JP2013004683A - Power converter of printed board - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide current control and voltage control of high precision.SOLUTION: A power conversion circuit includes a first switch containing a main terminal, a reference terminal, and a control terminal, a second switch or a rectifier, at least one input-side capacitor and output-side capacitor respectively, as well as an inductor. The circuit utilizes voltage generated by current between a mutual connection point and a reference potential, an output, or an input, for controlling or protecting the output. A printed board is employed which has a structure being separated by an air gap, such that a conductor on the printed board which is jointed to a side that is not a mutual connection point among elements at which the voltage occurs, is not connected by the shortest distance to a conductor jointed to a terminal of an input capacitor or an output capacitor connected to any one of a reference potential, an input, and an output, to be the same potential of the conductor on a circuit diagram.

Description

本発明は印刷基板を用いた電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device using a printed board.

ある電圧源からべつの電圧を生成する電力変換回路は、半導体技術の進歩に伴って多大な研究開発が行われるようになってきた。 A great deal of research and development has been conducted on the power conversion circuit that generates another voltage from a certain voltage source as the semiconductor technology advances.

なかでも半導体等のスイッチと、インダクタを利用した回路は、直流−直流、直流−交流、交流−直流、交流−交流等、さまざまな電圧変換に用いられている。
回路形式は無数に存在し、非絶縁型チョッパー方式の代表的なものだけを挙げてもBUCK、BUCK−BOOST、BOOSTなどが、電圧の反転、降圧、昇圧などの目的で頻繁に用いられている。
Among them, a switch using a semiconductor or the like and a circuit using an inductor are used for various voltage conversions such as DC-DC, DC-AC, AC-DC, AC-AC.
There are an infinite number of circuit types, and even if only typical ones of non-insulated chopper methods are cited, BUCK, BUCK-BOOST, BOOST, etc. are frequently used for the purpose of voltage inversion, step-down, step-up, etc. .

ほとんど同じ回路はインバータやモータ制御でも頻繁に用いられている。
たとえば制御目標電圧を直流ではない時間変動する任意の波形、たとえば正弦波とすることによって、BUCK型回路は、そのまま正弦波出力のインバータとして用いられている。
Almost the same circuit is frequently used in inverter and motor control.
For example, the BUCK type circuit is used as an inverter of a sine wave output as it is by making the control target voltage an arbitrary waveform that is not direct current and fluctuates over time, for example, a sine wave.

たとえばBUCK型直流−直流降圧回路のスイッチ部分だけを二回路用意すれば単相交流、三回路用意して2/3πの位相差を持たせたものが三相インバータであるが、たいてい負荷インダクタンスや寄生インダクタンスを伴うため、実質的に同一の回路といえる。 For example, if only two switch parts of a BUCK type DC-DC step-down circuit are prepared, a three-phase inverter is a single-phase AC, three-circuit with a 2 / 3π phase difference. Since the parasitic inductance is involved, it can be said that the circuits are substantially the same.

この回路の負荷に電動機ではなくてスピーカを想定したものはD級増幅器とよばれており、負荷の違いによって呼称が異なるだけである。 What assumes a speaker instead of an electric motor as a load of this circuit is called a class D amplifier, and the name only differs depending on the load.

また、BOOST回路は、交流入力から直流を生成する回路の力率改善回路(PFC)の一部としても用いられている。 The BOOST circuit is also used as a part of a power factor correction circuit (PFC) of a circuit that generates a direct current from an alternating current input.

この種の回路では、回路図だけでなく、印刷基板の形状や位置関係によって性能が大きな影響をうけるため、印刷基板や部品配置にかかわる特許出願も数多く行われてきた。 In this type of circuit, performance is greatly affected not only by the circuit diagram but also by the shape and positional relationship of the printed circuit board, so many patent applications relating to the printed circuit board and component arrangement have been filed.

たとえば、特許文献1には、主端子、制御端子と基準端子と有するスイッチング素子を片面に置き、その基準端子を、貫通穴を介してその反対面の制御素子の基準電圧端子と接続することでスイッチング素子の誤作動を防止するような、印刷基板上へのMOSFETの置き方が開示されている。 For example, in Patent Document 1, a switching element having a main terminal, a control terminal, and a reference terminal is placed on one side, and the reference terminal is connected to the reference voltage terminal of the control element on the opposite side via a through hole. A method of placing a MOSFET on a printed circuit board that prevents malfunction of the switching element is disclosed.

また、特許文献2には、印刷基板の導体箔パターンを、コイル巻き線と検出抵抗の間に設けることにより、電圧検出抵抗への電磁ノイズの侵入を遮断する方法が開示されている。 Patent Document 2 discloses a method of blocking electromagnetic noise from entering a voltage detection resistor by providing a conductive foil pattern of a printed board between a coil winding and a detection resistor.

特許文献3では、印刷回路にスパイラルパターンを形成し、その寄生インダクタンス利用してリンギング抑制を図る発明が開示されている。 Patent Document 3 discloses an invention in which a spiral pattern is formed on a printed circuit and ringing is suppressed by using the parasitic inductance.

特許文献4では、インバータ装置等における配線インダクタンスを小さくしてスナバ回路の発熱を抑制することができるパワー配線基板があげられている。 Patent Document 4 discloses a power wiring board that can reduce the wiring inductance in an inverter device or the like and suppress the heat generation of the snubber circuit.

以上のように、変換回路を印刷基板に形成する方法は、非常に基本的で、利用範囲の広い回路である。そのため、設計の基本方針はほとんど確立している。 As described above, the method of forming the conversion circuit on the printed board is a very basic circuit with a wide range of use. Therefore, the basic design policy is almost established.

それらの方針は新規性を有しないため、制御用半導体の製造会社が、顧客に対して印刷基板の最良の設計例を提供することが一般的である。 Since these policies are not novel, it is common for control semiconductor manufacturers to provide customers with the best design examples of printed circuit boards.

特に、BUCK型直流−直流降圧回路の制御用半導体は最も高周波数化、小型化や高効率化が進展して厳しい設計条件となっている分野であり、制御用半導体製造会社の示す最良の設計例が事実上の標準となっている。 In particular, control semiconductors for BUCK type DC-DC step-down circuits are in the field where design conditions are severe due to the progress of higher frequency, smaller size and higher efficiency. Examples have become the de facto standard.

たとえば、非特許文献1の48頁41図が最も代表的なものである。
この例では、入力コンデンサの基準電位の端子と、第二のスイッチの基準電位の端子が、実質的に隣接配置され、印刷基板の表側に形成された太い銅箔によって最短距離で結合されている。
For example, Non-Patent Document 1, page 48, page 41, is the most typical one.
In this example, the reference potential terminal of the input capacitor and the reference potential terminal of the second switch are arranged substantially adjacent to each other and are coupled at the shortest distance by a thick copper foil formed on the front side of the printed board. .

最良の設計例を与えるための指針は、回路図として与えられることも多い。
たとえば、非特許文献2の27頁12図のように、最短距離の導体で連結せよという指示が常識である。
Guidance for giving the best design example is often given as a circuit diagram.
For example, as in Non-Patent Document 2, page 27, FIG. 12, an instruction to connect with a conductor having the shortest distance is common sense.

この条件は、特に2出力以上の直流−直流の変換回路では部分的に満たし難くなることがあるが、それでも26頁1項のように、第一のスイッチと、入力側コンデンサを1cm以下で接続せよと指示している。 This condition may be difficult to meet in particular in a DC-DC converter circuit with two or more outputs, but the first switch and the input side capacitor are still connected to 1 cm or less as described in section 1 on page 26. I'm telling you.

2項では、第一のスイッチと、整流器と、入力側コンデンサを結ぶ導体の距離を短くせよと指示している。 In item 2, it is instructed to shorten the distance of the conductor connecting the first switch, the rectifier, and the input side capacitor.

非特許文献3の25頁43図には、第一のスイッチと、第二のスイッチまたは整流器を同一のSO−8型表面実装パッケージに封入した複合部品を用いた例が開示されている。 Non-Patent Document 3, page 25, 43 discloses an example using a composite part in which a first switch and a second switch or rectifier are enclosed in the same SO-8 type surface mount package.

