作した低インピーダンスを有する損失線路の透過係数 (S21) 特性の一例である。 FIG. 19 is an example of the transmission coefficient (S 21 ) characteristic of a prototyped loss line with low impedance.

図19には、低インピーダンスを有する損失線路の部分の長さを4[mm]、8[mm]、16[mm]および24[mm]としたときの特性と、従来の2種類のチップセラミックコンデンサの特性を示している。 FIG. 19 shows characteristics when the length of the loss line portion having low impedance is 4 [mm], 8 [mm], 16 [mm], and 24 [mm], and two conventional chip ceramics. The characteristic of the capacitor is shown.

低インピーダンスを有する損失線路を構成する平行板の静電容量をCとすると、エッチングによる対向面積の拡大率kは、次式から得られる。 When the capacitance of the parallel plate constituting the loss line having a low impedance is C, the expansion ratio k of the facing area by etching can be obtained from the following equation.

回路に並列に使用される場合を想定したコンデンサのインピーダンスZCは散乱行列透過係数(S21)から求めることが出来る。測定系のケーブルの特性インピーダンスZ0が50[Ω]であって、透過係数 (S21)が1よりかなり小さい場合は、ZCと透過係数 (S21)の関係は簡略化されて次式のようになる。 The impedance Z C of the capacitor assumed to be used in parallel with the circuit can be obtained from the scattering matrix transmission coefficient (S 21 ). When the characteristic impedance Z 0 of the measurement system cable is 50 [Ω] and the transmission coefficient (S 21 ) is considerably smaller than 1, the relationship between Z C and the transmission coefficient (S 21 ) is simplified to become that way.

図19において、コンデンサとして作用していると考えられる100k[kHz]における16[mm]の長さで1[mm]の幅の低インピーダンスを有する損失線路の透過係数(S21)は約−46dBである。このときのコンデンサとしてのインピーダンスZは式(22)から求めることが出来、静電容量Cは12[μF]となる。この値および既定の他のパラメータを式(21)に代入すると、エッチングによる対向面積の拡大率kは、85、幅の拡大率k’は9.2となる。 In FIG. 19, the transmission coefficient (S 21 ) of a lossy line having a low impedance of a length of 16 [mm] and a width of 1 [mm] at 100 k [kHz] considered to be acting as a capacitor is about −46 dB. It is. The impedance Z C as a capacitor at this time can be obtained from the equation (22), and the capacitance C is 12 [μF]. When this value and other predetermined parameters are substituted into equation (21), the enlargement ratio k of the facing area by etching is 85, and the enlargement ratio k ′ of the width is 9.2.

このときの、平行板線路として作用する場合の特性インピーダンスは、式(7)のwを9.2wとして求めることが出来、0.13[mΩ]となる。 In this case, the characteristic impedance when acting as a parallel plate line can be obtained by setting w in Equation (7) as 9.2w, and is 0.13 [mΩ].

本実施の形態の低インピーダンス損失線路の、特性インピーダンスが50[Ω]の線路に対する透過係数(S21)は、式(10)、(11)、(17)および(18)を使用して求めることが出来る。線路長が8[mm]の場合は、10 [MHz]で−63dB、100[MHz]で−82dB、1[GHz]で−129dBとなる。線路長が16[mm]の場合のS21は、同様にして、10
[MHz]で−77dB、100[MHz]で−116dB、1[GHz]で−208dBとなる。
The transmission coefficient (S 21 ) of the low-impedance loss line of the present embodiment with respect to a line having a characteristic impedance of 50 [Ω] is obtained using equations (10), (11), (17) and (18). I can do it. When the line length is 8 [mm], −63 dB at 10 [MHz], −82 dB at 100 [MHz], and −129 dB at 1 [GHz]. S 21 when the line length is 16 [mm] is similarly 10
[MHz] is −77 dB, 100 [MHz] is −116 dB, and 1 [GHz] is −208 dB.

これらの特性は、図19の特性と大略一致する。実測と計算結果との間に生じる差異は、アルミニウム薄膜のエッチング部の構造が非常に複雑であるためである。従って、実施の形態1および2における、損失線路の特性インピーダンス並びに透過係数 (S21)は、エッチング処理を行わない場合はほぼ正確に計算で求めることが可能であるし、エッチング処理を行う場合においても、実用上支障のない精度で計算によって求めることが可能である。 These characteristics substantially coincide with the characteristics shown in FIG. The difference between the actual measurement and the calculation result is that the structure of the etched portion of the aluminum thin film is very complicated. Therefore, the characteristic impedance and transmission coefficient (S 21 ) of the loss line in the first and second embodiments can be obtained almost accurately by calculation when the etching process is not performed, and when the etching process is performed. However, it can be obtained by calculation with accuracy that does not hinder practical use.

