JP2013005578A - Ｌｃモジュールおよびｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】寄生インダクタンスが小さく、かつ平坦性を確保することができるＬＣモジュールを提供する。
【解決手段】実装用基板３１に直接コンデンサを搭載することで、インダクタ１１上部から実装用基板３１までの配線が不要となり、寄生インダクタンスの影響がなくなる。また、実装用基板３１に実装される側のコンデンサには、１チップ内に複数のコンデンサが内蔵されたコンデンサアレイ２１を用い、平坦性を確保する。さらに、コンデンサアレイの各端子電極のうち、Ｖｉｎ、Ｖｏｕｔ、およびＧＮＤ以外の端子電極をＬＸ（スイッチング素子に接続する側のインダクタの端部）とし、ＬＸをＶｏｕｔに隣接および対向しない箇所に配置する。これにより、ＬＸから遠い側のコンデンサを出力コンデンサとして機能させることになり、ＬＸに現れるスイッチングノイズがＶｏｕｔに漏れ出すことを防止することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、コイルとコンデンサを含むＬＣモジュール、および当該ＬＣモジュールを用いたＤＣ−ＤＣコンバータに関するものである。

従来、ＤＣ−ＤＣコンバータに用られるＬＣモジュールとして、例えば特許文献１，２のような構造が知られている。

特許文献１に示された構造は、積層体内部にコイルパターン（チョークコイル）を形成してインダクタを構成し、当該インダクタの上部に制御ＩＣやコンデンサを搭載したものである。

特許文献２に示された構造は、制御ＩＣおよび２つのコンデンサの上にインダクタを搭載したものである。

国際公開第２００８／０８７７８１号 国際公開第２０１０／０５３０３８号

しかし、特許文献１に示された構造では、実装面が積層体の下面側となるため、積層体上部に搭載された制御ＩＣやコンデンサと、積層体下面側との電気的導通を取る必要がある。積層体は磁性体材料を含むため、この積層体内部をビアホールで導通すると、寄生インダクタンスが大きくなるという課題が発生する。

特許文献２に示された構造では、各コンデンサの高さのばらつきにより、平坦性を確保することが難しいという課題がある。

そこで、この発明は、寄生インダクタンスが小さく、かつ平坦性を確保することができるＬＣモジュールを提供することを目的とする。

本発明のＬＣモジュールは、入力端子と、出力端子と、接地端子と、前記入力端子と前記接地端子との間に接続される入力コンデンサ、および前記出力端子と前記接地端子との間に接続される出力コンデンサ、を含み、長手方向に同数の対向する複数の端子電極を有するコンデンサアレイと、前記コンデンサアレイの上に搭載され、チョークコイルを形成するインダクタと、備えている。

このように、１チップに複数のコンデンサが内蔵されたコンデンサアレイの上にインダクタを搭載することで平坦性を確保するとともに寄生インダクタンスを小さくすることができる。

さらに、上記本発明のＬＣモジュールにおいて、前記インダクタの一端は、前記入力端子または前記出力端子に接続され、前記インダクタの他端は、前記入力端子、前記出力端子、および前記接地端子以外の前記端子電極に接続され、前記インダクタの他端が接続される端子電極は、前記出力端子に接続される端子電極に対して、前記コンデンサアレイにおいて隣接および対向しない箇所に配置されている。

すなわち、コンデンサアレイの各端子電極のうち、入力端子（Ｖｉｎ）、出力端子（Ｖｏｕｔ）、および接地端子（ＧＮＤ）以外の端子電極をスイッチング素子に接続する側のインダクタの端部に接続する端子（ＬＸ）とし、ＬＸをＶｏｕｔに隣接および対向しない箇所に配置する。これにより、ＬＸから遠い側のコンデンサを出力コンデンサとして機能させることになり、ＬＸに現れるスイッチングノイズがＶｏｕｔに漏れ出すことを防止することができる。

なお、コンデンサアレイとしては、入力コンデンサおよび出力コンデンサが、コンデンサアレイの長手方向に対して、領域分割にて形成されている態様であることが好ましいが、積層方向に電極板を分けている態様であってもよい。

また、コンデンサアレイのインダクタの他端が接続される端子電極は、当該コンデンサアレイの短手方向に形成されている態様も可能である。

なお、本発明のＬＣモジュールをＤＣ−ＤＣコンバータとして用いる場合、制御ＩＣは、インダクタのさらに上に搭載してもよいが、ＬＣモジュールの横に、ＬＣモジュールを実装する基板の上に搭載することで低背化を実現することができる。