この例は、同電位となる各端子が隣接するようにして、事実上ゼロ距離で接続されており、従来の技術的指針において最良とされるものである。 In this example, the terminals having the same potential are adjacently connected at zero distance, which is the best in the conventional technical guidelines.

特開2009−177040(P2009−177040A)JP2009-177040A (P2009-177040A)

特開2002−136142(P2002−136142A)JP2002-136142A (P2002-136142A)

特開2009−207350(P2009−207350A)JP2009-207350A (P2009-207350A)


特願平3−293654Japanese Patent Application No. 3-293654

"PM6685Datasheet", [online] , ST Microelectronics, 2007-10-18,Retrievedfrom the Internet:<URL:http://www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00068881.pdf>."PM6685Datasheet", [online], ST Microelectronics, 2007-10-18, Retrievedfrom the Internet: <URL: http: //www.st.com/internet/com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASHEET/CD00068881.pdf>.

"LTC3853- Triple Output, Multiphase Synchronous Step-Down Controller",[online] ,Linear Technology Corporation, 2010-12,Retrieved from the Internet:<URL:http://cds.linear.com/docs/Datasheet/3853fa.pdf>."LTC3853- Triple Output, Multiphase Synchronous Step-Down Controller", [online], Linear Technology Corporation, 2010-12, Retrieved from the Internet: <URL: http: //cds.linear.com/docs/Datasheet/3853fa. pdf>.

"ISL6227Datasheet", [online] ,Intersil Americas Inc,2009-04-09,Retrieved from theInternet:<URL:http://www.intersil.com/data/fn/fn9094.pdf>."ISL6227Datasheet", [online], Intersil Americas Inc, 2009-04-09, Retrieved from theInternet: <URL: http: //www.intersil.com/data/fn/fn9094.pdf>.

非特許文献1の配置では、制御端子を、PWM制御半導体と結合する際に、印刷基板の別の層を経由して接続する必要がある。 In the arrangement of Non-Patent Document 1, it is necessary to connect the control terminal via another layer of the printed circuit board when coupled with the PWM control semiconductor.

別の層に接続するためには貫通穴が用いられるが、これは寄生インダクタンスと抵抗をともなうため、第一のスイッチと、第二のスイッチの動作速度を低下させ、損失の増大を生じる。 A through hole is used to connect to another layer, but this involves parasitic inductance and resistance, which reduces the operating speed of the first switch and the second switch, resulting in increased loss.

非特許文献3の配置であれば、この問題は生じない。 With the arrangement of Non-Patent Document 3, this problem does not occur.

非特許文献3の配置をもとに、第一のスイッチと、第二のスイッチを別のSO−8型表面実装パッケージとして作図しなおした例が図1であり、有用かつ確立した従来技術である。 FIG. 1 shows an example in which the first switch and the second switch are redrawn as separate SO-8 type surface mount packages based on the arrangement of Non-Patent Document 3, which is a useful and established prior art. is there.

いっぽう発明者は鋭意検討の結果、この配置に伴う限界を見出した。 On the other hand, as a result of intensive studies, the inventor found a limit associated with this arrangement.

近年の素子技術の進歩にしたがって、損失をもたらす抵抗成分の低減が進み、相互接続点と基準電位または出力または入力間の電流によって生じる電圧が微小になっている。 With the recent progress of device technology, the resistance component causing loss has been reduced, and the voltage generated by the current between the interconnection point and the reference potential or the output or input has become minute.

いっぽう、あらゆる導体上には、回路上を流れるさまざまな電流に由来する雑音電圧が生じるが、これは導体の配置に依存するため、同じ配置であれば、ほとんど一定である。 On the other hand, a noise voltage derived from various currents flowing on the circuit is generated on every conductor, and this depends on the arrangement of the conductors. Therefore, the same arrangement is almost constant.

このため、従来の配置では相互接続点と基準電位または出力または入力間の電流によって生じる電圧が微小になるにしたがって、電流の検出誤差が増大するのである。 For this reason, in the conventional arrangement, the current detection error increases as the voltage generated by the current between the interconnection point and the reference potential or the output or input becomes smaller.

これを解決しなければ、低損失化に伴って設計が難しくなるという課題を見出した。 If this was not solved, the subject that the design became difficult with the reduction in loss was discovered.

そして、回路上を流れるさまざまな電流に由来する雑音電圧が、電流の検出に影響を与えないような導体の配置を、長い試行錯誤の末に見出すに至った。 Then, after a long trial and error, a conductor arrangement in which the noise voltage derived from various currents flowing on the circuit does not affect the detection of the current has been found.

本発明は、素子の抵抗成分の低減や低損失化を進めても電流の検出誤差を増大させないための配置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an arrangement for preventing an increase in current detection error even if the resistance component of the element is reduced or the loss is reduced.

上記の目的を達成するため、発明者は課題を生じない配置が存在しないか、鋭意検討を行った結果、優れた配置を見出すにいたった。 In order to achieve the above object, the inventor has conducted extensive studies to determine whether there is an arrangement that does not cause a problem, and as a result, has found an excellent arrangement.

本発明における装置にあっては、第一の手段として、電力変換回路であって、電流検出に利用する素子の安定電位側導体パターンと、同電位の平滑コンデンサ端子側導体パターンの間を分断するように、空隙を形成したものである。 In the apparatus according to the present invention, as a first means, a power conversion circuit, which divides between a stable potential side conductor pattern of an element used for current detection and a smoothing capacitor terminal side conductor pattern of the same potential. In this way, voids are formed.

この電力変換回路では、電流検出を行うことでさまざまな効用を生じている。たとえば、電流によって生じる電圧を利用した出力の制御や保護を行う。 In this power conversion circuit, various effects are generated by performing current detection. For example, output control or protection is performed using a voltage generated by current.

この電力変換回路は、典型的には印刷基板上の回路である。 This power conversion circuit is typically a circuit on a printed circuit board.

この電力変換回路は、主端子と基準端子と制御端子を有する第一のスイッチと、主端子と基準端子と制御端子を有する第二のスイッチまたは主端子と基準端子を有する整流器と、インダクタを持つものが代表的である。 The power conversion circuit includes a first switch having a main terminal, a reference terminal, and a control terminal, a second switch having a main terminal, a reference terminal, and a control terminal, or a rectifier having a main terminal and a reference terminal, and an inductor. Things are typical.

さらに、平滑コンデンサとして入力側コンデンサと出力側コンデンサを持つものが代表的である。 Further, a smoothing capacitor having an input side capacitor and an output side capacitor is typical.

このような回路では、電流検出に利用する素子の安定電位側導体パターンと、同電位の平滑コンデンサ端子側導体パターンが最短距離、たとえば隣接していることが、ノイズや効率の面で有利であるが、これに限定されない。 In such a circuit, it is advantageous in terms of noise and efficiency that the stable potential side conductor pattern of the element used for current detection and the smoothing capacitor terminal side conductor pattern of the same potential are adjacent to each other, for example, in the shortest distance. However, it is not limited to this.

第一のスイッチの主端子または基準端子のいずれか一方と、第二のスイッチまたは整流器の主端子または基準端子のいずれか一方と、インダクタのいずれか一方の端子が相互接続点に導体で接続されたものが典型的であるがこれに限定されない。 Either the main terminal or reference terminal of the first switch, one of the main terminal or reference terminal of the second switch or rectifier, and one of the inductor terminals are connected to the interconnection point with a conductor. However, the present invention is not limited to this.

入力が第一のスイッチの主端子または基準端子あるいは、第二のスイッチまたは整流器の主端子または基準端子、あるいはインダクタの端子より選ばれるいずれかの端子と接続されたものが典型的であるがこれに限定されない。 Typically, the input is connected to the main terminal or reference terminal of the first switch, the main terminal or reference terminal of the second switch or rectifier, or any terminal selected from the terminals of the inductor. It is not limited to.

入力と接続されていない残りのスイッチまたは整流器の主端子または基準端子またはインダクタの端子のひとつが、基準電位と導体で接続されたものが典型的であるがこれに限定されない。 Typically, but not limited to, one of the main terminal or reference terminal or inductor terminal of the remaining switch or rectifier not connected to the input is connected to the reference potential by a conductor.