この発明は、孤立電磁波コンセプトに従うことによって、高周波DC−DCコンバータに使用するパルストランスの設計や解析を非常に容易に行うことが可能にする。 The present invention makes it possible to design and analyze a pulse transformer used in a high-frequency DC-DC converter very easily by following the isolated electromagnetic wave concept.

この発明は、周波DC−DCコンバータに使用するパルストランスの、変換効率、信号品位(シグナルインテグリティ)、および電磁環境適合性(EMC)を、未熟な技術者でも容易に向上させることが出来る。 The present invention can easily improve conversion efficiency, signal quality (signal integrity), and electromagnetic environment compatibility (EMC) of a pulse transformer used for a frequency DC-DC converter even by an unskilled engineer.

また、本発明は、パルストランスの電磁シールド、並びにパルストランスを使用する機器のEMC対策部品や材料の使用を削減できるとともに、高速スイッチングパルスを印加するパルストランスに不可欠であったスナバや整合終端回路を不要とするので、機器の小型軽量化、製造コスト低減、設計期間短縮を可能にする。 In addition, the present invention can reduce the use of electromagnetic shielding parts of a pulse transformer, and EMC countermeasure parts and materials of equipment using the pulse transformer, and a snubber and a matching termination circuit that are indispensable for a pulse transformer that applies a high-speed switching pulse. This makes it possible to reduce the size and weight of the equipment, reduce manufacturing costs, and shorten the design period.

図1は、プッシュプル回路に関する等価回路の一例である。FIG. 1 is an example of an equivalent circuit related to a push-pull circuit. 図2は、負荷側の伝送線路上の電界波形と電位波形の一例である。FIG. 2 is an example of an electric field waveform and a potential waveform on the load-side transmission line. 図3は、電源供給側の伝送線路上の電界波形と電位波形の一例である。FIG. 3 is an example of an electric field waveform and a potential waveform on the transmission line on the power supply side. 図4は、伝送線路構造の一例である。FIG. 4 is an example of a transmission line structure. 図5は、損失パルストランスの断面構造の一例である。FIG. 5 is an example of a cross-sectional structure of the loss pulse transformer. 図6は、損失パルストランスの内部配線構造の一例である。FIG. 6 is an example of the internal wiring structure of the loss pulse transformer. 図7は、損失パルストランスの断面構造の他の一例である。FIG. 7 shows another example of the cross-sectional structure of the lossy pulse transformer. 図8は、印刷配線基板38の損失パルストランス搭載面の配線構造の一例である。FIG. 8 is an example of the wiring structure of the loss pulse transformer mounting surface of the printed wiring board 38. 図9は、図8のX−X’から見た印刷配線基板38の断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view of the printed wiring board 38 as viewed from X-X ′ in FIG. 8. 図10は、フォワード型スイッチング電源回路の一例である。FIG. 10 is an example of a forward type switching power supply circuit. 図11は、図10の伝送線路58上を進行する孤立電界波と、孤立電界波の尖頭部の包絡曲線の一例である。FIG. 11 is an example of an isolated electric field wave traveling on the transmission line 58 of FIG. 10 and an envelope curve of the cusp of the isolated electric field wave. 図12は、図10の伝送線路54上を進行する孤立電界波と、孤立電界波の尖頭部の包絡曲線の一例である。FIG. 12 is an example of an isolated electric field wave traveling on the transmission line 54 of FIG. 10 and an envelope curve of the cusp of the isolated electric field wave. 図13は、図10の伝送線路54上のA点の時間軸電位波形の一例である。FIG. 13 is an example of a time-axis potential waveform at point A on the transmission line 54 in FIG. 図14は、図10の伝送線路54上のB点の時間軸電位波形の一例である。FIG. 14 is an example of a time-axis potential waveform at point B on the transmission line 54 in FIG. 図15は、図10の伝送線路58上のC点の時間軸電位波形の一例である。FIG. 15 is an example of a time-axis potential waveform at point C on the transmission line 58 in FIG. 図16は、図10の伝送線路58上のD点の時間軸電位波形の一例である。FIG. 16 is an example of a time-axis potential waveform at point D on the transmission line 58 in FIG. 図17は、従来のパルストランスの断面構造の一例である。FIG. 17 is an example of a cross-sectional structure of a conventional pulse transformer. 図18は、試作した低インピーダンスを有する損失線路の構造の一例である。FIG. 18 is an example of the structure of a prototyped loss line having a low impedance. 図19は、試作した低インピーダンスを有する損失線路の透過 (S21) 特性の一例である。FIG. 19 is an example of transmission (S 21 ) characteristics of a prototyped loss line having low impedance.

