JP4922840B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
以下、本発明の第1の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は本発明の第1の実施形態に係るスイッチング電源装置の回路図である。
先ず、対象とするスイッチング電源装置2の構成例を説明する。このスイッチング電源装置2は、液晶テレビやPDP(プラズマディスプレイパネル)の薄型化を狙ったスイッチング電源装置であり、100Vや200Vの商用交流電圧の入力に対して、例えば、24Vの直流電圧を出力する。図1に示すように入力コネクタ20から導入された商用交流電圧は、ダイオードブリッジ10で整流され、その後段に並列されたPFC(Power Factor Correction)回路(力率改善回路)3A、3Bにおいて互いに180度位相を変えて、360〜380Vの直流に昇圧される。
PFC回路3A、3Bは、図示しない力率改善制御回路にスイッチングを制御されるパワーMOSFET(Field-Effect Transistor)11と、昇圧ダイオード12と、チョークコイル13とを含んでいる。
メイン回路の方はハーフブリッジ方式で、4個の電解コンデンサ14の+−両極の間に、直列されたパワーMOSFET15A、15Bが接続されている。2つのMOSFET15A、15Bの中間の接続点P1に共振コンデンサ23と共振コイル24が直列に接続され、それがプレーナトランス17Aの1次側コイルの一方の端子に接続され、プレーナトランス17Aの1次側コイルの他方の端子はパワーMOSFET15Bのソース側に接続されている。
パワーMOSFET15A、15Bのゲート電位は、電源用ICモジュール16に内蔵された図示しない出力電圧一定制御回路によって制御され、2次側の直流電圧が、例えば、24V一定になるように1次側からの供給電力が制御される。
共振コンデンサ23と共振コイル24は電流共振回路を構成し、メイン回路の1次側の電流を正弦波に近づける。
スタンバイ回路の方は、部分共振方式で、4つの電解コンデンサ14の+極に、プレーナトランス17Bの1次側コイルの一方の端子が接続され、プレーナトランス17Bの1次側コイルの他方の端子には、電源用ICモジュール16が接続され、更に、電解コンデンサ14の−極に接続される。電源用ICモジュール16と並列に、電源用ICモジュール16の内部に有するパワースイッチング素子のスイッチング損失を抑制するためにコンデンサ25と抵抗器26が接続される。
電源用ICモジュール16の内部に有するパワースイッチング素子としては、スタンバイ回路は小電力なので必ずしもパワーMOSFETである必要はない。
前記した図示しない力率改善制御回路は、入力コネクタ20から商用交流電力が入力されて、電解コンデンサ14が所定電圧に充電されると作動を開始して、PFC回路3A、3BのパワーMOSFET11、11のゲート電位を、180度位相を変えて制御し、PFC回路3A、3Bを電流臨界動作型のインターリーブ方式の昇圧コンバータとして制御する。そして、前記した図示しない出力電圧一定制御回路は、メイン回路の2次側の出力電圧をフィードバックしてパワーMOSFET15A、15Bをスイッチング制御して、2次側の出力電圧を一定に制御する。
ちなみに、ここで、電解コンデンサ14を4個としたのは、高耐圧の電解コンデンサは径が大きくなるので、薄型のスイッチング電源装置2とするために、電解コンデンサの1個の径を小さくするためである。
図2は本実施形態のスイッチング電源装置の配線基板内の電子部品又は電気部品の配置と放熱板の配置を示す配置図であり、図3はその斜視図である。
図2に示すように、配線基板8Aは濃いドットで示された1次側回路領域2aと、薄いドットで示された2次側回路領域2bと、その間の境界領域2cとに分けられる。1次側回路領域2aの裏面側には、孔7に挿通される図示しないねじで固定される1次側放熱板6A(図3、図4参照)が、2次側回路領域2bの裏面側には、孔7に挿通される図示しないねじで固定される2次側放熱板6Bが配置されている。
そして、2次側放熱板6Bはその一部が配線基板8Aの外周よりも外方に張り出している張り出し部6bを有している。又、1次側放熱板6Aと2次側放熱板6Bとは、境界領域2cに対応する部分に図3に示すように間隙を設けて、電気的絶縁を取っている。放熱板6A、6Bは、熱伝導性が良好な材料であり、ここではアルミニウム板またはアルミニウム合金板である。