残る最後の主端子または基準端子またはインダクタの端子が出力に接続されたものが典型的であるがこれに限定されない。 The remaining main terminal or reference terminal or inductor terminal is typically connected to the output, but is not limited thereto.

入力側コンデンサが基準電位と入力に接続され、出力側コンデンサが基準電位と出力に接続されたものが典型的であるがこれに限定されない。 Typically, the input side capacitor is connected to the reference potential and the input, and the output side capacitor is connected to the reference potential and the output. However, the present invention is not limited to this.

また、基準電位または出力または入力より選ばれる一つの安定電位を有する。 Also, it has one stable potential selected from a reference potential or an output or input.

電力変換回路は、この安定電位と相互接続点との間の電流によって生じる電圧を利用して、出力の制御や保護を行う。 The power conversion circuit controls and protects the output using the voltage generated by the current between the stable potential and the interconnection point.

また、この電圧は、スイッチまたは整流器またはインダクタまたは電流経路上のその他の素子または寄生素子のインピーダンスや抵抗成分によって生じるものである。 This voltage is also generated by the impedance or resistance component of the switch or rectifier or inductor or other element or parasitic element on the current path.

前記電圧の生じている素子の安定電位側と接合された印刷基板の導体パターンと、回路図上は同電位の安定電位となるべき平滑コンデンサの端子と接合された印刷基板の導体パターンが、最短距離で結合されないように、空隙によって分断された構造を有する。 The conductor pattern of the printed circuit board joined to the stable potential side of the element where the voltage is generated and the conductor pattern of the printed circuit board joined to the terminal of the smoothing capacitor to be the stable potential of the same potential on the circuit diagram are the shortest. It has a structure separated by voids so as not to be coupled at a distance.

電流によって生じる電圧が微小であるいっぽう、電力変換回路にはスイッチングに伴う雑音電圧が多数存在するため、この微弱信号に影響を与える雑音電圧の経路を特定することは容易ではない。 On the other hand, since the voltage generated by the current is very small, there are many noise voltages associated with switching in the power conversion circuit. Therefore, it is not easy to specify the path of the noise voltage that affects the weak signal.

しかし、本発明の構成が有効であることから逆に推察するに、平滑コンデンサの端子に流れる電流が悪影響を与えており、それを空隙によって遮断することが作用していると考えられる。 However, conversely from the fact that the configuration of the present invention is effective, the current flowing through the terminals of the smoothing capacitor has an adverse effect, and it is considered that blocking it by the air gap acts.

第二の手段として、第一の手段に加え、前記回路素子を片側のみに実装したものであってもよい。 As a second means, in addition to the first means, the circuit element may be mounted only on one side.

片側のみに実装するものは、前記回路素子に限定されない。 What is mounted only on one side is not limited to the circuit element.

特に前記回路素子だけでなく、前記回路素子の電圧や電流を監視し、その値にしたがって制御端子に指令を与えるような制御用素子を、前記回路素子と同一面としてもよい。 In particular, not only the circuit element but also a control element that monitors the voltage and current of the circuit element and gives a command to the control terminal according to the value may be coplanar with the circuit element.

同一面とすることで、たとえば制御端子の動作に好影響が期待できる。たとえば貫通穴を経由せずに配線できれば、配線インダクタンスや抵抗を削減でき、スイッチ速度が向上する。 By setting the same surface, for example, a positive influence can be expected on the operation of the control terminal. For example, if wiring can be performed without going through the through hole, wiring inductance and resistance can be reduced, and the switch speed is improved.

第三の手段として、第一あるいは第二の手段に加え、回路素子の実装されていない面を基準電位または入力または出力電位の導体シールドとしたものであってもよい。 As a third means, in addition to the first or second means, the surface on which the circuit element is not mounted may be a reference potential or a conductor shield of input or output potential.

導体シールドは、印刷基板に用いられる導体、一般的には10μm、35μm、70μm、200μmの銅箔をそのまま利用することができるが、これに限定されない。 As the conductor shield, a conductor used for a printed board, generally, a copper foil of 10 μm, 35 μm, 70 μm, and 200 μm can be used as it is, but is not limited thereto.

片側のみに実装するものでは、実装されていない面に配線を通さないように努めることで容易に導体シールド用のスペースを用意することができる。このシールドは、ノイズ対策で有利なだけでなく、熱の良導体としても有効である。 In the case of mounting on only one side, it is possible to easily prepare a space for conductor shielding by making an effort not to pass the wiring through the unmounted surface. This shield is effective not only for noise countermeasures but also as a good heat conductor.

第四の手段として、第一から第三のいずれかの手段に加え、スイッチとして30ミリオーム以下のMOSFET、あるいはインダクタとして30ミリオーム以下のものを使用した電流帰還PWMであって、前記電流によって生じる電圧を差動配線によって取り出しているものであってもよい。 As a fourth means, in addition to any one of the first to third means, a current feedback PWM using a MOSFET of 30 milliohms or less as a switch or 30 milliohms or less as an inductor, the voltage generated by the current May be taken out by differential wiring.

電流帰還PWMは、出力電圧の変化だけでなく出力電流の変化も反映してパルス幅を決定するPWM制御方式であって、出力電流そのものあるいは、出力電流に連動する電流によって生じる電圧を、通常の電圧帰還PWMの制御ループの帰還電圧値から加算または減算することによって応答性を高めた制御方式である。 Current feedback PWM is a PWM control method that determines not only the change in output voltage but also the change in output current to determine the pulse width. The voltage generated by the output current itself or the current linked to the output current This is a control method in which the responsiveness is improved by adding or subtracting from the feedback voltage value of the control loop of the voltage feedback PWM.

出力電流に連動する電流によって生じる電圧を取り出す、電流検出素子としては、独立の抵抗器を用いても良いが、一般的に第一のスイッチまたは第二のスイッチ、または整流器またはインダクタ素子に寄生する抵抗成分や導体の抵抗成分を用いることが多い。 An independent resistor may be used as a current detection element that extracts a voltage generated by a current linked to the output current, but is generally parasitic on the first switch or the second switch, or the rectifier or inductor element. In many cases, a resistance component or a resistance component of a conductor is used.

それらに生じる電圧値は微弱であるため、素子両端から制御用素子に導く際には、雑音の影響を受けにくいように、両端から取り出した一対の配線を、隣接した平行配線として取り出す、差動配線によって取り出すのである。 Since the voltage value generated in them is very weak, when leading from both ends of the element to the control element, a pair of wires taken from both ends are taken out as adjacent parallel wires so that they are not easily affected by noise. It is taken out by wiring.

たとえば、スイッチとして30mΩ以下のMOSFETを用いた場合の電圧は、1Aにつき30mV程度に過ぎず、また10mΩ、5mΩ、1mΩ、0.5mΩ、0.1mΩ、0.01mΩのような範囲から選ばれるMOSFETを用いた場合、検出電圧が微弱になるため、本発明は非常に有効でなる。 For example, when a MOSFET of 30 mΩ or less is used as a switch, the voltage is only about 30 mV per 1 A, and the MOSFET is selected from a range such as 10 mΩ, 5 mΩ, 1 mΩ, 0.5 mΩ, 0.1 mΩ, 0.01 mΩ. When is used, the detection voltage becomes weak, so the present invention is very effective.

電流検出素子としてインダクタや導体の抵抗成分を用いた場合、前記MOSFETをインダクタや導体の抵抗成分と読み替えることができる。 When the resistance component of the inductor or conductor is used as the current detection element, the MOSFET can be read as the resistance component of the inductor or conductor.

第五の手段として、第一から第四のいずれかの手段に加え、それを利用したBUCK型コンバータ、BUCK−BOOST型コンバータ、BOOST型コンバータのいずれかであるものであってもよい。 As a fifth means, in addition to any one of the first to fourth means, any of a BUCK type converter, a BUCK-BOOST type converter and a BOOST type converter using the same may be used.

