JP2018057211A - 出力ノイズ低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大きなＤＣ電流を出力するスイッチング電源やその他の電子機器であっても、大型化することなく、電力損失を抑制するとともに、電子機器に起因する配線を介して回り込んで出力端子に伝搬してしまうノイズを抑制することが可能な出力ノイズ低減装置を提供すること。
【解決手段】伝導性樹脂材で形成される抵抗素子１３の抵抗部１３ｃをインダクタ素子１１の空芯コイル１１ｃの空芯部に貫通して配置し、インダクタ素子１１の一方の接続端子１１ａと抵抗素子１３の一方の端部とを接続すると共に、インダクタ素子１１の他方の接続端子１１ｂと抵抗素子１３の他方の端部とを接続して、抵抗素子１３とインダクタ素子１１とを並列に配置した。
【選択図】図３

Description

本願に開示の技術は、出力信号に混入するノイズを抑制する出力ノイズ低減装置に関し、特に、出力信号の信号経路に挿入されるインダクタンス素子を含むノイズ低減装置に関するものである。

スイッチング電源やその他の電子機器から出力される出力電圧や出力信号には、電子機器等の動作周波数やその高調波周波数のスイッチングノイズが混入する場合がある。こうしたノイズは、外部の電子機器に対して悪影響を及ぼす場合があり必要に応じて抑制することが必要である。スイッチング電源では、パワートランジスタのスイッチング動作により所定電圧値の出力電圧を出力するところ、パワートランジスタのオンオフによる電流経路の切り替えにより、出力定格によってはスイッチング周波数およびその高調波周波数のノイズが発生する。このノイズが出力電圧に重畳されて外部の電子機器に伝搬されることが考えられる。

こうしたノイズを抑制するための方法として、抵抗素子と直列にインダクタンス素子を付加するＬＲフィルタが採用される場合がある。特許文献１には、角板状のセラミック基板と、このセラミック基板の一方の面にインダクタ層、他方の面に抵抗体層を形成し、外部電極との接続でＬ，Ｒのフィルタ回路を構成したＬ型のチップ型ＬＲフィルタが開示されている。

特開平６−３６９０６号公報

特許文献１に開示されたチップ型ＬＲフィルタは、出力側負荷に対して並列に抵抗素子と直列にインダクタンス素子が付加されたことと等価になり、一つにこの直列抵抗がプルダウン抵抗および終端（マッチング）抵抗の役割を果たし、信号のアンダーシュート／オーバーシュートを抑えるノイズ除去効果と二つに従来のインダクタンス素子の持つノイズ除去効果を併せ持つとしている。

しかしながら、スイッチング電源やその他の電子機器において、大きなＤＣ電流を出力する場合、抵抗素子を通ってグランドへ流れるＤＣ電流の分が電力損失となってしまうという恐れがある。また、磁性体コアをインダクタンス素子として採用する場合では、大電流により磁性体コアが磁気飽和しないようにギャップを設ける必要があり、磁性体コアの大型化が必要になるという問題がある。

本願に開示される技術は、上記の課題に鑑み提案されたものであって、大きなＤＣ電流を出力するスイッチング電源やその他の電子機器であっても、大型化することなく、電力損失を抑制するとともに、電子機器に起因する配線を介して回り込んで出力端子に伝搬してしまうノイズを抑制することが可能な出力ノイズ低減装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため請求項１に係る出力ノイズ低減装置は、電子機器からの出力信号に混入するノイズを低減する出力ノイズ低減装置であって、導電性材料により形成され、一方の端部を電子機器に係る出力端に接続する接続端子とし、他方の端部を出力端子とするインダクタ素子と、インダクタ素子と並列に配置され、一方の端部を接続端子に接続し、他方の端部を出力端子と接続される抵抗素子とを備え、インダクタ素子のインダクタンス値Ｌと角周波数ωとの積ωＬと、抵抗素子の抵抗値Ｒとは所定の角周波数以上においてωＬ≧Ｒの関係であることを特徴とする。

請求項２に係る出力ノイズ低減装置は、請求項１に記載の出力ノイズ低減装置において、インダクタ素子は、空芯コイルであることを特徴とする。

請求項３に係る出力ノイズ低減装置は、請求項２に記載の出力ノイズ低減装置において、抵抗素子は、インダクタ素子の空芯コイルの空芯部を貫通するように配置されることを特徴とする。

