JP5224472B2

JP5224472B2 - 配線パターン長の増大を低減した電源装置

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Publication number: JP5224472B2
Application number: JP2009236911A
Authority: JP
Inventors: 貴之濱田; 茂治山下; 和臣渡辺
Original assignee: Fujitsu Telecom Networks Ltd
Current assignee: Fujitsu Telecom Networks Ltd
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2029-10-14
Also published as: JP2011087367A

Description

本発明は、配線パターン長の増大を低減した電源装置に関する。

一般的に、電源装置のトランスは、ボビンに線材を巻いたものにフェライトコアを挿入して構成されており、スイッチング電源を構成する回路基板上に搭載される。

また、巻線ボビンを使わないシート型のトランス等が開発されている。これらは巻線ボビン型のトランスに比べ薄型化することが可能であり、トランスを構成する１次側と２次側との配線を、一体形成した積層板にフェライトコアを挿入して形成され、スイッチング電源を構成する回路基板上に搭載される。

また、シート型トランスは、トランスを搭載した状態で低背化することが可能であるが、１次側回路（制御回路を含む）及び２次側回路を一体化した積層体ではその厚さが比較的増大する。また、多層プリント配線板上にフェライトコアをそのまま搭載するのでフェライトコアの厚さ分が加算されることとなり、その小型化には限界がある。

また、トランスの特性で大きな問題となる発熱に関し、トランスの周辺に温度センサーを設けて温度管理し、かつ温度制御している。小型・低背な薄型スイッチング電源により、ノート型パソコン等の小型携帯機器に内蔵、又は脱着自在に装着できる、カード／カセット型の電源モジュールが例えば下記特許文献１に開示されている。

図１０は、従来のスイッチング電源モジュールの外観を示す模式図である。図１０に示すスイッチング電源モジュール１０００は、マザーボードと呼ばれる多層プリント配線板１００６、シート型トランス１０１０、入力コネクタ１０１２、出力コネクタ１０１３、パワーＦＥＴ１０１４および電解コンデンサ１０１５等のその他の部品を備えている。

また、図１１はスイッチング電源モジュール１０００の断面を示す模式図である。シート型トランス１０１０は、トランスの１次側回路が形成されているシート型コイル積層体１０１１を備えており、多層プリント配線板１００６のフェライトコア１００５で囲まれた部分には２次側回路が形成されている。スイッチング電源モジュールは、チョークコイル１０１６，ＩＣ１０１７等、その他のスイッチング電源回路を形成する部品を備えている。

特開２０００−９１１３８号公報

従来、トランスの２次巻線とその他の出力整流部の部品とをマザーボードに実装するので、各部品の合計面積に対応する配線面積を含めた実装面積が必要であった。このため、実装面積が増大することとなり、実装面積の増大に伴う部品間の距離が比較的長くなって、配線パターンの距離が増大する傾向にあった。

また、仮にトランスの２次巻線とその他の出力整流部の部品とが異なる基板上に実装された場合には、トランスの２次巻線からその他の出力整流部の部品への配線パターン長が増大することとなる。

そして、配線パターンが増大することにより、配線パターンでの電圧降下が増大することや、リーケージインダクタンスが増大することが懸念されるだけでなく、それに起因して効率が低下したりノイズやサージが増加することが懸念された。

本発明は、上述の問題点に鑑みなされたものであり、配線パターン長の増大を低減した電源装置を提供することを目的とする。

本発明の電源装置は、出力を同期整流する電源装置において、少なくとも出力トランスの二次巻線と同期整流するための同期整流部とが配置される第一の基板と、電源本体を構成する実装部品が搭載される第二の基板とが所望の空間を隔てて対向して配置されることを特徴とする。

また、本発明の電源装置は、好ましくは第一の基板と第二の基板とが対向する所望の空間には、第一の基板または第二の基板と電気的に接続された素子が配置されることを特徴とする。