この発明によれば、寄生インダクタンスが小さく、かつ平坦性を確保することができる。

ＬＣモジュール、実装用基板、および制御ＩＣの接続関係を示す図である。 ＬＣモジュールを降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータに用いる場合、および昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータに用いる場合の回路図である。 コンデンサアレイの第１の例を示す図である。 コンデンサアレイの第２の例を示す図である。 コンデンサアレイの第３の例を示す図である。 コンデンサアレイの第４の例を示す図である。 チョークコイルを２個搭載する例を示した図である。 コンデンサアレイの第５の例を示す図である。

図１は、ＬＣモジュール、実装用基板、および制御ＩＣの接続関係を示す図である。

ＬＣモジュール１は、コンデンサアレイ２１の上にインダクタ１１を搭載して一体化したものである。コンデンサアレイ２１は、内部に複数のコンデンサが形成されている。インダクタ１１は、内部にチョークコイル１２が形成されている。

インダクタ１１は、例えば、磁性体を含むセラミックグリーンシートにコイルパターンを形成し、当該セラミックグリーンシートを積層して焼成することにより形成される。コンデンサアレイ２１の構造は、後に詳しく述べる。

ＬＣモジュール１のうち、下面側のコンデンサアレイ２１は、電子機器の製品製造工程において実装用基板３１に実装される。そして、コンデンサアレイにおける複数のコンデンサ、およびチョークコイル１２は、当該実装用基板３１を介してスイッチング素子を含む制御ＩＣ４１に電気的に接続される。この場合、実装用基板３１に直接コンデンサが搭載されるため、インダクタ１１上部から実装用基板３１までの配線が不要となり、寄生インダクタンスの影響がなくなる。

このように、ＬＣモジュール１を電子部品モジュールとして出荷した後、電子機器の製品製造工程において、実装用基板３１にＬＣモジュール１と制御ＩＣ４１を実装することで、ＤＣ−ＤＣコンバータを実現することができる。なお、制御ＩＣ４１は、ＬＣモジュール１の上に搭載してもよいが、図１の例では、制御ＩＣ４１が実装基板３１上のＬＣモジュール１の近傍に設置されているため、低背化を実現することができる。

図２（Ａ）は、ＬＣモジュール１を降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータに用いる場合、図２（Ｂ）は、同ＬＣモジュール１を昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータに用いる場合の回路図である。

図２（Ａ）に示すように、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの場合、チョークコイル１２の一端は、出力端子（Ｖｏｕｔ）に接続され、他端は、制御ＩＣ４１に接続される。一方、図２（Ｂ）に示すように、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの場合、チョークコイル１２に一端は、入力端子（Ｖｉｎ）に接続され、他端は、制御ＩＣ４１に接続される。

降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの場合、制御ＩＣ４１は、ＦＥＴをオン、オフすることで、入力電圧を矩形波状の信号として出力する。この矩形波状の信号をチョークコイル１２および出力コンデンサＣ２で平滑化することで入力電圧よりも低い出力電圧を得る。この場合、制御ＩＣ４１が各ＦＥＴのオン時間及びオフ時間を任意に設定することで、所望の出力電圧を得ることができる。

また、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの場合、ＦＥＴオン時にチョークコイル１２に蓄積されたエネルギーがＦＥＴオフ時に誘導電圧として入力電圧に加算され、出力コンデンサＣ２によって平滑化されることで、入力電圧よりも高い出力電圧を得る。この場合も、制御ＩＣ４１が各ＦＥＴのオン時間及びオフ時間を任意に設定することで、所望の出力電圧を得ることができる。

また、降圧型および昇圧型のいずれも、安定した入力電圧を供給するために、入力側コンデンサＣ１が設けられている。

したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータを実現するためには、少なくとも２つのコンデンサが必要である。そこで、本実施形態のＬＣモジュールでは、実装用基板３１に実装される下側のコンデンサには、１チップ内に複数のコンデンサが内蔵されたコンデンサアレイ２１を用い、平坦性を確保する態様としている。

