JP2010238777A - Dc−dcコンバータ - Google Patents

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Abstract

【課題】 DC−DCコンバータにおける平滑用コイルのインダクタンスを上げる。
【解決手段】 本発明のDC−DCコンバータは、第1および第2の平滑用コイルを有するDC−DCコンバータであって、コイル配線導体を有する複数の絶縁層と、該複数の絶縁層の間に設けられたフェライト磁性体層と、フェライト磁性体層の内部に設けられた、配線導体に電気的に接続される第1のコイル導体および第2のコイル導体とを有し、第1および第2のコイル導体は、巻き方向が同じであり、平面透視したときに、巻回部分の内側領域の少なくとも一部が重なっている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、DC−DCコンバータに関するものである。
従来、携帯電話機を始めとする移動体通信機器等の電子機器には、多数の電子装置が組み込まれている。このような携帯電話機等の通信機器は、近年小型化が急激に進んでおり、これに搭載される各種電子装置も小型化、薄型化が要求されている。
これに伴い、DC−DCコンバータ等の電源も小型化・薄型化が求められ、薄型のDC−DCコンバータの開発が進められている。
特開平9−84334号公報
しかしながら、特許文献1に記載されたDC−DCコンバータでは、平滑用コイルを平面方向に2つ並べて配置しているため、2つの平滑用コイルから生じる磁束の干渉により、各平滑用コイルのインダクタンスが低下する場合があった。
本発明の一態様によるDC−DCコンバータは、第1および第2の平滑用コイルを有するDC−DCコンバータであって、前記のコイル配線導体を有する複数の絶縁層と、該複数の絶縁層の間に設けられたフェライト磁性体層と、前記のフェライト磁性体層の内部に設けられた、前記の配線導体に電気的に接続される第1のコイル導体および第2のコイル導体とを有する。第1および第2のコイル導体は、巻き方向が同じであり、平面透視したときに、巻回部分の内側領域の少なくとも一部が重なっている。
本発明の一態様によるDC−DCコンバータによれば、平滑用コイルのインダクタンスを高くできる。
本発明のDC−DCコンバータの実施の形態の一例を示す断面図である。 図1のDC−DCコンバータの模式的な回路図である。 (a)は、図1のコイル内蔵基板の断面図、(b)は、フェライト磁性体層の平面透視図である。 (a)は、図2のDC−DCコンバータの第1の平滑用インダクタL1を流れる電流の波形図であり、(b)は、第2の平滑用インダクタL2を流れる電流の波形図である。 (a)は、コイル内蔵基板の変形例を示す断面図、(b)は、フェライト磁性体層の平面透視図である。 (a)は、本発明の第2の実施の形態によるDC−DCコンバータに用いられるコイル内蔵基板の断面図、(b)は、フェライト磁性体層の平面透視図である。 (a)は、本発明の第3の実施の形態によるDC−DCコンバータに用いられるコイル内蔵基板の断面図、(b)は、フェライト磁性体層の平面透視図である。 (a)は、本発明の第4の実施の形態によるDC−DCコンバータに用いられるコイル内蔵基板の断面図、(b)は、フェライト磁性体層の平面透視図である。
本発明のDC−DCコンバータを添付図面に基づいて以下に詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明のDC−DCコンバータの実施の形態の一例を示す断面図である。また、図2は、図1のDC−DCコンバータの構成を示す模式的な図である。図1,図2に示したDC−DCコンバータは、1入力2出力の降圧型DC−DCコンバータである。このような降圧型DC−DCコンバータでは、例えば、3.6Vの入力電圧を、0.9Vおよび1.2Vの2つの電圧に降圧して出力する。
図2に示すように、DC−DCコンバータは、入力電圧Vinを、コンバータ制御ICによって高周波交流電圧に変換し、これを平滑コンデンサC1,C2および平滑コイルL1,L2を有する平滑回路によって平滑することにより直流電圧に変換する。
図1に示すように、DC−DCコンバータは、コイル内蔵基板H1と、コイル内蔵基板H1の上面に実装された、平滑用コンデンサC1,C2として機能する容量素子100a,100bと、コイル内蔵基板H1の上面に実装されたコンバータ制御用IC110とを有する。コンバータ制御用IC110は、FET(Field Effect Transistor)等からなるスイッチ、及びそのスイッチを制御する回路を含む。