BUCK型コンバータの場合、第一のスイッチをMOSFETとして主端子を入力、基準端子を相互接続点に接続し、第二のスイッチをMOSFETとして主端子を相互接続点、基準端子を基準電位、インダクタを相互接続点と出力の間に接続する、同期整流構成としても良いし、整流器としてショットキダイオードを用いても良いが、これに限定されない。 In the case of a BUCK type converter, the first switch is a MOSFET and the main terminal is input, the reference terminal is connected to the interconnection point, the second switch is a MOSFET and the main terminal is the interconnection point, the reference terminal is the reference potential, and the inductor is A synchronous rectification configuration connecting between the interconnection point and the output may be used, and a Schottky diode may be used as the rectifier, but the invention is not limited to this.

BUCK−BOOST型コンバータの場合、第一のスイッチをMOSFETとして主端子を入力、基準端子を相互接続点に接続し、第二のスイッチをMOSFETとして主端子を相互接続点、基準端子を出力、インダクタを相互接続点と基準電位の間に接続する、同期整流構成としても良いし、整流器としてショットキダイオードを用いても良いが、これに限定されない。 In the case of a BUCK-BOOST type converter, the first switch is a MOSFET and the main terminal is input, the reference terminal is connected to the interconnection point, the second switch is a MOSFET and the main terminal is the interconnection point, the reference terminal is output, the inductor Are connected between the interconnection point and the reference potential, and a synchronous rectification configuration may be used, or a Schottky diode may be used as the rectifier, but the invention is not limited to this.

BOOST型コンバータの場合、第一のスイッチをMOSFETとして主端子を相互接続点、基準端子を基準電位に接続し、第二のスイッチをMOSFETとして主端子を出力、基準端子を相互接続点、インダクタを入力と相互接続点の間に接続する、同期整流構成としても良いし、整流器としてショットキダイオードを用いても良いが、これに限定されない。 In the case of a BOOST type converter, the first switch is a MOSFET and the main terminal is connected to the interconnection point, the reference terminal is connected to the reference potential, the second switch is the MOSFET and the main terminal is output, the reference terminal is the interconnection point, and the inductor is A synchronous rectification configuration may be used, which is connected between the input and the interconnection point, and a Schottky diode may be used as the rectifier, but is not limited thereto.

いずれコンバータでも、電流検出素子として第二のスイッチを用いる場合、その主端子と基準端子間の電圧を差動配線で取り出すことができる。 In any converter, when the second switch is used as the current detection element, the voltage between the main terminal and the reference terminal can be taken out by the differential wiring.

電流検出素子として第一のスイッチを用いる場合、その主端子と基準端子間の電圧を差動配線で取り出すことができる。 When the first switch is used as the current detection element, the voltage between the main terminal and the reference terminal can be taken out by the differential wiring.

電流検出素子としてインダクタを用いる場合、その2つの端子の電圧を差動配線で取り出すことができる。 When an inductor is used as the current detection element, the voltage at the two terminals can be taken out by differential wiring.

差動配線で取り出すことによって、机上の理論では、本発明によらずとも雑音の混入や電流検出誤差がなくなるように思えるが、実際は差動信号を受ける側、たとえば制御用半導体の差動増幅器の能力には限界がある。本発明によれば理想的な差動増幅器を用意せずに、電流検出誤差を減少できる。 By taking out with the differential wiring, it seems that in the theory on the desk, noise mixing and current detection error are eliminated without using the present invention, but in reality, the differential signal receiving side, for example, the differential amplifier of the control semiconductor There is a limit to ability. According to the present invention, the current detection error can be reduced without preparing an ideal differential amplifier.

第六の手段として、第一から第四のいずれかの手段に加え、それを利用したインバータ、コンバータ、および電力増幅器であってもよい。 As a sixth means, in addition to any of the first to fourth means, an inverter, a converter, and a power amplifier using the means may be used.

これらの回路では、素子電流値、出力電圧値、場合によっては別の指令電圧を加算や減算したり、積分演算や微分演算を行ってPWM制御が行われる。 In these circuits, the element current value, the output voltage value, and in some cases, another command voltage is added or subtracted, or the integral control or the differential operation is performed to perform PWM control.

つまり、たとえば前記電流帰還PWMの制御ループの帰還電圧値から、さらに指令電圧を加算する機能を持つ制御素子に置き換えることで、このような回路を構成できることは自明である。 That is, for example, it is obvious that such a circuit can be configured by replacing the feedback voltage value of the control loop of the current feedback PWM with a control element having a function of adding a command voltage.

これら素子電流値、出力電圧値、場合によっては別の指令電圧を加算や減算したり、積分演算や微分演算を行ってPWM制御を行う回路は、連続量の演算増幅器で構成されることが多いが、離散演算機であっても良い。 Circuits that perform PWM control by adding or subtracting these element current values, output voltage values, and, in some cases, other command voltages, or performing integral or differential calculations, are often composed of continuous operational amplifiers. However, it may be a discrete computing machine.

さらに、これらの回路を、電動機用インバータや、スピーカ用電力増幅器のような電磁力装置を制御する装置に組み込んで用いても良い。 Furthermore, these circuits may be used by being incorporated in a device for controlling an electromagnetic force device such as an inverter for a motor or a power amplifier for a speaker.

これらの機器では、素子電流値の誤差が、出力電圧値に流入するため特に素子電流値の誤差を少なくすることが求められている。 In these devices, since the error of the element current value flows into the output voltage value, it is particularly required to reduce the error of the element current value.

離散演算機の場合、瞬時値をサンプリングする都合上、瞬間的な誤差の発生の少ない本発明が好適である。 In the case of a discrete computing device, the present invention with less occurrence of instantaneous errors is suitable for the convenience of sampling instantaneous values.

第七の手段として、第一から第六のいずれかの手段に加え、1の主電源に対して、前記第一から第六の回路と、インダクタやスイッチを有する電力変換回路や別のパルス負荷を並列に接続したものであってもよい。 As a seventh means, in addition to any one of the first to sixth means, for one main power supply, the first to sixth circuits, a power conversion circuit having an inductor and a switch, and another pulse load May be connected in parallel.

並列接続は同一基板内であっても良いし、別々の基板の回路を、電線などでバス型やスター型や渡り配線など、任意の方法で接続したものであっても良く、限定されない。 The parallel connection may be in the same substrate, or circuits on separate substrates may be connected by an arbitrary method such as a bus type, a star type, or a crossover wiring with an electric wire or the like, and is not limited.

並列接続時において、入力側の平滑コンデンサは他のパルス負荷と回路図上で接続されている場合が多い。 In parallel connection, the smoothing capacitor on the input side is often connected to another pulse load on the circuit diagram.

このような場合、他のパルス負荷による平滑コンデンサの電荷変動が悪影響を与える恐れがあるが、本発明によって分断してあればその影響を軽減できる。 In such a case, fluctuations in the charge of the smoothing capacitor due to other pulse loads may have an adverse effect, but if they are divided according to the present invention, the influence can be reduced.

本発明によれば、出力の品質が向上する。 According to the present invention, the output quality is improved.

素子技術の進歩にしたがって、損失をもたらす抵抗成分の低減が進み、相互接続点と基準電位または出力または入力間の電流によって生じる電圧が微小になっている。 As the element technology advances, the resistance component causing loss is reduced, and the voltage generated by the current between the interconnection point and the reference potential or the output or input is reduced.

いっぽう、導体には回路上を流れるさまざまな電流に由来する雑音電圧が生じる。 On the other hand, a noise voltage derived from various currents flowing on the circuit is generated in the conductor.

このため電流の検出誤差が生じる。 This causes a current detection error.

本発明によれば、この電流の検出誤差を軽減できる。 According to the present invention, this current detection error can be reduced.

その結果、電流の制御が正確に行われるため、最終的には出力電圧や電流を安定させることにつながる。 As a result, the current is accurately controlled, and finally the output voltage and current are stabilized.

本発明によるインバータ、コンバータ、および電力増幅器であれば、指令電圧通りに正確に出力することにつながるため、制御品質の向上という効果が得られる。 Since the inverter, converter, and power amplifier according to the present invention lead to accurate output according to the command voltage, the effect of improving the control quality can be obtained.

片側のみに実装した場合、反対側の実装作業を行わなくても済むという効果が得られる。 When mounted on only one side, there is an effect that it is not necessary to perform mounting work on the opposite side.