また、本発明の電源装置は、さらに好ましくは素子が、第二の基板と電気的に接続され、出力整流する平滑コンデンサを含むことを特徴とする。

また、本発明の電源装置は、さらに好ましくは出力トランスの二次巻線が第一の基板に平面状に形成されることを特徴とする。

また、本発明の電源装置は、さらに好ましくは出力トランスの一次巻線が平面状に形成されることを特徴とする。

また、本発明の電源装置は、さらに好ましくは一次巻線が、第一の基板と第二の基板との間に配置される第一の一次巻線基板と、第一の一次巻線基板と電気的に直列接続されて、第一の基板の第一の一次巻線基板と異なる側に配置される第二の一次巻線基板と、を少なくとも備え、第一の一次巻線基板と第二の一次巻線基板とで第一の基板を挟持することを特徴とする

また、本発明の電源装置は、さらに好ましくは同期整流部が、複数のＦＥＴとＦＥＴの駆動回路とを含むことを特徴とする。

また、本発明の電源装置は、さらに好ましくは同期整流部が、出力整流する平滑コイルを含むことを特徴とする。

また、本発明の電源装置は、さらに好ましくは出力整流が、倍電流整流（カレントダブラー）であることを特徴とする。

また、本発明の電源装置は、さらに好ましくは出力トランスが、センタータップ方式であることを特徴とする。

また、本発明の他の電源装置は、平滑コンデンサを含めた電源本体を構成する実装部品が搭載される銅張積層板と、出力トランスの一次側巻線が配設された第一の一次巻線基板と、出力トランスの二次側巻線を含めた同期整流素子が実装される同期整流基板と、一次側巻線と直列に接続され、出力トランスの他の一次側巻線が配設された第二の一次巻線基板とを順次備え、第一の一次巻線基板と同期整流基板と第二の一次巻線基板とを、一次側巻線と二次側巻線と他の一次側巻線との中央部において、貫通するフェライトコアをさらに備えるとともに、銅張積層板と第一の一次巻線基板とが対向する空間に、銅張積層板と電気的に接続された実装部品、または同期整流基板と電気的に接続された同期整流素子が配置されることを特徴とする。

また、本発明の電源装置は、さらに好ましくは電源装置が、ＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする。

また、本発明の電源装置は、さらに好ましくは第一の基板と第二の基板との間の少なくとも一部に、電磁波シールド材が配置されていることを特徴とする。

本発明により、配線パターン長の増大を低減した電源装置を提供できる。

実施形態にかかる電源装置の構成概要を説明する斜視図である。第一の基板の裏面側、すなわち第二の基板と対向する面の配線パターン概要を示す概念図である。電源装置を上方から模式的に説明する平面図である。電源装置の同期整流部を説明する回路図である。電源装置の同期整流部を説明する回路図である。本実施形態に適用可能な一次側の回路バリエーションを説明する図である。第一の基板のパターンを説明する図である。電源装置に適用可能なカレントダブラ（倍電流）型同期整流回路を説明する図である。電源装置に適用可能なフォワード型同期整流回路を説明する図である。スイッチング電源モジュールの外観を示す模式図である。スイッチング電源モジュールの断面を示す模式図である。

本実施形態で説明する電源装置は、トランスの二次側巻線が配置される多層基板上に同期整流素子を実装する。また、トランスの二次側巻線が配置される多層基板の直下に、平滑コイルと平滑コンデンサ等が実装されるとともに、二次側巻線が配置される多層基板と電気的に接続するように布線されたマザーボードを備える。

これにより、トランスと同期整流素子と平滑コイルと平滑コンデンサ等の実装部品間または素子間を接続する配線パターン長が低減され、さらに好ましくは最短長とできるので、変換効率が向上するだけではなく、ノイズやサージを低減させた電源装置とできる。

本実施形態で説明する電源装置は、トランスの二次側巻線が配置される多層基板上に同期整流素子と平滑コイルとを実装してもよい。また、トランスの二次側巻線が配置される多層基板の直下に、平滑コンデンサ等が実装されるとともに、二次側巻線が配置される多層基板と電気的に接続するように布線されたマザーボードを備える。

これにより、トランスと同期整流素子と平滑コイルと平滑コンデンサ等の実装部品間または素子間を接続する配線パターン長が低減され、さらに好ましくは最短長とできるので、変換効率が向上するだけではなくノイズやサージを低減させた電源装置とできる。