また、コイル内蔵基板H1の下面には、電極パッド121〜123が設けられる。電極パッド121は、入力端子、電極パッド122は、第1の出力端子、電極パッド123は、第2の出力端子として機能する。コイル内蔵基板H1は、外部配線基板130に実装され、電極パッド121,122,123は、外部配線基板130に設けられた配線と電気的に接続されている。
コイル内蔵基板H1は、2つの絶縁層1と、2つの絶縁層1の間に設けられたフェライト磁性体層2とを有する。フェライト磁性体層2の内部には、2つのコイル導体3a,3bが設けられている。また、絶縁層1の表面および内部には、配線導体6が設けられている。コイル導体3a,3bは、配線導体6に電気的に接続されている。なお、以下では、2つのコイル導体3a,3bを、第1のコイル導体3aおよび第2のコイル導体3bといい、これらを特に区別する必要がないときは、単にコイル導体3という。また、配線導体6は、電極パッド121,122,123も含む。
ここで、第1のコイル導体3aは、第1の平滑用インダクタL1として機能し、第2のコイル導体3bは、第2の平滑用インダクタL2として機能する。
図5は、コイル内蔵基板H1の構成例を示す図であり、(a)は断面図、(b)は、フェライト磁性体層2の平面透視図である。図5(a)におけるフェライト磁性体層の断面図は、図5(b)の一点鎖線A−Aにおける断面図と同一である。
第1および第2のコイル導体3a,3bは、絶縁層1とフェライト磁性体層2との配列方向(積層方向)Zにおいて異なる位置に設けられている。また、コイル内蔵基板H1を平面透視したとき、図5(b)に示すように、第2のコイル導体3bが、第1のコイル導体3aを取り囲んでいる。
さらに、コイル内蔵基板H1では、第1および第2のコイル導体3a,3bの巻き方向が同じである。これにより、コイル内蔵基板H2を動作させたとき、第1および第2のコイル導体3a,3bには、同じ方向に電流が流れる。
ここで、コイル導体の巻き方向とは、DC−DCコンバータを動作させたとき、コイル導体に電流が流れる方向をいう。なお、コイル導体3の2つの端部が上記配列方向Zに沿って異なる位置にあり、上記配列方向Zに沿って絶縁層1側にある端部を第1端部とし、フェライト磁性体層2側にある端部を第2端部とするとき、通常、コンバータ制御用IC110および平滑用コンデンサ10a,10bは、コイル内蔵基板H2の同じ面に実装されるため、コイルの巻き方向とは、第1端部から第2端部まで、および第2端部から第1端部までのいずれか1つの決められた方向にコイル導体が巻かれる方向をいう。なお、コイル導体の端部とは、フェライト磁性体層2と絶縁層1との境界部分に位置し、絶縁層1の内部の配線に電気的に接続される部分をいう。
この構成によれば、第1のコイル導体3aで発生した磁束と第2のコイル導体3bで発生した磁束とを同一方向に干渉させることが可能になり、各コイル導体3a,3bについて、単独で用いるときよりも、より高いインダクタンスを得ることができる。
また、このようなコイル導体3a,3bを用いれば、コイル導体3a,3bを平面方向に並べて用いるときよりも、コイル導体3a,3bのそれぞれについて高いインダクタンスを得ることできるため、同じインダクタンスを得る場合に、コイル導体3a,3bの巻き数を減らすことができ、基板の厚みを薄くできる。
図4は、図2のDC−DCコンバータの平滑用インダクタに流れる電流を示す波形図であり、(a)は、第1の平滑用インダクタL1を流れる電流の波形を示し、(b)は、第2の平滑用インダクタL2を流れる電流の波形を示す。
図2のDC−DCコンバータでは、出力側の負荷(RL)に流れる電流のオン・オフを繰り返すことにより、負荷に必要なエネルギーを供給する。図4において、電流波形は三角波であり、立ち上がりがオン、立ち下りがオフを示す。
ここで、図1に示すように、コイル内蔵基板H1において、第2のコイル導体3bが、第1のコイル導体3aを取り囲んでいることから、第1のコイル導体3aから発生した磁束と第2コイル導体3bから発生した磁束とが同一方向に干渉する。これは、図2において、点線で囲んで示すように、2つの平滑用インダクタL1,L2が干渉していることを意味する。
図4において、実線は、図2の平滑用インダクタL1,L2を流れる電流の波形を示し、点線は、2つのコイル導体が同一平面上に並んで配置されている場合の平滑用インダクタを流れる電流の波形を示している。