回路素子の実装されていない面を基準電位または入力または出力電位の導体シールドとしたものであれば、雑音の発生を抑制できるし、雑音によって受ける影響を軽減できる。 If the surface on which the circuit element is not mounted is a conductor shield of a reference potential or an input or output potential, the generation of noise can be suppressed and the influence of noise can be reduced.

本発明を電流帰還PWMに使用した場合、電流の検出精度向上が電圧の精度向上に直結するという効果が生じる。 When the present invention is used for current feedback PWM, there is an effect that improvement in current detection accuracy is directly linked to improvement in voltage accuracy.

電流検出素子として、寄生する抵抗成分や導体の抵抗成分を用いた場合、新たな抵抗成分を付加しないため、損失低減という効果が生じる。 When a parasitic resistance component or a conductor resistance component is used as the current detection element, a new resistance component is not added, resulting in an effect of reducing loss.

電動機用インバータや、スピーカ用電力増幅器のような電磁力装置を制御する装置に組み込んで用いたばあい、このような機器では電磁力すなわち電流を正確に測定して制御目標に反映することが重要であるから、正確な電流を検出できる本発明は、電磁力制御品質の向上という効果をもたらす。 When incorporating and using an electromagnetic force device such as an inverter for a motor or a power amplifier for a speaker, it is important to accurately measure the electromagnetic force, that is, the current in such a device and reflect it in the control target. Therefore, the present invention capable of detecting an accurate current brings about an effect of improving the electromagnetic force control quality.

検出誤差を縮小できれば、フィルタ等を簡略化できるため、応答性を向上できるという当初予想外の効果も期待できる。 If the detection error can be reduced, the filter and the like can be simplified, and an unexpected effect that the responsiveness can be improved can be expected.

1の主電源に対して、前記第一から第六の回路と、インダクタやスイッチを有する電力変換回路や別のパルス負荷を並列に接続したものである場合も、本発明によれば出力の品質が向上する。 Even in the case where the first to sixth circuits, a power conversion circuit having an inductor and a switch, and another pulse load are connected in parallel to one main power source, according to the present invention, the output quality is also improved. Will improve.

本発明のスイッチを有する回路を含め、多くの負荷は、本質的にパルス負荷である。 Many loads, including circuits with switches of the present invention, are essentially pulse loads.

これを複数接続した際には、別の回路からのパルス電流によって、相互に影響しあうことが予想される。 When a plurality of these are connected, it is expected that they will affect each other due to a pulse current from another circuit.

この影響の一つとして電流の検出誤差が発生するが、本発明は電流の検出誤差を縮小するものであるから、対策として有効である。 As one of the influences, a current detection error occurs, but the present invention is effective as a countermeasure because it reduces the current detection error.

従来技術による配置図である。(発明が解決しようとする課題)It is the layout by a prior art. (Problems to be solved by the invention) 実施方法を示した回路の説明図である。(発明を実施するための形態)It is explanatory drawing of the circuit which showed the implementation method. (Mode for carrying out the invention) 実施方法を示した配置図である。(発明を実施するための形態)It is the layout which showed the implementation method. (Mode for carrying out the invention)

本発明を実施するための最良の形態を以下に示す。図2は、発明を実施するための回路図である。なお、スイッチの制御端子は省略している。 The best mode for carrying out the present invention will be described below. FIG. 2 is a circuit diagram for carrying out the invention. Note that the control terminal of the switch is omitted.

図中VIが入力、VRが基準電位、VOが出力、CIが入力側コンデンサ、COが出力側コンデンサである。 In the figure, VI is an input, VR is a reference potential, VO is an output, CI is an input side capacitor, and CO is an output side capacitor.

Aは第一のスイッチ、第二のスイッチまたは整流器、インダクタの三種いずれかである。 A is any one of the first switch, the second switch or rectifier, and the inductor.

Bには、残る二種類のうちいずれかが該当する。 One of the remaining two types corresponds to B.

Cは、最後の一つである。 C is the last one.

すなわち、6通りの回路構成が可能であるが、このうち3種類はよく用いられるため名前で呼ばれている。 That is, although six circuit configurations are possible, three of these are often used and are called by name.

Aをインダクタとしたときに、Bを第一のスイッチとすると、BOOSTコンバータとなる。 When A is an inductor and B is the first switch, a BOOST converter is obtained.

Aを第一のスイッチとしたときに、Bを第二のスイッチまたは整流器とするとBUCK型コンバータとなる。 If A is the first switch and B is the second switch or rectifier, a BUCK type converter is obtained.

Aを第一のスイッチとしたときに、BをインダクタとするとBUCK−BOOST型コンバータとなる。 When A is the first switch and B is an inductor, a BUCK-BOOST type converter is obtained.

Aを第二のスイッチまたは整流器とする回路や、AをインダクタとしたときにBを第二のスイッチまたは整流器とする回路は、上記三種類の入出力を逆転させた回路に相当する。 A circuit in which A is a second switch or rectifier, or a circuit in which B is a second switch or rectifier when A is an inductor corresponds to a circuit in which the above three types of inputs and outputs are reversed.

図3は、BUCK型コンバータの実施方法を示した配置図である。 FIG. 3 is a layout diagram illustrating a method of implementing the BUCK type converter.

201,202,210は、入力側コンデンサの配置位置であり、いずれか一箇所に配置することが一般的であるが、複数個配置してもいい。 Reference numerals 201, 202, and 210 are positions where the input-side capacitors are arranged, and are generally arranged at any one location, but a plurality of them may be arranged.

202を例として本発明の特徴を説明する。 The features of the present invention will be described by taking 202 as an example.

203は図1において103、図2においてBに相当する第二のスイッチであり、202は101に相当する入力側コンデンサCIである。 203 is a second switch corresponding to 103 in FIG. 1 and B in FIG. 2, and 202 is an input side capacitor CI corresponding to 101.

従来技術による図1は、103と101を隣接して配置し、これに伴って103の基準端子と101の端子は隣り合わせに配置することで、同一面上の銅箔による最短距離の配線を実現している。 In FIG. 1 according to the prior art, 103 and 101 are arranged adjacent to each other, and accordingly, the reference terminal of 103 and the terminal of 101 are arranged next to each other, thereby realizing the shortest distance wiring by copper foil on the same surface. is doing.

これに対して、本発明における配置では、203と202が同一面上の銅箔による最短距離での配線が可能な位置関係であったとしても、図3の202上部の左側から203の間の空隙を設けることで、直接の電気的結合を遮断している。 On the other hand, in the arrangement according to the present invention, even if 203 and 202 are in a positional relationship that enables wiring at the shortest distance by the copper foil on the same plane, the distance between 203 from the left side at the top of 202 in FIG. By providing a gap, direct electrical coupling is blocked.

最短距離で結合されない手段としては、印刷基板上の銅箔を、エッチングによって除去した空隙をもうけることが最も簡便であるが、要するに最短距離での電気伝導を低下せしめればよいのであるから、完全な空隙に限定されず、他の公知技術を用いても良い。 As a means of not being coupled at the shortest distance, it is most convenient to create a void removed by etching the copper foil on the printed circuit board. The present invention is not limited to such voids, and other known techniques may be used.

必要とされる空隙は、両側が回路図上同電位であるため、微小なもので十分である。
一般に印刷基板で製造可能な空隙は、0.0254mmを1milとして製造仕様書に記されるが、1、2、4、6、8、10、12、16、20、40milが一般的であるので、実用上はこれらが下限となるが、限定されない。
Since the required gap is the same potential on the circuit diagram on both sides, a minute gap is sufficient.
In general, the space that can be manufactured with a printed board is described in the manufacturing specification as 0.0254 mm as 1 mil, but 1, 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16, 20, 40 mil is common. In practice, these are lower limits, but are not limited.

空隙を大きくするとCIとBの距離が離れてしまうので、寄生インダクタンスと抵抗が増大してCIの機能が低下する。0.5mmであれば多くの用途では問題ないが、1、2、4、8、10、15、20、40mmと離れていくにしたがってこの問題は増大するため、
実用上はこれらが上限となるが、限定されない。
If the gap is increased, the distance between CI and B is increased, so that the parasitic inductance and resistance are increased and the function of CI is lowered. If it is 0.5 mm, there is no problem in many applications, but this problem increases as the distance from 1, 2, 4, 8, 10, 15, 20, 40 mm increases.
In practice, these are upper limits, but are not limited.