請求項４に係る出力ノイズ低減装置は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の出力ノイズ低減装置において、インダクタ素子は、熱伝導性樹脂によりモールドされることを特徴とする。

請求項５に係る出力ノイズ低減装置は、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の出力ノイズ低減装置において、抵抗素子は、導電性樹脂材料により形成されることを特徴とする。

請求項１に係る出力ノイズ低減装置では、インダクタ素子と抵抗素子とを並列に配置される。そして、インダクタ素子のインダクタンス値Ｌと角周波数ωとの積ωＬは、所定の角周波数以上では、抵抗素子の抵抗値Ｒ以上の大きさになる。すなわち、所定の角周波数以上では、インダクタ素子のインピーダンス（抵抗値）が抵抗素子のインピーダンス（抵抗値）以上の大きさになるため、所定の角周波数以上のノイズ電流は抵抗素子に流れて電力消費されて減衰する。これにより、電子機器からの出力信号の内、ＤＣ電流はインダクタ素子を損失することなく流れ、所定の角周波数以上のノイズ電流は抵抗素子に流れて電力消費されて減衰される。このように、効率的にノイズが抑制されたＤＣ電流を、電力損失を抑えて出力することができることから、大きなＤＣ電流を出力する電子機器に接続する場合であっても、出力ノイズ低減装置は大型化することを抑えることができる。

請求項２に係る出力ノイズ低減装置では、空芯コイルをインダクタ素子として採用する。インダクタ素子としてフェライトコアを採用した場合、大電流による磁気飽和を抑えるため、フェライトコアにギャップを設ける必要がある。フェライトコアにギャップを設けるとインダクタンスが大幅に減少するため、フェライトコアの大型化が必要になる。インダクタ素子として空芯コイルを採用することにより、フェライトコアにおける磁気飽和の問題を回避できるとともに、軽量化を実現することができる。

請求項３に係る出力ノイズ低減装置では、空芯コイルであるインダクタ素子の空芯部を貫通するように抵抗素子を配置する。これにより、出力ノイズ低減装置全体がコンパクト化することができる。

請求項４に係る出力ノイズ低減装置では、熱伝導性樹脂によりインダクタ素子をモールドする。これにより、インダクタ素子から発生する熱を効率よく放熱することができるため、放熱器などを別途備える必要がなく、コストを抑えることができる。

請求項５に係る出力ノイズ低減装置では、導電性樹脂材料により抵抗素子を形成する。これにより、コイルを含めて一体成形成型することができるため、出力ノイズ低減装置の構造の簡略化や小型化を行うことができる。

本発明の一実施形態に係る出力ノイズ低減装置の一例であるノイズフィルタモジュールをスイッチング電源に接続した場合の回路図である。 本発明の一実施形態のノイズフィルタモジュールの（ａ）インダクタ素子（コア）部と（ｂ）抵抗素子部の斜視図である。 本発明の一実施形態のノイズフィルタモジュールの全体斜視図である。 本発明の一実施形態のノイズフィルタモジュールの（ａ）上から見た上面透視図、（ｂ）横から見た側面透視図および（ｃ）前方から見た前方図である。

図１は本願に係る本発明の一実施形態の回路図である。出力ノイズ低減装置の一例としてノイズフィルタモジュール１がスイッチング電源５の出力端子ＶＸと出力端子ＶＯとの間に接続される場合を示す。スイッチング電源５およびノイズフィルタモジュール１は、アルミダイカスト製などの金属製筐体３に収納されている。図１においては、ノイズフィルタモジュール１に関する電気的な作用効果を説明する。

スイッチング電源５は、例えば、車載用の電源である。ハイブリッド車あるいは電気自動車等における駆動系の電源電圧ＶＩＮを供給するメインバッテリー（不図示）から電圧値を降圧して補機バッテリー（不図示）への電力供給を行う降圧型のスイッチング電源である。補機バッテリーは、オーディオ機器、エアコン機器、照明機器などの車内電装機器に電源電圧を供給する。