図4(a),(b)においては、実線の電流値が点線の電流値より大きくなっている。これは、2つの平滑用インダクタL1,L2の磁束の干渉による。すなわち、平滑用インダクタL2から発生した磁力線により、平滑用インダクタL1に流れる電流が生じ、その分平滑用インダクタL1を流れる電流が増加する(I1)。また、平滑用インダクタL1から発生した磁力線により、インダクタL2に流れる電流が生じ、その分平滑用インダクタL2を流れる電流が増加する(I2)。
このように、2つの平滑用インダクタL1,L2の磁束を干渉させることにより、各平滑用インダクタL1,L2のインダクタンスを高くすることができる。これにより、平滑用インダクタL1,L2に流れる電流のオンおよびオフに必要なエネルギーをお互いに補完することができ、DC−DCコンバータにおいて使用するエネルギー量を抑えることが可能になる。
また、第1のコイル導体3a及び第2のコイル導体3bは、絶縁層1とフェライト磁性体層2との配列方向Zにおいて異なる位置に設けられているため、第1のコイル導体3aおよび第2のコイル導体3bの一方が磁気飽和を起こしても他方がその影響を受けにくい。
この場合の第1のコイル導体3aと第2のコイル導体3bとの間隔は、第1のコイル導体3aで発生した磁束と第2のコイル導体3bで発生した磁束を強く干渉させることから、できるだけ小さくすることが好ましい。しかし、第1のコイル導体3aと第2のコイル導体3bとの間の電気的絶縁性を確保する必要があることから、その間隔は、10μm程度以上であることが好ましい。
絶縁層1は、その表面や内部に形成される配線導体6、フェライト磁性体層2、および第1および第2のコイル導体3a,3bとともに、800〜1000℃の温度で同時焼成された絶縁体粉末の焼結体から成るものである。内部に形成される配線導体6のインダクタンスが高くなることを抑制するという観点からは、非磁性フェライトやガラスセラミックス等の非磁性絶縁体から成るものが好ましい。絶縁層1は、絶縁体粉末および有機バインダを主成分とする絶縁層用グリーンシートを製作し、この絶縁層用グリーンシートを必要な配線展開ができるだけの枚数積層した後、800〜1000℃の温度で焼成することにより作製される。
絶縁層1が非磁性フェライトから成る場合は、Zn系フェライト若しくはCu系フェライトを用いればよい。中でも、X−Fe(XはCu,Zn)として示される正スピネル構造の固溶体であるCu−Zn系フェライトが好適である。
絶縁層1がガラスセラミックスから成る場合は、絶縁体粉末は上記のようなガラスの粉末とフィラー粉末との混合物の焼結体から成り、フィラー粉末としては、例えばAl,SiO,ZrOとアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物、TiOとアルカリ土類金属酸化物との複合酸化物,AlおよびSiOから選ばれる少なくとも1種を含む複合酸化物(例えばスピネル,ムライト,コージェライト)等のセラミック粉末が挙げられる。
フェライト磁性体層2は、第1のコイル導体3a及び第2のコイル導体3bの上下面を覆うようにして設けられている。フェライト磁性体層2は、磁束を安定させるという観点からは同一の組成であることが望ましく、その場合は主成分の組成を、焼結体としてFeを63〜73質量%、CuOを5〜10質量%、NiOを5〜12質量%、ZnOを10〜23質量%とすると、1000℃以下の低温で焼結密度5.0g/cm以上の高密度焼成が可能であり、かつ、高周波帯域で十分に高い透磁率を得ることができるので好ましい。
フェライト磁性体層2の形成は、まずフェライト粉末に適当な有機バインダ,可塑剤,有機溶剤等を混合してスラリーを得て、これからドクターブレード法、圧延法、若しくはカレンダーロール法等によってフェライトグリーンシートを製作する。次に、このフェライトグリーンシートを所定の第1および第2のコイル導体3a,3bを覆うものとして絶縁層用グリーンシートと平面透視で同じ大きさの同形状にカットし、これらのフェライトグリーンシートの間に、第1および第2のコイル導体3a,3bとなる導体パターンを形成する。
フェライト磁性体層2となるフェライトグリーンシートを形成するのに用いるフェライト粉末は、仮焼済みのフェライト粉末であり、平均粒径が0.1μm〜0.9μmの範囲で均一であり、球形状に近い粒が望ましい。これは、平均粒径が0.1μmより大きいと、フェライトグリーンシートの製作においてフェライト粉末の均一な分散が容易であり、平均粒径が0.9μmより小さいとフェライトの焼結温度が高くなりにくいためである。また、粒径が均一で球状に近いことにより、均一な焼結状態を得ることができる。例えばフェライト粉末の粒径が均一で球状に近い場合は、部分的に結晶粒の成長が低下することを抑制でき、焼結後に得られるフェライト磁性体層2の透磁率が安定しやすい。