これらの配線は、相互に接続する必要があるため、図では貫通穴によって裏面の基準電位の銅箔209とそれぞれ接続されているが、要するに導電接続されていればよいのであるから、リード線など、他の任意の導電体で接続されていれば良い。 Since these wirings need to be connected to each other, in the drawing, they are connected to the copper foil 209 having the reference potential on the back surface by through holes, but in short, it is only necessary to be conductively connected. Any other conductor may be used.

もちろん、裏面や貫通穴を通らず、同一面上で、最短距離にならないように遠回りしたパターンを形成しても良い。 Of course, it is also possible to form a circuit pattern that does not pass through the back surface or the through-hole, but on the same surface so as not to have the shortest distance.

場合によっては、出力側コンデンサを同一の考えで配置することもできる。 In some cases, the output-side capacitor can be arranged with the same idea.

図1の出力側コンデンサ105の基準電位VR(O)端子は、101および103と同一面において最短距離で接続されている。 The reference potential VR (O) terminal of the output side capacitor 105 in FIG. 1 is connected in the shortest distance on the same plane as 101 and 103.

これに対して、図3の205の基準電位VR(O)端子のように、空隙を設け、同一面において最短距離で接続されないようにしても良い。もちろん、図3の太い実線のように、別の配線を割り込ませることで、空隙を有効利用しても良い。 On the other hand, like the reference potential VR (O) terminal 205 in FIG. 3, a gap may be provided so that they are not connected at the shortest distance on the same plane. Of course, the gap may be effectively used by interrupting another wiring, as shown by the thick solid line in FIG.

別の配線としては、制御端子を駆動するための線や、素子を流れる電流を検出するため、素子を流れる電流によって生じる電圧を取り出すための配線が代表的である。 As another wiring, a line for driving the control terminal and a wiring for extracting a voltage generated by a current flowing through the element in order to detect a current flowing through the element are typical.

電流によって生じる電圧を取り出すための配線は、微弱な電圧であるため、対になった差動配線が用いられるため、まとまった空隙の存在はありがたい。 Since the wiring for taking out the voltage generated by the current is a weak voltage, a pair of differential wirings are used.

制御端子を駆動するための線は、スイッチの損失低減のため、極めて低い抵抗と低い寄生インダクタンスが要求されるため、貫通穴を用いず、銅箔の表面を、場合によっては基準端子側と対になった線で引き出すことが好ましい。 The line for driving the control terminal requires extremely low resistance and low parasitic inductance to reduce the loss of the switch.Therefore, without using a through hole, the surface of the copper foil is sometimes paired with the reference terminal side. It is preferable to draw out with the line which became.

本発明における空隙は、これらの配線スペースを提供する上でも有用である。 The air gap in the present invention is also useful in providing these wiring spaces.

このためスイッチの損失低減に有効である。 This is effective for reducing the loss of the switch.

また、空隙自体の効果に加え、差動配線を引ける場所の自由度が向上したことによる副次的な作用によって、素子を流れる電流の検出精度向上も期待できる。 In addition to the effect of the air gap itself, an improvement in detection accuracy of the current flowing through the element can also be expected due to a secondary action resulting from an improved degree of freedom in the location where the differential wiring can be drawn.

本発明の実施にあたっては、空隙を設けてあれば良いのであるから、入力側コンデンサの位置は202に限定されない。 In the practice of the present invention, it is only necessary to provide a gap, so the position of the input side capacitor is not limited to 202.

202あるいは210に移動しても良いし、これらの場所から選ばれる任意の位置に複数配置しても良い。 You may move to 202 or 210, and you may arrange two or more in the arbitrary positions chosen from these places.

また、前記電流によって生じる電圧の生じているスイッチまたは整流器またはインダクタの端子のうち相互接続点でない側と接合された印刷基板上の導体に、入力コンデンサあるいは出力コンデンサの端子以外に、第三の寄生コンデンサあるいは意図的な小コンデンサを接続しても、発明の本質は損なわれない。 In addition to the input capacitor or the output capacitor terminal, a third parasitic element is connected to the conductor on the printed circuit board joined to the non-interconnect point of the switch or rectifier or inductor terminal where the voltage generated by the current is generated. Even if a capacitor or an intentionally small capacitor is connected, the essence of the invention is not impaired.

この小コンデンサは図3の207であり、発明の実施にあたっては無い状態が基本ではあるが、この位置に寄生容量が存在することは明らかであり、また特許の回避、あるいは一般的な雑音防止などの目的で意図的な小コンデンサを接続しても、発明の本質は損なわれないことは明白である。 This small capacitor is 207 in FIG. 3 and is basically in a state where the invention is not implemented, but it is clear that there is a parasitic capacitance at this position, avoiding patents, preventing general noise, etc. It is obvious that the essence of the invention is not impaired even if a small capacitor intentionally connected for the purpose of the present invention is connected.

この小コンデンサ207は、発明の本質を考えると202よりも大きくてはならない。
そうしなければ、実質的に入力側コンデンサを203の基準端子に直結することになってしまうからである。
This small capacitor 207 should not be larger than 202 in view of the nature of the invention.
Otherwise, the input side capacitor will be directly connected to the 203 reference terminal.

207と202の容量の比率は1:1でも良いし、10:1、100:1、10000000:1としても良く、たとえば1μFから1000μFと、100pFから1μFでも良い。 The ratio of the capacities of 207 and 202 may be 1: 1, 10: 1, 100: 1, 10000000: 1, for example, 1 μF to 1000 μF and 100 pF to 1 μF.

入力側コンデンサは、現在の技術では積層コンデンサ、特に積層セラミックコンデンサ、そのなかでも0.1μFから1000μF、とくに1μFから100μFのものが、特に好適であるが、これに限定されず、電子電導性高分子を用いた電解コンデンサや、タンタル電解コンデンサ、アルミ電解コンデンサ、フィルムコンデンサその他の素子を好ましく用いることができ、混在させても良い。 As the input side capacitor, a multilayer capacitor, particularly a multilayer ceramic capacitor, in particular 0.1 μF to 1000 μF, particularly 1 μF to 100 μF, is particularly suitable in the present technology, but the present invention is not limited to this. Electrolytic capacitors using molecules, tantalum electrolytic capacitors, aluminum electrolytic capacitors, film capacitors, and other elements can be preferably used, and may be mixed.

出力側コンデンサも入力側コンデンサと同様に選定できる。 The output capacitor can be selected in the same way as the input capacitor.

204の第一のスイッチは、スイッチ作用を持つものであれば特に限定されない。 The first switch 204 is not particularly limited as long as it has a switching action.

代表的にはN−MOSFETであり、基準端子がソース、主端子がドレイン、制御端子がゲートとなる配置が挙げられるがこれに限定されない。 A typical example is an N-MOSFET, in which the reference terminal is a source, the main terminal is a drain, and the control terminal is a gate. However, the present invention is not limited to this.

たとえばNPNトランジスタであっても良いし、P−MOSFETやIGBTであっても良い。また半導体素子に限定されず、光デバイスや真空管や機械接点のような、あらゆるスイッチ作用を持つ素子を用いることができる。 For example, an NPN transistor, a P-MOSFET or an IGBT may be used. Moreover, it is not limited to a semiconductor element, The element which has all switch actions like an optical device, a vacuum tube, and a mechanical contact can be used.

スイッチ、たとえばMOSFETの能力は、スイッチとしての導通状態でのドレインソース間抵抗の低さとして表現される。 The ability of a switch, such as a MOSFET, is expressed as a low drain-source resistance in the conducting state as a switch.

従来は200mΩや100mΩであったが、近年では30mΩ、また10mΩ、5mΩ、1mΩ、0.5mΩ、0.1mΩ、0.01mΩのように低損失化のための技術開発が進んでいる。 Conventionally, it has been 200 mΩ or 100 mΩ, but in recent years, technological development for reducing the loss has progressed such as 30 mΩ, 10 mΩ, 5 mΩ, 1 mΩ, 0.5 mΩ, 0.1 mΩ, and 0.01 mΩ.