図３は、コンデンサアレイ２１の第１の例を示す図である。この例のコンデンサアレイは、２つのコンデンサと４つの端子電極を有する。この例のコンデンサアレイは、図３（Ａ）に示すように、４つの電極板を積層方向に積層したコンデンサアレイであり、積層方向上側から、取り出し端子電極が左上側に形成されている第１の層、取り出し端子電極が右下に形成されている第２の層、取り出し端子電極が右上に形成されている第３の層、および取り出し端子電極が右下に形成されている第４の層、となっている。このコンデンサアレイを用いて上述のＬＣモジュールを実現する場合、図３（Ｂ）に示すように、コンデンサアレイを平面視して、左上側の取り出し端子電極をＶｉｎに接続して第１の層をＶｉｎに接続し、右上の取り出し端子電極をＶｏｕｔに接続して第３の層をＶｏｕｔに接続し、右下の取り出し端子電極をＧＮＤに接続して第２および第４の層をＧＮＤに接続する。

ここで、残る左下の端子電極は、内部の電極板には接続されず、コンデンサアレイの上面側から下面側への導通をとるように構成されている。図３の例では、この端子電極をチョークコイル１２の端部（制御ＩＣ４１に接続する側の端部）に接続するための端子（ＬＸ）とする（図２を参照）。

降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの場合、チョークコイル１２の一端は、Ｖｏｕｔに接続されるため、図３（Ｂ）に示すように、コンデンサアレイ右上の端子電極に接続される。昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの場合、チョークコイル１２の一端は、Ｖｉｎに接続されるため、図３（Ｂ）に示すように、コンデンサアレイ左上の端子電極に接続される。これにより、図１および図２に示したＬＣモジュールを構成する。

このように、本実施形態のＬＣモジュールでは、ＬＸをＶｏｕｔに隣接および対向しない箇所に配置する。これにより、ＬＸから遠い側のコンデンサを出力コンデンサＣ２として機能させることになり、ＬＸに現れるスイッチングノイズがＶｏｕｔに漏れ出すことを防止することができる。

次に、図４は、コンデンサアレイ２１の第２の例を示す図である。この例のコンデンサアレイも、２つのコンデンサと４つの端子電極を有し、電極板が４層存在するコンデンサアレイである。この例のコンデンサアレイを用いてＬＣモジュールを構成する場合、図３（Ｂ）に示すように、コンデンサアレイを平面視して、左上側の取り出し端子電極をＶｉｎに接続し、右上の取り出し端子電極をＶｏｕｔに接続し、右下の取り出し端子電極をＧＮＤに接続する。ただし、この例のコンデンサアレイは、図４（Ａ）に示すように、積層方向の上側から第１層の電極板および第３層の電極板を、コンデンサアレイの長手方向に対して領域分割することにより、コンデンサアレイを平面視して左側および右側にそれぞれ２つのコンデンサを形成している。

すなわち、この例のコンデンサアレイは、積層方向上側から、取り出し端子電極がＶｉｎに接続される電極板およびＶｏｕｔに接続される電極板が存在する第１の層、取り出し端子電極がＧＮＤに接続される第２層、取り出し端子電極がＶｉｎに接続される電極板およびＶｏｕｔに接続される電極板が存在する第３の層、ならびに、取り出し端子電極がＧＮＤに接続される第４の層、となっている。

図４の例においても、残る左下の端子電極は、内部の電極板には接続されず、コンデンサアレイの上面側から下面側への導通をとるように構成されている。図４の例においても、この端子電極をチョークコイル１２の端部（制御ＩＣ４１に接続する側の端部）に接続するＬＸとする。

図３の例と同様に、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの場合、チョークコイル１２の一端は、Ｖｏｕｔに接続されるため、図４（Ｂ）に示すように、コンデンサアレイ右上の端子電極に接続される。また、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの場合、チョークコイル１２の一端は、Ｖｉｎに接続されるため、図４（Ｂ）に示すように、コンデンサアレイ左上の端子電極に接続される。

したがって、図４の例に係るコンデンサアレイを備えたＬＣモジュールにおいても、ＬＸをＶｏｕｔに隣接および対向しない箇所に配置する。これにより、ＬＸから遠い側のコンデンサを出力コンデンサＣ２として機能させることになり、ＬＸに現れるスイッチングノイズがＶｏｕｔに漏れ出すことを防止することができる。特に、図４の例では、図３の例に比べ、Ｖｏｕｔに接続される電極板がＬＸから遠くなり、ＬＸからのノイズはＶｉｎ側に集中するため、ノイズ特性としても好ましいものである。

以上のように、本実施形態のＬＣモジュールに用いるコンデンサアレイとしては、入力コンデンサおよび出力コンデンサが、コンデンサアレイの長手方向に対して、領域分割にて形成されている態様であっても積層方向に電極板を分けている態様であっても適用可能である。