開口部9Aにおいては、発熱部品であるダイオードブリッジ10、パワーMOSFET11、11、昇圧ダイオード12、12を配置し、熱伝導性の高い接着剤、例えば、銀ペースト31(図4参照)で1次側放熱板6Aに接着されている。開口部9Bでは、発熱部品であるパワーMOSFET15A、15B、電源用ICモジュール16を配置し、熱伝導性の高い接着剤、例えば、銀ペースト31(図4参照)で1次側放熱板6Aに接着されている。
開口部9Cでは、発熱部品である整流ダイオード18A、18B、18Cを配置し、熱伝導性の高い接着剤、例えば、銀ペースト31(図4参照)で2次側放熱板6Bに接着されている。
この結果、開口部9A、9B、9Cに配置された発熱部品からの発熱が放熱板6A、又は放熱板6Bに効率良く熱伝導される。
なお、ここでいう配線基板8Aの表面が請求項に記載の「主たる部品実装面」に対応する。
次に配線基板8Aの開口部における発熱部品と放熱板との熱的な接続関係を説明する。
図4は図3におけるA−A矢視部分断面図である。開口部9Aにおいて、パワーMOSFET11は、その背面側を銀ペースト31で1次側放熱板6Aに接着されている。端子11aは配線基板8Aの図示しないプリント配線に接続されている。
図5は本実施形態のスイッチング電源装置の配線基板を液晶表示装置に実装した例(実装構造)であり、その断面図である。前面側から液晶表示装置1Aの主要構成要素の配置を説明する。
図5において上方が前面側、下方が背面側である。
液晶パネル120は、第1のフレーム137と四角枠状の第2のフレーム138との間に、四角枠状の第1のゴムクッション131及び第2のゴムクッション132を介在させて挟持される。第2のフレーム138の背面側に、四角枠状の緩衝体133が配置され、更に、前面側から3枚の光学シート134A、134B、134Cが配置される。
光学シート134Cの背面側には第1の反射シート135、導光板121、第2の反射シート136、第3のフレーム139が配置される。
躯体部101aの前面側には、固定ねじ201Aに対応したねじ孔を設けてあり、その前面側に第2のフレーム138、第1のフレーム137の順に重ねて固定ねじ201Aで共締めできるようになっている。
保持基部101bの前面側には、ねじ孔を設けてあり、固定ねじ201Bで第3のフレーム139を固定できるようになっている。
又、躯体部101aの背面側には、前記した固定ねじ201Aに対応したねじ孔を設けてあり、固定ねじ201Aで背面カバー122を固定できるようになっている。
又、ヒートシンク101の側面外側には凹部101fが設けられ、ここにLED駆動回路125が配置される。
第3のフレーム139の背面側には、液晶パネル120の制御回路等、スイッチング電源装置2に比較して発熱が少ない回路の集積回路5を実装した回路基板4が固定されている。又、第3のフレーム139には、ねじ孔を持つ支持柱203が背面側に複数配置され、スイッチング電源装置2の配線基板8Aが支持柱203に、部品が実装された表面を前面側に向けて放熱板6A、6Bと共に孔7に挿通されるねじで共締めされる。
なお、配線基板8Aと放熱板6A、6Bは、図2、図3に図示した孔7にスリーブを通してかしめて、前もって一体としておくと取扱いが容易となる。
この結果、放熱板6A、6Bに伝熱された発熱部品からの熱は効率よく空気に伝熱される。又、放熱板6A、6Bに接着する発熱部品は、配線基板8Aをくり抜いた部分に取り付けてある分、その部分でアルミニウム実装基板を用いる場合よりもスイッチング電源装置2の厚さを薄くできる。
(1)電気部品、電子部品を配線基板8Aの表面側に実装し、発熱部品からの熱を、1次側放熱板6A、及び2次側放熱板6Bに直接熱伝導させ、放熱板6A、6Bの背面側が対流する空気によって冷却されるので、アルミ実装基板において配線基板を介してアルミニウム板やアルミニウム合金板に伝熱するよりも効率よく熱伝導させて放熱できる。
また、発熱部品に個別の放熱用のフィン付き放熱板を取り付ける場合よりも、放熱板の面積を稼いで、部品の高さも含むスイッチング電源装置2の厚さを薄くすることができる。
(2)2次側放熱板6Bは面積が小さいが、張り出し部6bを設けて、両面からの冷却が可能となり、放熱効率が向上する。
(3)一次側放熱板6Aと2次側放熱板6Bとの間には間隙を設けてあるので、スイッチング電源装置2の1次側回路領域2aと2次側回路領域2bの絶縁耐電圧が確保しやすい。
(4)厚みのあるプレーナトランス17A、17Bのコア部17aを開口部9Dに配置し、そこには放熱板6A、6Bを位置させないので、プレーナトランス17A、17Bの高さも含むスイッチング電源装置2の厚さを低減できる。