ドレインソース間の抵抗が低い場合、電流検出素子として用いた際に、検出電圧が非常に微弱になり、電流検出が困難になることがある。 When the resistance between the drain and the source is low, the detection voltage becomes very weak when used as a current detection element, and current detection may be difficult.

本発明は電流検出精度の改善に関するものであるから、このような場合に、有効である。 Since the present invention relates to improvement of current detection accuracy, it is effective in such a case.

いいかえると能力の高いMOSFETを用いることができるという効果を有する。 In other words, there is an effect that a MOSFET having high ability can be used.

スイッチの外形は、性能向上によって小型化が進んでいる。かつてはTO−220がよく用いられたが、D−PAKやSO−8、さらにSOT−23やSOT−232のような小型パッケージが登場している。 The external dimensions of the switch are becoming smaller due to improved performance. In the past, TO-220 was often used, but small packages such as D-PAK and SO-8, and SOT-23 and SOT-232 have appeared.

スイッチの耐圧は入力および出力の電圧に応じて決定すればよい。現在一般的に入手できる素子の高いほうではIGBTで3kV程度、MOSFETは900Vクラスのものも用いられるようになってきた。高耐圧品ではSiCなどのワイドギャップ半導体が期待されており、その他技術の進歩によって5kV,10kV、1000kVが実現できる可能性がある。商用電源ライン用としては600Vから450Vのものがあり、電動機制御用として100Vや60Vのものも良く用いられる。半導体の電源としては30V、20V、10Vと低電圧品の開発も進んでいるため、いずれ5V、1V、0.5V耐圧のものが登場する可能性がある。 The withstand voltage of the switch may be determined according to the input and output voltages. Among the devices that are generally available at present, IGBTs of about 3 kV and MOSFETs of 900 V class have been used. Wide-gap semiconductors such as SiC are expected for high breakdown voltage products, and 5 kV, 10 kV, and 1000 kV may be realized by other technological advances. There are 600V to 450V for commercial power lines, and 100V and 60V are often used for motor control. Since the development of low-voltage products such as 30V, 20V, and 10V as semiconductor power sources is progressing, those with a breakdown voltage of 5V, 1V, and 0.5V may appear.

スイッチを流れる電流は、半導体の高性能化に伴って増加する傾向にあるが、SO−8サイズの外形でも3Aから8A、16A,25A,50Aと広い範囲の製品が用いられている。小さな製品では0.1Aのものもある。大きい製品としては、今後100A、500A、1000A、10000Aと開発が進む可能性がある。 The current flowing through the switch tends to increase as the performance of the semiconductor increases, but products in a wide range of 3A to 8A, 16A, 25A, and 50A are used even in the SO-8 size. Some small products are 0.1A. As a large product, there is a possibility that development will proceed to 100A, 500A, 1000A, and 10000A in the future.

203も同様である。 The same applies to 203.

203に代えて整流器を用いることができることは明らかである。 It is clear that a rectifier can be used instead of 203.

限定されないが、基準端子をアノード、主端子をカソードとしたダイオードを好ましく用いることができる。 Although not limited, a diode having a reference terminal as an anode and a main terminal as a cathode can be preferably used.

ダイオードとしてはショットキ型が良く用いられるが、高速Siダイオードやそのほかの素子を好ましく用いることができる。MOSFETの寄生ダイオードもよく用いられるが、シリコン半導体素子に限定されず、真空管や水銀整流器のようなあらゆる整流作用を持つ素子を用いることができる。 A Schottky type is often used as the diode, but a high-speed Si diode or other element can be preferably used. MOSFET parasitic diodes are often used, but are not limited to silicon semiconductor elements, and elements having any rectifying action such as vacuum tubes and mercury rectifiers can be used.

寄生ダイオードを有するMOSFETと独立のショットキダイオードを併用することも多いが、これは第二のスイッチの機能を整流器で補強しただけであるから、本発明の範囲であることは自明である。 In many cases, an independent Schottky diode is used in combination with a MOSFET having a parasitic diode. However, this is merely the reinforcement of the function of the second switch by a rectifier, and it is obvious that it is within the scope of the present invention.

基準電位は一般に接地であるが、正または負の一定電圧であってもよく、あるいは交流電圧が印加されていてもよく、限定されない。 The reference potential is generally ground, but may be a positive or negative constant voltage, or an AC voltage may be applied, and is not limited.

入力は、もっとも一般的には基準電位に対する正電圧電源が接続されるが、これに限定されず、負電圧であっても良いし、交流電圧が加えられていても良い。 The input is most commonly connected to a positive voltage power supply with respect to the reference potential, but is not limited thereto, and may be a negative voltage or an AC voltage.

出力は、スイッチの動作によって決定される電圧が出力されるため、本質的には限定されないが、代表的な数字を挙げるならば、正または負の直流0.5V、1V、3Vから5V、12V、24V、48V、100V、280V、500V、1500Vを目標に制御されることが多く、似たような電圧範囲の交流波形を目標にスイッチの動作を制御しても良い。 The output is essentially not limited because a voltage determined by the operation of the switch is output, but if representative numbers are given, positive or negative DC 0.5V, 1V, 3V to 5V, 12V 24V, 48V, 100V, 280V, 500V, and 1500V are often controlled, and the switch operation may be controlled with an AC waveform in a similar voltage range as a target.

201、202、205、210のコンデンサとして、積層セラミックコンデンサを用いることが好ましいが、これに代えてタンタルコンデンサ、導電性高分子コンデンサ、電解コンデンサ、フィルムコンデンサ、そのほかのコンデンサを使用することもできる。 A multilayer ceramic capacitor is preferably used as the capacitors 201, 202, 205, and 210, but a tantalum capacitor, a conductive polymer capacitor, an electrolytic capacitor, a film capacitor, and other capacitors may be used instead.

こういった近年のコンデンサは、等価直列抵抗が非常に小さいものも多く、50mΩ、20mΩ、10mΩ、5mΩ、2mΩ、1mΩ、0.1mΩ、0.01mΩと、低減が進み、性能向上に伴う設計上の課題も生じている。 Many of these recent capacitors have very low equivalent series resistance, and are 50mΩ, 20mΩ, 10mΩ, 5mΩ, 2mΩ, 1mΩ, 0.1mΩ, 0.01mΩ, and the design has been improved to improve performance. There is also a problem.

206のようなインダクタは、フェライトや鉄粉成型体のような任意の磁性体に導体を巻いたものがよく知られている。これも等価直列抵抗が非常に小さいものも多く、用途によっては10Ωや1Ωのものもあるが、50mΩ、20mΩ、10mΩ、5mΩ、2mΩ、1mΩ、0.1mΩ、0.01mΩと、低減が進み、性能向上に伴う設計上の課題も生じている。 An inductor such as 206 is well known in which a conductor is wound around an arbitrary magnetic body such as a ferrite or iron powder molded body. Many of these have very small equivalent series resistance, and there are 10Ω and 1Ω depending on the application, but the reduction progressed to 50mΩ, 20mΩ, 10mΩ, 5mΩ, 2mΩ, 1mΩ, 0.1mΩ, 0.01mΩ, There are also design challenges associated with improved performance.

両端電圧測定によるインダクタ電流の検出は、等価直列抵抗の低減に伴って難しくなっており、電流の検出精度が向上するという本発明の効果が有効である。 Detection of the inductor current by measuring both-end voltage becomes difficult as the equivalent series resistance is reduced, and the effect of the present invention that the current detection accuracy is improved is effective.

第二のスイッチを流れる電流によって生じる電圧を検出する場合と、インダクタ電流の検出の違いは、つまり図2のどの素子の電圧を測定するかの選択であるから、たとえば第一のスイッチを利用することもできることは明らかである。 Since the difference between the case where the voltage generated by the current flowing through the second switch is detected and the detection of the inductor current is the selection of which element in FIG. 2 is measured, for example, the first switch is used. Obviously you can also.

インダクタ電流の検出で図2ABCの置き換え関係を考えると、前記空隙は、図3において205のVR(O)周辺の空隙が相当する。 Considering the replacement relationship of FIG. 2ABC by detecting the inductor current, the gap corresponds to the gap around the VR (O) 205 in FIG.

このような数学組み合わせ論的な置き換えによって、他の形式の回路で利用することができることは明らかである。 Obviously, such a mathematical combinatorial replacement can be used in other types of circuits.