メタライズ配線層から成るコイル導体3は、フェライト磁性体層2に上下面を覆われるように埋設されており、Cu,Ag,Au,Ag合金等の金属粉末に、適当な有機バインダおよび溶剤を混練して作製した導体ペーストを、スクリーン印刷法若しくはグラビア印刷法等によりフェライトグリーンシートの表面に塗布し、セラミックグリーンシートおよびフェライトグリーンシートと同時焼成されて形成される。
また、第1のコイル導体3aおよび第2のコイル導体3bの間隔が100μm以下であることが好ましい。100μm以下であると、洩れ磁束を十分低減することができる。コイル用導体パターン間に生じる洩れ磁束を抑えることで、より大きな磁界が形成され、大きなインダクタンスを発生させることができる。
なお、絶縁層3に設けられる配線導体6のうち、例えば、半導体チップのバンプ等と接続される搭載用電極6b、および外部配線基板130の配線導体等が接続される電極パッド121,122,123は、Cu,Ag,Au,Ag合金等の金属粉末に、適当な有機バインダおよび溶剤を混練して作製した導体ペーストを、スクリーン印刷法若しくはグラビア印刷法等により絶縁層用グリーンシートの表面に塗布しておくことによって、絶縁層1の上面および下面の少なくとも一方に形成することができる。
また、搭載用電極6bは、半田等による半導体チップやチップ部品,外部電気回路の配線導体との接合を強固なものにするために、その表面にニッケル層および金層をメッキ法により順次被着するとよい。
また、絶縁層3に設けられる配線導体6のうち、例えば、絶縁層1の内部に設けられる配線層6aは、Cu,Ag,Au,Ag合金等の金属粉末に適当な有機バインダおよび溶剤を混練して作製した導体ペーストを、スクリーン印刷法やグラビア印刷法等により絶縁層用グリーンシートの表面に印刷して形成される。
また、貫通導体6cは、絶縁層用グリーンシート又はフェライト磁性体層2となるフェライトグリーンシートにパンチング加工若しくはレーザ加工等により貫通孔を形成し、この貫通孔にCu,Ag,Au,Ag合金等の金属粉末に適当な有機バインダおよび溶剤を混練して作製した導体ペーストを、印刷若しくはプレス充填等の埋め込み手段によって充填することにより形成できる。
なお、上述の説明では、第2コイル導体3bが、第1コイル導体3aを取り囲んでいるため、第1のコイル導体3aから発生した磁束と第2コイル導体3bから発生した磁束とを、同一方向に強く干渉させることができるが、図5のように、第1のコイル導体3aの巻回部分の内側領域S1および第2のコイル導体3aの巻回部分内側領域の一部同士が重なっている場合にも、磁束を干渉させることができるため、各平滑用コイルL1,L2のインダクタンスを高くできる。ここで、コイル導体3の巻回部分の内側領域とは、コイル内蔵基板H1を平面透視したとき、すなわちコイル導体3を平面透視したときに、最も内側を周回する部分によって囲まれる領域をいう。
また、図1〜図4に示した例では、2つのコイル導体を用いたが、3以上のコイル導体を用いた場合でも、巻回部分の内側領域(以下、単に「内側領域」ともいう。)の面積が大きい第2のコイル導体3bが、内側領域の面積が小さい第1のコイル導体3aを取り囲むように、複数のコイル導体を配置すれば、同様の効果が得られる。
また、コイル内蔵基板を平面透視したときに、第1および第2のコイル導体3a,3bが、巻回部分全体に渡って重なっていてもよい。図6(a)はこの場合のコイル内蔵基板の断面図、(b)は、フェライト磁性体層の平面透視図である。なお、図6(a)におけるフェライト磁性体層の断面図は、図6(b)の一点鎖線C−Cにおける断面図と同一である。
この構成によれば、第1のコイル導体3aから発生した磁束と第2コイル導体3bから発生した磁束とが完全に若しくはほぼ一致し、両磁束を同一方向にさらに強く干渉させることができる。よって、平滑用インダクタL1,L2のインダクタンスもより高くできる。
次に、第2〜第3の実施の形態によるDC−DCコンバータについて説明する。なお、これらの実施の形態において、第1の実施の形態によるDC−DCコンバータと異なる点は、コイル内蔵基板の構成のみであるため、DC−DCコンバータのその他の構成については、図示および説明を省略する。
(第2の実施の形態)