符号の説明Explanation of symbols

1
プッシュプル回路
2
PチャネルMOS FET
3
、55 NチャネルMOS FET
4
、51 直流電源
5
、6、54、58、70 伝送線路
7
整合終端抵抗
8
、10、41、42 孤立電界波
9
、11、45、46、47、48 伝送線路上の電位波形
12
、52、53、56、57、68、69 導体
13
、98 絶縁体
14
、99 半導体
15
、92 巻枠
16
、93 磁心
17
、94 巻線
18
、91 樹脂
19
、20、21、22、23、24、25、26、27、28、31、32、33、34、35、61、62、63、64、65、73、74、95 端子
29
樹脂基板
30
樹脂箱
31
損失線路
38
印刷配線基板
43
孤立電界波の尖頭部の包絡曲線
59
、66、67 ダイオード
60
損失パルストランス
77
、78、79、80、83、84 ビア
81
、82 バカ穴
85
、88 導体層
86
絶縁体層
87
半導体層
89
ストリップ導体
90
グランドプレーン
96
導体
97
弁金属
100導電性接着剤
1
Push-pull circuit
2
P-channel MOS FET
Three
55 N-channel MOS FET
Four
51 DC power supply
Five
, 6,54,58,70 Transmission line
7
Matching termination resistor
8
, 10, 41, 42 Isolated electric wave
9
, 11, 45, 46, 47, 48 Potential waveform on the transmission line
12
, 52, 53, 56, 57, 68, 69 conductors
13
, 98 insulator
14
, 99 semiconductors
15
, 92 reel
16
, 93 magnetic core
17
94 windings
18
, 91 resin
19
, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 31, 32, 33, 34, 35, 61, 62, 63, 64, 65, 73, 74, 95 terminals
29
Resin substrate
30
Resin box
31
Lossy track
38
Printed wiring board
43
Envelope curve of the cusp of an isolated electric field wave
59
, 66, 67 Diode
60
Loss pulse transformer
77
78, 79, 80, 83, 84 Via
81
, 82 Stupid hole
85
88 conductor layers
86
Insulator layer
87
Semiconductor layer
89
Strip conductor
90
Ground plane
96
conductor
97
Valve metal
100 conductive adhesive

Claims (10)