次に、図５は、コンデンサアレイ２１の第３の例を示す図である。この例のコンデンサアレイは、３つのコンデンサと６つの端子電極を有する。この例のコンデンサアレイは、図４（Ａ）に示すように、各層の電極板をコンデンサアレイの長手方向に対して３つに領域分割することにより、コンデンサアレイを平面視して左側、中央、および右側にそれぞれ３つのコンデンサを形成している。積層方向の上側から第１の層および第３の層の各電極板の取り出し端子電極は、それぞれコンデンサアレイを平面視した上側に形成され、第２の層および第４の層の各電極板の取り出し端子電極は、それぞれコンデンサアレイを平面視した下側に形成されている。

すなわち、図５に示すコンデンサアレイは、図３および図４に示したような内部電極板に接続されない端子電極は存在せず、ごく一般的な６端子、３コンデンサの汎用コンデンサアレイである。

ここで、ＬＣモジュールを実現する場合、図５（Ｂ）に示すように、コンデンサアレイを平面視して、左上側の取り出し端子電極をＶｉｎに接続し、右上の取り出し端子電極をＶｏｕｔに接続し、右下の取り出し端子電極をＧＮＤに接続する。残る端子電極のうち、コンデンサアレイを平面視して、中央下側の端子電極を、チョークコイル１２の端部（制御ＩＣ４１に接続する側の端部）に接続するＬＸとする。中央上側の端子電極は使用しない（ＮＣ：Ｎｏｔ Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）。したがって、領域中央のコンデンサは使用されず、中央下側の端子電極は、コンデンサアレイの上面側および下面側の導通をとるための端子電極として使用される。

そして、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの場合、チョークコイル１２の一端は、Ｖｏｕｔに接続されるため、図５（Ｂ）に示すように、コンデンサアレイ右上の端子電極に接続され、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの場合、チョークコイル１２の一端は、Ｖｉｎに接続されるため、図５（Ｂ）に示すように、コンデンサアレイ左上の端子電極に接続される。

このように、図５の例に係るコンデンサアレイを備えたＬＣモジュールにおいても、ＬＸをＶｏｕｔに隣接および対向しない箇所に配置することになる。したがって、ＬＸに現れるスイッチングノイズがＶｏｕｔに漏れ出すことを防止することができる。本実施形態のＬＣモジュールは、図５に示すような汎用コンデンサアレイを用いる態様でも実現可能であり、本実施形態のＬＣモジュールに専用のコンデンサアレイを用意することがなく、コスト的にも有利なものを用いることも可能である。

次に、図６は、コンデンサアレイ２１の第４の例を示す図である。この例のコンデンサアレイは、図４に示したコンデンサアレイと同様に積層方向の上側から第１層の電極板および第３層の電極板を、コンデンサアレイの長手方向に対して領域分割することにより、コンデンサアレイを平面視して左側および右側にそれぞれ２つのコンデンサを形成している。ただし、第２の層および第４の層の電極板の取り出し端子電極は、コンデンサアレイを平面視して右下および左下に形成され、ＧＮＤ接続用の端子電極が２つ用意されているものである。ここで、この例のコンデンサアレイは、コンデンサアレイの短手方向にさらに端子電極が２つ形成されている。つまり、この例のコンデンサアレイは、一般的な４端子、２コンデンサの汎用コンデンサアレイにおいて、短手方向の途中に２カ所、内部電極板に接続されない端子電極を追加したものである。

この例のコンデンサアレイを用いてＬＣモジュールを構成する場合、図６（Ｂ）に示すように、コンデンサアレイを平面視して、左上側の取り出し端子電極をＶｉｎに接続し、右上の取り出し端子電極をＶｏｕｔに接続し、右下および左下の取り出し端子電極をＧＮＤに接続する。そして、短手方向の端子電極のうち、Ｖｏｕｔから遠い側の端子電極をチョークコイル１２の端部（制御ＩＣ４１に接続する側の端部）に接続するＬＸとする。残る短手方向の端子電極は使用しない（ＮＣ）。

したがって、図６の例に係るコンデンサアレイを備えたＬＣモジュールにおいても、ＬＸをＶｏｕｔに隣接および対向しない箇所に配置することになり、ＬＸに現れるスイッチングノイズがＶｏｕｔに漏れ出すことを防止することができる。このように、コンデンサアレイの短手方向に新たな端子電極を設けることでも本実施形態のＬＣモジュールを構成することが可能である。