スイッチング電源５は、パワートランジスタ（不図示）を所定スイッチング周波数ｆでオンオフ制御させることで所定電圧の出力を得る。スイッチング電源５では、このスイッチング動作に応じて、内部結線によってはスイッチング周波数ｆで高電圧と低電圧との間で交互に電圧変動が生ずる。また、負荷電流に応じた電流が電源電圧ＶＩＮおよび接地電位ＧＮＤに交互に断続して流れ電流変動が生ずる。スイッチング動作による電圧変動と電流変動とがノイズ源となり出力端子へのノイズを招来する場合がある。すなわち、信号経路や接地配線を介して回り込む伝導ノイズとして出力端子ＶＯに伝搬して、出力端子ＶＯに接続される電子機器に悪影響を及ぼすのである。

スイッチング電源５の出力端子ＶＸにはノイズフィルタモジュール１が接続されている。ノイズフィルタモジュール１は、スイッチング電源５の出力端子ＶＸと出力端子ＶＯとを結ぶ出力電圧経路にインダクタ素子Ｌ１と抵抗素子Ｒ１とが並列が設けられている。ここで、インダクタ素子Ｌ１のインダクタンス値Ｌと角周波数ωとの積ωＬと、抵抗素子Ｒ１の抵抗値Ｒとは所定の角周波数ωにおいてωＬ≧Ｒになるように、インダクタ素子Ｌ１のインダクタンス値Ｌと抵抗素子Ｒ１の抵抗値Ｒが設定されている。これにより、主に周波数が高い伝導ノイズは、抵抗素子Ｒ１に流れて電力損失となって出力端子に伝搬することが抑制されるのである。例えば、車載用のスイッチング電源では数１００ｋＨｚで動作することが考えられる。このため、スイッチング周波数ｆやその高調波周波数が、車載ＡＭラジオの周波数帯域に重なる場合がある。このような場合、上記の所定の角周波数ωを数１００ｋＨｚの領域の範囲で設定することにより、これらの帯域で信号経路を伝搬する伝導ノイズを抑制することができる。

また、スイッチング電源５およびノイズフィルタモジュール１は、アルミダイカスト製などの金属製筐体３に収納されている。これにより、金属製筐体３が電磁的なシールドの効果を奏するため、金属製筐体３内でのスイッチング動作により発生する放射ノイズが出力端子ＶＯに伝搬することが抑制される。

次に、ノイズフィルタモジュール１のモジュール構成である形状・構造に関して説明する。図２はノイズフィルタモジュール１のインダクタ素子（コア）部（図２（ａ））と抵抗素子部の斜視図（図２（ｂ））である。図３はノイズフィルタモジュール１の全体斜視図である。そして、図４はノイズフィルタモジュール１の上から見た上面透視図（図３（ａ））、横から見た側面透視図（図３（ｂ））および前方から見た前方図（図３（ｃ））である。

図１に示すスイッチング電源５の出力端子ＶＸと出力端子ＶＯとをつなぐ出力電圧経路に並列に設けられるインダクタ素子Ｌ１と抵抗素子Ｒ１とは、図２に示すコイル状のインダクタ素子１１と抵抗素子１３とで構成される。図２（ａ）に示すようにインダクタ素子１１は、例えば銅や炭素鋼等の金属材料で形成され、スイッチング電源５の出力端子ＶＸに接続するための接続端子１１ａ、出力端子ＶＯに接続するための接続端子１１ｂおよび空芯コイル１１ｃで構成されている。また、図２（ｂ）に示すように抵抗素子１３は、例えば導電性樹脂などの導電部材で形成され、インダクタ素子１１の断面と略同形の平板状に形成される遮蔽板１３ａ、１３ｂおよび略直方体の抵抗部１３ｃで構成されている。そして、遮蔽板１３ａには、インダクタ素子１１の接続端子１１ａが貫通する貫通穴１３ｄ設けられ、遮蔽板１３ｂには、インダクタ素子１１の接続端子１１ｂが貫通する貫通穴１３ｅ設けられている。抵抗素子１３の抵抗部１３ｃをインダクタ素子１１の空芯コイル１１ｃの空芯部に挿入し、さらに、インダクタ素子１１の接続端子１１ａが貫通穴１３ｄを、インダクタ素子１１の接続端子１１ｂが貫通穴１３ｅを貫通した状態で、半田付け等で接合することにより、ノイズフィルタモジュール１は、スイッチング電源５の出力端子ＶＸと出力端子ＶＯとの間にインダクタ素子１１と抵抗素子１３とを並列に配置される。