(5)又、PFC回路3A、3Bをインターリーブ方式とし、1つ当たりのチョークコイル13を小さくし(低背性)とし、電解コンデンサ14及び出力平滑コンデンサ19A〜19Dも、容量の小さいものを複数並列にして部品の高さも含むスイッチング電源装置2の厚さを薄くすることができる。
以上の結果、背のあるプレーナトランス17A、17B、電解コンデンサ14、チョークコイル13等を低背化することができ、パワー半導体デバイスの発熱部品も配線基板8Aに開口部9A、9B、9Cを設けて放熱板6A又は放熱板6Bに直付けとして低背化しているので、スイッチング電源装置2を薄くできる。
又、放熱を効率良くしたので、第3のフレーム139と背面カバー122との間隙も小さくできる、その点からも液晶表示装置1Aを薄型にできる。
次に本発明の第2の実施形態のスイッチング電源装置の配線基板と放熱板を説明する。
図6は本実施形態のスイッチング電源装置の配線基板の配置図と放熱板の配置図であり、図7はその斜視図である。
第1の実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、重複する説明を省略する。本実施形態における配線基板8Bでは、開口部9Aを設ける代わりに1次側放熱板6Aに張り出し部6aを設け、そこに発熱部品であるダイオードブリッジ10、パワーMOSFET11、11、昇圧ダイオード12、12を配置し、熱伝導性の高い接着剤、例えば、銀ペースト31(図8参照)で1次側放熱板6Aに接着させる。又、出力平滑コンデンサ19A〜19Dを配置した部分に対応する2次側放熱板6Bの一部を外周から一部きり欠いた切り欠き部6dとし、そこの配線基板8Bの裏面側に、例えば、チップ抵抗器やチップコンデンサ等27(図9参照)の発熱の小さい小部品を配置する。このようにすることにより、配線基板8Bの面積を小さくすることができる。
なお、ここで配線基板8Bの表面が請求項に記載の「主たる部品実装面」に対応する。
図9に示すようにダイオードブリッジ10が1次側放熱板6Aの張り出し部6aに配置され、2次側放熱板6Bの切り欠き部6d(図7参照)に対応する配線基板8Bの裏面側にチップ抵抗器やチップコンデンサ等27が配置されている。
このような1次側回路領域2a(図7参照)の部品配置と、2次側回路領域2bの(図7参照)の部品配置と、1次側放熱板6A、2次側放熱板6Bの配置とすることで、第1の実施形態と比較して配線基板8Bの面積を小さくできる。又、放熱板6Aの張り出し部6aおける放熱板6Aの両面露出面積が、開口部9Aの場合よりも増加して放熱効率が増加する。
第1及び第2の実施形態では、放熱板6A、6Bは配線基板8A、8Bの主たる部品が実装される表面の反対側、つまり、裏面側に配置されるものとしたがそれに限定されない。
例えば、図10の(a)の部分断面図、(b)の部分平面図に示すように、第1の実施形態において配線基板8Aの開口部9Aにおいて放熱板6Cを配線基板8Aの表面側に配線基板8Aの外周から張り出すように固定し、その上にパワーMOSFET11や昇圧ダイオード12等の発熱部品の背面側を銀ペースト31で接着し、熱的に接続する。その端子11a、12aを配線基板8Aのプリント配線に接続する。この場合、開口部9Aの部分で放熱板6Cの両面が露出し、放熱効率が良い。
なお、押さえ方としては図11の(c)のように配線基板8Cに半田付けされた係止部33Aに一方の押さえ受け部6cを引っ掛け、配線基板8Cに設けた係止部33Bのねじ孔に他方の押さえ受け部6cをねじ34で締め付けても良い。
次に本発明の第3の実施形態のスイッチング電源装置の配線基板と放熱板を説明する。
図13は本実施形態のスイッチング電源装置の配線基板と放熱板の配置斜視図である。
第2の実施形態と同じ構成については同じ符号を付し、重複する説明を省略する。本実施形態における配線基板8Dでは、第2の実施形態の配線基板8Bとは、表側の部品配置および開口部9B、9C、9Dを設けるのは同じである。第2の実施形態と異なる点は、放熱板6Fが1枚板で1次回路側領域2aと2次回路側領域2bの両方ともカバーしたものである。そして、放熱板6Fは、回路基板8D側に対向した面に熱伝導性が良好で、かつ電気絶縁性の、厚さが0.5mm程度の放熱絶縁シート29が密着されている点である。
なお、放熱板6Fと放熱絶縁シート29との間、また、配線基板8Dと放熱絶縁シート29との間にシリコーングリースを塗布することで更に放熱効果を向上させることができる。また、配線基板8Dと放熱絶縁シート29および放熱板6Fは、図13に図示した孔7にスリーブを通してかしめて、前もって一体としておくと取扱いが容易となる。