特に、図６の例では、図３の例に比べ、Ｖｏｕｔに接続される電極板がＬＸから遠く、図４の例に比べてもＶｏｕｔに接続される電極板がＬＸからさらに遠くなっているため、ノイズ特性としても好ましいものである。

さらに、本願発明は、複数のチョークコイルを搭載したＬＣモジュールについても適用可能である。図７は、２つのチョークコイルを搭載したＬＣモジュール、実装用基板、および制御ＩＣの接続関係を示す図である。

図７のＬＣモジュール１は、図１のＬＣモジュールと同様に、コンデンサアレイ７１の上にインダクタ５１を搭載して一体化したものである。インダクタ５１は、内部に複数のチョークコイル（チョークコイル１２Ａおよびチョークコイル１２Ｂ）が形成されている。

図８は、コンデンサアレイ７１の例を示す図である。この例のコンデンサアレイは、４つのコンデンサと１０の端子電極を有する。この例のコンデンサアレイは、図８（Ａ）に示すように、積層方向上面側から第１の層および第３の層の電極板をコンデンサアレイの長手方向に対して４つに領域分割することにより、４つのコンデンサを形成している。積層方向の上側から第１の層および第３の層の各電極板の取り出し端子電極は、それぞれコンデンサアレイを平面視した上側に形成され、第２の層および第４の層の各電極板の取り出し端子電極は、それぞれコンデンサアレイを平面視した下側に形成されている。

すなわち、図８に示すコンデンサアレイは、ごく一般的な８端子、４コンデンサの汎用コンデンサアレイにおいて、短手方向の途中に２カ所、内部電極板に接続されない端子電極を追加したものである。

ここで、ＬＣモジュールを実現する場合に、図８（Ｂ）に示すように、コンデンサアレイを平面視して、左上側の取り出し端子電極をＶｉｎ１に接続し、中央左上側の取り出し端子電極をＶｏｕｔ１に接続し、中央右上側の取り出し端子電極をＶｏｕｔ２に接続し、右上の取り出し端子電極をＶｉｎ２に接続し、下側の取り出し端子電極をＧＮＤに接続する。残る短手方向の端子電極のうち、それぞれＶｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２から遠い側の端子電極をチョークコイル１２Ａおよびチョークコイル１２Ｂの端部（制御ＩＣ４１に接続する側の端部）に接続するＬＸ１およびＬＸ２とする。このような構成とすることで、異なる２つの出力電圧を出力する、２チャンネルのＤＣ−ＤＣコンバータを実現することが可能となる。

したがって、図７，８の例に係る２つのチョークコイルを内蔵したインダクタを備えたＬＣモジュールにおいても、ＬＸをＶｏｕｔに隣接および対向しない箇所に配置することになり、ＬＸに現れるスイッチングノイズがＶｏｕｔに漏れ出すことを防止することができる。

１…ＬＣモジュール
１１…インダクタ
１２…チョークコイル
２１…コンデンサアレイ
３１…実装用基板
Ｃ１…入力側コンデンサ
Ｃ２…出力コンデンサ

Claims (4)

1. 入力端子と、
   出力端子と、
   接地端子と、
   前記入力端子と前記接地端子との間に接続される入力コンデンサ、および前記出力端子と前記接地端子との間に接続される出力コンデンサ、を含み、長手方向に同数の対向する複数の端子電極を有するコンデンサアレイと、
   前記コンデンサアレイの上に搭載され、チョークコイルを形成するインダクタと、
   を備えたＬＣモジュールであって、
   前記インダクタの一端は、前記入力端子または前記出力端子に接続され、
   前記インダクタの他端は、前記入力端子、前記出力端子、および前記接地端子以外の前記端子電極に接続され、
   前記インダクタの他端が接続される端子電極は、前記出力端子に接続される端子電極に対して、前記コンデンサアレイにおいて隣接および対向しない箇所に配置されていることを特徴とするＬＣモジュール。
2. 前記入力コンデンサおよび前記出力コンデンサは、前記コンデンサアレイの長手方向に対して、領域分割にて形成されていることを特徴とする請求項１に記載のＬＣモジュール。
3. 前記インダクタの他端が接続される端子電極は、前記コンデンサアレイの短手方向に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＬＣモジュール。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のＬＣモジュールと、
   スイッチング素子を含む制御回路と、
   を備えたＤＣ−ＤＣコンバータであって、
   前記インダクタの他端が前記制御回路に接続されることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。

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