ここで、インダクタ素子１１の空芯コイル１１ｃは図２から４に示すように略直方体形状に形成されている。このような形状にすることにより、コイルの面積を広く確保しつつ、省スペース化を実現することができる。すなわち、大電流に対応でき、かつ、狭いスペースにも配置できるのである。また、遮蔽板１３ａ、１３ｂはインダクタ素子１１の空芯コイル１１ｃおよび抵抗素子１３の抵抗部１３ｃを電気的にシールドする効果を有している。

そして、図３に示すように、インダクタ素子１１の空芯コイル１１ｃおよび抵抗素子１３の抵抗部１３ｃは非導電性である熱伝導樹脂１２によりモールドされている。熱伝導樹脂１２によりモールドすることにより、効率的に放熱することができることから、別途放熱板を設ける必要がないため、ノイズフィルタモジュール１をコンパクト化することができる。

上記にように、ノイズフィルタモジュール１では、インダクタ素子１１のインダクタンス値Ｌと角周波数ωとの積ωＬと、抵抗素子１３の抵抗値Ｒとは数１００ｋＨｚの領域の角周波数ωにおいてωＬ≧Ｒになるように、インダクタ素子１１のインダクタンス値Ｌと抵抗素子１３の抵抗値Ｒが設定されている。角周波数ωの設定はこれに限定するものではなく、抑制したい伝導ノイズに合わせてインダクタンス値Ｌと抵抗値Ｒとを設定すればよい。

ここで、スイッチング電源５は電子機器の一例であり、ノイズフィルタモジュール１は出力ノイズ低減装置の一例であり、インダクタ素子１１はインダクタ素子の一例であり、熱伝導樹脂１２は熱伝導性樹脂の一例であり、抵抗素子１３は抵抗素子の一例である。

以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明はかかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものでなく、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることが、理解されるべきである。

例えば、上記実施形態では、インダクタ素子１１の空芯コイル１１ｃは略直方体状としたが、空芯コイルはこれに限定するものではない。円柱状であってもよいし、巻き線状であってもよい。適用する電子機器の出力電流や設置するスペースに合わせて適宜、最適な形状にすればよい。

また、上記実施形態では、抵抗素子１３は導電性樹脂で成形したが、これについても、限定するものではない。一般に流通している抵抗素子なども採用可能である。

また、上記実施形態では、インダクタ素子１１の空芯コイル１１ｃを熱伝導樹脂１２によりモールドしたが、これについても熱伝導樹脂１２でモールドする必要はなく、スペースに余裕があれば放熱器を設けてもよい。

１・・ノイズフィルタモジュール
３・・金属製筐体
５・・スイッチング電源
１１・・インダクタ素子
１２・・熱伝導樹脂
１３・・抵抗素子

Claims (5)

1. 電子機器からの出力信号に混入するノイズを低減する出力ノイズ低減装置であって、
   導電性材料により形成され、一方の端部を前記電子機器に係る出力端に接続する接続端子とし、他方の端部を出力端子とするインダクタ素子と、
   前記インダクタ素子と並列に配置され、一方の端部を前記接続端子に接続し、他方の端部を前記出力端子と接続される抵抗素子とを備え、
   前記インダクタ素子のインダクタンス値Ｌと角周波数ωとの積ωＬと、前記抵抗素子の抵抗値Ｒとは所定の角周波数以上においてωＬ≧Ｒの関係であることを特徴とする出力ノイズ低減装置。
2. 前記インダクタ素子は、空芯コイルであることを特徴とする請求項１に記載の出力ノイズ低減装置。
3. 前記抵抗素子は、前記インダクタ素子の前記空芯コイルの空芯部を貫通するように配置されることを特徴とする請求項２に記載の出力ノイズ低減装置。
4. 前記インダクタ素子は、熱伝導性樹脂によりモールドされることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の出力ノイズ低減装置。
5. 前記抵抗素子は、導電性樹脂材料により形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の出力ノイズ低減装置。

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