たとえば図1の106のインダクタと103の位置関係をおきかえたBUCK−BOOST型であれば、図3の配置で203と206を置き換えることで本発明を適用できる。 For example, in the BUCK-BOOST type in which the positional relationship between the inductor 106 and 103 shown in FIG. 1 is changed, the present invention can be applied by replacing 203 and 206 in the arrangement shown in FIG.

あるいは図1の106のインダクタと104の位置関係をおきかえたBOOST型であれば、図3の配置で204と206を置き換えることで本発明を適用できる。 Alternatively, in the case of a BOOST type in which the positional relationship between the inductor 106 and 104 in FIG. 1 is changed, the present invention can be applied by replacing 204 and 206 in the arrangement of FIG.

208のような貫通穴は、必要最小限の数として各1であっても良いが、抵抗成分とインダクタンスを削減する目的や、放熱の目的で複数配置することもできる。 The number of through holes such as 208 may be one each as a minimum number, but a plurality of through holes may be arranged for the purpose of reducing the resistance component and the inductance or for the purpose of heat dissipation.

209のような基板裏面は、基準電位の銅箔とするとノイズ対策や放熱に有効であるが、そのほかの一定電位たとえば入力や出力電位であっても良いし、任意のパターンを形成しても良い。 The back surface of the substrate such as 209 is effective for noise countermeasures and heat dissipation when a copper foil of a reference potential is used. However, other constant potentials such as input and output potentials may be used, and arbitrary patterns may be formed. .

裏面が基準電位の銅箔だけであれば、裏面側に放熱板を取り付けるときに電位差を考えることが不要で、しかも平坦なため、便利である。 If the back surface is only a copper foil having a reference potential, it is not necessary to consider a potential difference when attaching a heat sink to the back surface side, and it is convenient because it is flat.

回路素子を実装する基板は特に限定されないが、銅箔を板状絶縁体の両面に貼りつけた二層基板が好適である。その他に、より多くの層を持つ多層基板、たとえば二層基板を二枚、板状絶縁体の両面に貼りつけた四層基板を用いると、配線密度の向上その他の利点があることが知られている。 Although the board | substrate which mounts a circuit element is not specifically limited, The two-layer board | substrate which affixed copper foil on both surfaces of the plate-shaped insulator is suitable. In addition, it is known that the use of a multilayer substrate having a larger number of layers, for example, a two-layer substrate and a four-layer substrate in which both sides of a plate-like insulator are bonded to each other has an improvement in wiring density and other advantages. ing.

コスト要求が非常に厳しい場合、本発明によれば、銅箔パターンを片面にしか持たない片面基板で実施することも可能である。たとえば、図3では202、205、208、207、210の基準電位端子を、貫通穴で接続された裏面の銅箔を介して接続している。裏面の銅箔ではなくて、相互に錫めっき線や銅線のような任意の導体で接続しても良いことは明らかである。 When the cost requirement is very severe, according to the present invention, it is also possible to carry out with a single-sided substrate having a copper foil pattern only on one side. For example, in FIG. 3, the reference potential terminals 202, 205, 208, 207, and 210 are connected via a copper foil on the back surface connected by a through hole. It is obvious that the conductors may be connected to each other by an arbitrary conductor such as a tin-plated wire or a copper wire instead of the copper foil on the back surface.

たとえば、205を起点として207への錫めっき線と、202、208、210への導体配線を用いてもよい。 For example, a tin-plated wire to 207 starting from 205 and a conductor wiring to 202, 208, 210 may be used.

前記回路素子だけでなく、制御用素子を、前記回路素子と同一面に実装してもよい。 In addition to the circuit element, a control element may be mounted on the same surface as the circuit element.

制御用素子は、前記回路素子の電圧や電流を監視し、その値にしたがって制御端子に指令を与える素子である。 The control element is an element that monitors the voltage and current of the circuit element and gives a command to the control terminal according to the value.

同一面とすることによって、一般的には実装作業を一度で済ませることができるため、製造コストを削減できる。 By using the same surface, generally, the mounting operation can be completed at a time, so that the manufacturing cost can be reduced.

同一面とすることには別の効果も伴う。たとえば指令信号を同一面上の配線のみで伝達できるようにすると、指令信号の動作が速くなるため、回路損失の低下に有効である。 Having the same surface also has other effects. For example, if the command signal can be transmitted only by wiring on the same surface, the operation of the command signal becomes faster, which is effective in reducing circuit loss.

精度の高い電流制御、電圧制御を提供できる。 Highly accurate current control and voltage control can be provided.

101 入力側コンデンサの配置位置
102 入力側コンデンサの配置位置2
103 第二のスイッチ
104 第一のスイッチ
105 出力側コンデンサ
106 インダクタ
107 銅箔パターン
108 貫通穴
109 基準電位の銅箔(裏面)
101 Input side capacitor placement position 102 Input side capacitor placement position 2
103 Second switch 104 First switch 105 Output-side capacitor 106 Inductor 107 Copper foil pattern 108 Through hole 109 Reference potential copper foil (back surface)

201 入力側コンデンサの配置位置
202 入力側コンデンサの配置位置2
203 第二のスイッチ
204 第一のスイッチ
205 出力側コンデンサ
206 インダクタ
207 小さなコンデンサ
208 貫通穴
209 基準電位の銅箔(裏面)
210 入力側コンデンサの配置位置3
201 Input side capacitor placement position 202 Input side capacitor placement position 2
203 2nd switch 204 1st switch 205 Output side capacitor 206 Inductor 207 Small capacitor 208 Through hole 209 Reference potential copper foil (back surface)
210 Input capacitor position 3

VI 入力
VO 出力
VR 基準電位
VR(I) 入力側の基準電位端子
VR(O) 出力側の基準電位端子
CI 入力側コンデンサ
CO 出力側コンデンサ
A 素子
B 素子
C 素子
VI Input VO Output VR Reference potential VR (I) Input side reference potential terminal VR (O) Output side reference potential terminal CI Input side capacitor CO Output side capacitor A Element B Element C Element

Claims (7)

電力変換回路であって、電流検出に利用する素子の安定電位側導体パターンと、同電位の平滑コンデンサ端子側導体パターンの間を分断するように、空隙を形成したもの。 A power conversion circuit in which a gap is formed so as to divide between a stable potential side conductor pattern of an element used for current detection and a smoothing capacitor terminal side conductor pattern of the same potential. 請求項1であって、前記回路素子を印刷基板の片側のみに実装したもの。 2. The circuit element according to claim 1, wherein the circuit element is mounted only on one side of the printed board. 請求項1から2であって、回路素子の実装されていない面を基準電位または入力または出力電位の導体シールドとしたもの。 3. A circuit board according to claim 1, wherein a surface on which no circuit element is mounted is a conductor shield of a reference potential or an input or output potential. 請求項1から3であって、スイッチとして30ミリオーム以下のMOSFETを使用した電流帰還PWMであって、請求項1に定める電流によって生じる電圧を差動配線によって取り出しているもの。 4. A current feedback PWM using a MOSFET of 30 milliohms or less as a switch according to claim 1, wherein a voltage generated by the current defined in claim 1 is taken out by a differential wiring. 請求項1から4を利用したBUCK型コンバータ、BUCK-BOOST型コンバータ、BOOST型コンバータのいずれかであるもの。 Any one of a BUCK type converter, a BUCK-BOOST type converter, and a BOOST type converter using claims 1 to 4. 請求項1から4を利用したインバータ、コンバータ、および電力増幅器。 An inverter, a converter, and a power amplifier using the first to fourth aspects. 1の主電源に対して、前記請求項1から6の回路と、インダクタやスイッチを有する電力変換回路や別のパルス負荷を並列に接続したもの。 A main power source in which the circuit according to any one of claims 1 to 6, a power conversion circuit having an inductor and a switch, and another pulse load are connected in parallel.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112309995A (en) * 2019-10-30 2021-02-02 成都华微电子科技有限公司 Ceramic tube shell and packaging structure of voltage regulator and manufacturing method thereof
CN115833547A (en) * 2023-02-08 2023-03-21 西南交通大学 Decoupling circuit suitable for wide-band pulse load and control method

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