スイッチング素子によって駆動される、少なくとも1つの1次巻線と少なくとも1つの2次巻線とを有するパルストランスにおいて、該パルストランスが、該パルストランスの1次巻線に、スイッチング素子の立ち上がり波形の最大傾斜部の接線を立ち上がり波形と見なして求める立ち上がり時間と円周率との積の逆数として求められる周波数で定義される実効周波数の電磁波を印加したときに、前記パルストランスの内部で前記電磁波の振幅を1/10以下に減衰させる能力を有する損失パルストランスとして設計されて成ることを特徴とする、パルストランス In a pulse transformer having at least one primary winding and at least one secondary winding driven by a switching element, the pulse transformer has a rising waveform of the switching element on a primary winding of the pulse transformer. When an electromagnetic wave having an effective frequency defined by a frequency obtained as a reciprocal of the product of the rising time and the circumference is obtained by regarding the tangent line of the maximum slope as a rising waveform, the electromagnetic wave is generated inside the pulse transformer. A pulse transformer characterized by being designed as a lossy pulse transformer having an ability to attenuate the amplitude to 1/10 or less. 請求項1記載の損失パルストランスにおいて、前記損失パルストランスを構成する巻線構造と外部接続端子とを接続する配線が、導体と、該導体表面に形成される絶縁体と、該絶縁体の表面に形成される半導体とで構成される損失線路、または、導体と、該導体表面に形成される前記半導体と、該半導体の表面に形成される絶縁体とで構成される損失線路であることを特徴とする、パルストランス The loss pulse transformer according to claim 1, wherein the wiring connecting the winding structure constituting the loss pulse transformer and the external connection terminal includes a conductor, an insulator formed on the conductor surface, and a surface of the insulator Or a loss line composed of a conductor, the semiconductor formed on the surface of the conductor, and an insulator formed on the surface of the semiconductor. Characteristic pulse transformer 請求項1から請求項2記載の損失パルストランスにおいて、前記損失パルストランスを構成する前記損失線路の長さが、10[mm]以上であることを特徴とする、パルストランス 3. The lossy pulse transformer according to claim 1, wherein a length of the loss line constituting the loss pulse transformer is 10 [mm] or more. 請求項1から請求項3記載の損失パルストランスにおいて、前記損失パルストランスを構成する前記損失線路の特性インピーダンスが、前記損失パルストランスを搭載する印刷配線基板の特性インピーダンスに±20%以内の精度で等しいことを特徴とするパルストランス 4. The loss pulse transformer according to claim 1, wherein the characteristic impedance of the loss line constituting the loss pulse transformer is within ± 20% of the characteristic impedance of a printed wiring board on which the loss pulse transformer is mounted. Pulse transformer characterized by equality 請求項1から請求項4記載の損失パルストランスにおいて、前記損失パルストランスを構成する前記損失線路が、半導体膜で覆われた2本の導体を柔軟性のある絶縁体樹脂中に埋め込んで形成されることを特徴とするパルストランス 5. The loss pulse transformer according to claim 1, wherein the loss line constituting the loss pulse transformer is formed by embedding two conductors covered with a semiconductor film in a flexible insulating resin. A pulse transformer characterized by 請求項1から請求項5記載の損失パルストランスにおいて、前記損失パルストランスを構成する前記損失線路が、2層の導体層の間に絶縁層と半導体層を有する印刷配線基板上に形成されることを特徴とするパルストランス 6. The loss pulse transformer according to claim 1, wherein the loss line constituting the loss pulse transformer is formed on a printed wiring board having an insulating layer and a semiconductor layer between two conductor layers. Pulse transformer featuring 請求項1から請求項6記載の損失パルストランスにおいて、前記半導体が、無機半導体または有機半導体であって10[S/m]以上の導電率を有するように設計されて成ることを特徴とする、パルストランス 7. The lossy pulse transformer according to claim 1, wherein the semiconductor is an inorganic semiconductor or an organic semiconductor and is designed to have a conductivity of 10 [S / m] or more. Pulse transformer 請求項1から請求項7記載の損失パルストランスにおいて、前記半導体が、ポリ(p−フェニレン)(22.7°)、またはポリ(p−フェニレンスルフィド)、またはカーボングラファイト、または二酸化マンガン、またはポリアセチレン、またはポリチオフェン、またはポリピロール、またはポリフェニレンビニレン、またはテトラチアフルバレン−テトラキノジメタン(TTF−TCNQ)であることを特徴とする、パルストランス 8. The lossy pulse transformer according to claim 1, wherein the semiconductor is poly (p-phenylene) (22.7 °), poly (p-phenylene sulfide), carbon graphite, manganese dioxide, or polyacetylene. , Or polythiophene, or polypyrrole, or polyphenylene vinylene, or tetrathiafulvalene-tetraquinodimethane (TTF-TCNQ) 請求項1から請求項8記載の損失パルストランスにおいて、前記半導体が、1015[cm-3]以上のリンをドーピングしたn型シリコン、1016[cm-3]以上のボロンをドーピングしたp型シリコン、または、不純物を混合した、アモルファスシリコン、またはアルミナ、またはジルコニア、またはカーバイド、またはニトライド、またはシリサイド、またはシリコンカーバイド、またはシリコンナイトライド、またはマグネシウムナイトライド、または酸化亜鉛であることを特徴とする、パルストランス 9. The loss pulse transformer according to claim 1, wherein the semiconductor is n-type silicon doped with phosphorus of 10 15 [cm −3 ] or more, p-type doped with boron of 10 16 [cm −3 ] or more. It is characterized by being silicon, or amorphous silicon mixed with impurities, or alumina, or zirconia, or carbide, or nitride, or silicide, or silicon carbide, or silicon nitride, or magnesium nitride, or zinc oxide. Pulse transformer 請求項1から請求項9記載の損失パルストランスにおいて、前記半導体が、請求項4から請求項6記載の半導体または最大長が100ナノメートル以下の前記半導体の粒子を混合した、樹脂であることを特徴とする、パルストランス
10. The lossy pulse transformer according to claim 1, wherein the semiconductor is a resin in which the semiconductor according to claim 4 or the semiconductor particles having a maximum length of 100 nanometers or less are mixed. Characteristic pulse transformer
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103745799A (en) * 2013-12-30 2014-04-23 芜湖国睿兆伏电子有限公司 Single-turn inductive pulse transformer
KR101551642B1 (en) 2014-09-25 2015-09-09 한국전기연구원 Method for preparing pulse transformer with optimized cross section
KR101551629B1 (en) 2014-09-25 2015-09-09 한국전기연구원 Method and system for preparing efficient pulse transformer
WO2016117373A1 (en) * 2015-01-23 2016-07-28 オリンパス株式会社 Medical apparatus

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103745799A (en) * 2013-12-30 2014-04-23 芜湖国睿兆伏电子有限公司 Single-turn inductive pulse transformer
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KR101551629B1 (en) 2014-09-25 2015-09-09 한국전기연구원 Method and system for preparing efficient pulse transformer
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