ちなみに、放熱板6Fはアルミニウムまたはアルミニウム合金板である。
又、出力平滑コンデンサ19A〜19Dを配置した部分に対応する放熱絶縁シート29および放熱板6Fの一部を外周から一部きり欠いた切り欠き部6dとし、そこの配線基板8Dの裏面側に、例えば、チップ抵抗器やチップコンデンサ等27(図9参照)の発熱の小さい小部品を配置する。このようにすることにより、配線基板8Dの面積を小さくすることができる。
図14の(b)は図13におけるD−D矢視断面図である。開口部9Bにおいて、パワーMOSFET15Aは、その背面側を押さえ板35に押圧されて放熱絶縁シート29に密着されている。端子15aは配線基板8Dの図示しないプリント配線に接続されている。
本実施例では、放熱絶縁シート29により放熱板6Fが配線基板8Dに実装された電気部品または電子部品と電気的に絶縁されているので、放熱板6Fを1次側回路領域2aと2次側回路領域2bに分離する必要が無く、1枚板とすることができる。その結果、製造コスト低減に寄与できる。
また、配線基板8Dの放熱板6F側の面と、放熱板6Fとは、放熱絶縁シート29により電気的に絶縁されているので、配線基板8Dの裏面側(放熱絶縁シート29側)に1次側回路領域2aまたは2次側回路領域2bの配線パターンを引き回すこともできる。
2 スイッチング電源装置
2a 1次側回路領域
2b 2次側回路領域
2c 境界領域
3A、3B PFC回路
4 回路基板
5 集積回路
6A 1次側放熱板(放熱板)
6B 2次側放熱板(放熱板)
6C、6D、6E、6F 放熱板
6a、6b 張り出し部
6c 押さえ受け部
6d 切り欠き部
8A、8B、8C、8D 配線基板
9A、9B、9C、9D 開口部
9E 切り欠き部
10 ダイオードブリッジ(発熱部品)
11、15A、15B パワーMOSFET(発熱部品)
12 昇圧ダイオード(発熱部品)
13 チョークコイル
14 電解コンデンサ
16 電源用ICモジュール(発熱部品)
17A、17B プレーナトランス
17a コア部分
17b シートコイル積層体
18A、18B、18C 整流ダイオード(発熱部品)
19A、19B、19C、19D 出力平滑コンデンサ
20 入力コネクタ
21 出力コネクタ
25 コンデンサ
26 抵抗器
29 放熱絶縁シート
31 銀ペースト
32 接着剤
33A、33B 係止部(押さえ手段)
34 ねじ
35 押さえ板
36 ねじ
101 ヒートシンク
101a 躯体部
101b 保持基部
101c フィン
120 液晶パネル
121 導光板
122 背面カバー
123 光源搭載基板
124 光源
125 LED駆動回路
134、134A、134B、134C 光学シート
135、135B、135C 第1の反射シート
136 第2の反射シート
137 第1のフレーム
138 第2のフレーム
139 第3のフレーム
203 支持柱
Claims (3)
- 配線基板と、前記配線基板の表面に実装される電気・電子部品と、前記配線基板の裏面に配設される放熱板と、前記配線基板を部分的にくり抜いた開口部と、を備え、
前記裏面の放熱板と、前記表面の電気・電子部品の内の発熱部品とが前記開口部で熱的に接続され、商用交流電圧を整流して、所定の電圧の直流を供給するスイッチング電源装置であって、
前記発熱部品は、前記開口部に設けられた絶縁トランスを含み、
前記絶縁トランスは、1次側コイルと2次側コイルとを有し、
前記放熱板は、前記絶縁トランスの1次側コイルに対して前記開口部で熱的に接続された1次側放熱板と、前記絶縁トランスの2次側コイルに対して前記開口部で熱的に接続された2次側放熱板とから構成され、
前記1次側放熱板と、前記2次側放熱板とは、所定の間隙を置いて分離するように前記配線基板の裏面にそれぞれ配設されており、
前記絶縁トランスは、その一部が前記開口部および前記所定の間隙の部分を臨むように、前記1次側放熱板および前記2次側放熱板の各間に間隔を置いて設けられている、
ことを特徴とするスイッチング電源装置。 - 前記放熱板の一部が前記配線基板の外周より外方側に張り出した張り出し部を有していることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。
- 前記絶縁トランスを除く前記発熱部品を、前記放熱板の張り出し部側の配線基板の端部に実装することを特徴とする請求項2に記載のスイッチング電源装置。
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