図7は、本発明の第2の実施の形態によるDC−DCコンバータのコイル内蔵基板の構成例を示す図であり、(a)はコイル内蔵基板の断面図、(b)は、フェライト磁性体層の平面透視図である。なお、図7(a)におけるフェライト磁性体層の断面図は、図7(b)の一点鎖線D−Dにおける断面図と同一である。また、図5−図6のコイル内蔵基板H2−H3と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施によるコイル内蔵基板H4が、第1の実施の形態によるコイル内蔵基板H2と異なる点は、第1および第2のコイル導体3a,3bが、絶縁層1とフェライト磁性体層2との配列方向Zに沿った中心軸を有し、コイル導体3aの巻回部分とコイル導体3bの巻回部分とがその中心軸に沿って交互に配列されている点である。
このような構成では、第1のコイル導体3aの巻回部分と第2のコイル導体3bの巻回部分とが隣り合っていることから、第1のコイル導体3a及び第2のコイル導体3bの距離を近づけることができるため、第1のコイル導体3aから発生した磁束と第2コイル導体3bから発生した磁束とを、同一方向に、図6のコイル内蔵基板H3よりも強く干渉させることができる。
(第3の実施の形態)
図8は、本発明の第3の実施の形態によるDC−DCコンバータのコイル内蔵基板の構成例を示す図であり、(a)はコイル内蔵基板の断面図、(b)は、フェライト磁性体層の平面透視図である。なお、図8(a)におけるフェライト磁性体層の断面図は、図8(b)の一点鎖線E−Eにおける断面図と同一である。また、図5−図7のコイル内蔵基板H2−H4と同一の構成には同一の符号を付し、説明を省略する。
本実施によるコイル内蔵基板H5が、実施の形態1によるコイル内蔵基板H1と異なる点は、コイル導体3a,3bが、絶縁層1とフェライト磁性体層2との配列方向Zにおいて同じ位置にあり、内側領域の面積が大きいコイル導体3bは、内側領域の面積が小さいコイル導体3aを取り囲むように設けられている点である。
本実施の形態によるコイル内蔵基板H5によれば、第1のコイル導体3aから発生した磁束と第2コイル導体3bから発生した磁束とを、同一方向に、強く干渉させることができる。
また、コイル内蔵基板H5では、第1のコイル導体3aと第2のコイル導体3bを同一層内に形成しているため、第1および第2のコイル導体3a,3bを密に巻くことが可能になり、より高いインダクタンスを得ることができる。さらに、第1のコイル導体3aと第2のコイル導体3bを同一層内に形成しているため、コイル内蔵セラミック基板を薄型化することができる。
1・・・絶縁層
2・・・フェライト磁性体層
3a・・・第1のコイル導体
3b・・・第2のコイル導体
6・・・配線導体
7・・・内部配線層
100a,100b・・・平滑用コンデンサ
110・・・コンバータ制御用IC

Claims (6)

  1. 第1および第2の平滑用コイルを有するDC−DCコンバータであって、
    配線導体を有する複数の絶縁層と、該複数の絶縁層の間に設けられたフェライト磁性体層と、前記フェライト磁性体層の内部に設けられた、前記配線導体に電気的に接続される第1のコイル導体および第2のコイル導体とを有し、
    前記第1および第2のコイル導体は、巻き方向が同じであり、平面透視したときに、巻回部分の内側領域の少なくとも一部が重なっているDC−DCコンバータ。
  2. 前記第1および第2のコイル導体は、前記絶縁層と前記フェライト磁性体層との積層方向において同じ位置にあり、
    前記第1および第2コイル導体の一方は、前記第1および第2コイル導体の他方を取り囲んでいる請求項1に記載のDC−DCコンバータ。
  3. 前記第1および第2のコイル導体は、前記絶縁層と前記フェライト磁性体層との積層方向において異なる位置にあり、
    平面透視したときに、前記第1および第2コイル導体の一方は、前記第1および第2コイル導体の他方を取り囲んでいる請求項1に記載のDC−DCコンバータ。
  4. 前記第1および第2のコイル導体は、前記絶縁層と前記フェライト磁性体層との積層方向において同じ位置にあり、
    前記第1および第2のコイル導体は、平面透視したときに、前記巻回部分全体に渡って重なっている請求項1に記載のDC−DCコンバータ。
  5. 前記第1および前記第2のコイル導体は、前記絶縁層と前記フェライト磁性体層との積層方向に沿った中心軸の周囲をそれぞれ周回しており、前記第1コイル導体の巻回部分および前記第2コイル導体の巻回部分は、前記中心軸に沿って交互に配列されている請求項1に記載のDC−DCコンバータ。
  6. 前記コイル内蔵基板に実装された、前記第1のコイル導体および前記第2のコイル導体に前記配線導体を介して電気的に接続される第1の平滑用コンデンサおよび第2の平滑用コンデンサを有する請求項1から請求項5のいずれかに記載のDC−DCコンバータ。
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