特に、本実施形態で説明する電源装置は、スイッチング電流が流れる配線部分に対応する配線パターン長を、比較的短くすることができるので、スイッチング電流に起因して生じるノイズやサージを低減する効果が大きい。

図１は、実施形態にかかる電源装置１００の構成概要を説明する斜視図である。図１に示すように、電源装置１００は、トランス１５０の二次巻線と二次側の整流回路を構成する素子１１１とが設けられた第一の基板１１０を備える。第一の基板１１０は、プリント配線板等の多層積層基板としてもよい。

また、電源装置１００は、電源装置本体を構成するの各種の実装部品１２１が設けられるいわゆるマザーボードとなる第二の基板１２０を備える。第二の基板１２０は、第一の基板１１０の直下に、所定の間隔を有して対向して配置される。

ここで、所定の間隔とは、実装部品１２１が第一の基板１１０と第二の基板１２０との間に配置されるのに障害とならない程度の間隔であってよい。また、第一の基板１１０と第二の基板１２０とは、第一の基板１１０と第二の基板１２０とに共に略垂直となる配線１１５を介して電気的に接続される。配線１１５は、第一の基板１１０と第二の基板１２０とが対向する部分において、任意の箇所に複数設けることができる。

第一の基板１１０は、平面状の二次巻線の部位において、一次巻線が設けられた上側の第三の基板１３０（１）と他の一次巻線が設けられた下側の第三の基板１３０（２）と当接して配置され、トランス１５０を構成する。換言すれば、第一の基板１１０は、上側の第三の基板１３０（１）と下側の第三の基板１３０（２）（両者を併せて、適宜第三の基板１３０と総称する）との間に、二次側巻線部分において挟持される。

また、トランス１５０は、図１に示すように上下二つのパーツが嵌合してなるフェライトコア１４０を備える。フェライトコア１４０は、その中央部に第一の基板１１０と第三の基板１３０（１），１３０（２）を貫通する棒状の軸を備える。

上側の第三の基板１３０（１）と下側の第三の基板１３０（２）とは、電気的に直列に接続される。すなわち、上側の第三の基板１３０（１）に形成された平面状の一次巻線と下側の第三の基板１３０（２）に形成された平面状の一次巻線とは、直列接続となり、回路上では実質的に同一機能を有する一次巻線を構成する。

電源装置１００は、第一の基板１１０と第二の基板１２０とが、所定の間隔を空けて対向して配置されるので、第一の基板１１０の表裏両面と第二の基板１２０の表裏両面との計４面に対して、実装部品１２１や素子１１１を配置することが可能である。このため、複数の実装部品１２１や複数の素子１１１のそれぞれの相互間の距離を短く設計し、相互間の配線パターン長を比較的短くすることが可能である。

電源装置１００は、第一の基板１１０を一枚のみ備える構成として説明したが、第一の基板１１０の上方にさらに所定の間隔を空けて追加的に第一の基板１１０（２）を設けてもよい。この場合には、追加した第一の基板１１０（２）を二次側巻線部分で挟持するように、さらに追加的に一次側巻線が配された第三の基板１３０（３）を設けてもよい。なお、ここでいう巻線とは、平面状に形成されたいわゆるシートコイルであってもよい。

図１に示すように、電源装置１００においては、第三の基板１３０（１），１３０（２）は、トランス１５０の一次巻線のみが配されており、その他の実装部品や素子等は配されていない。

第一の基板１１０が備える二次側の整流回路は、平滑コンデンサや平滑コイル、スイッチングＦＥＴ等及びその駆動回路であってもよい。また、平滑コイルは、第二の基板１２０に設けるのではなく、第一の基板１１０に設けてもよい。

図２は、第一の基板１１０の裏面側、すなわち第二の基板１２０と対向する面の配線パターン概要を示す概念図である。図２から理解されるように、第一の基板１１０には二次側の同期整流部１１０ａがコンパクトに収容、配置されるように配線パターンが設けられる。また、第一の基板１１０には、トランス１５０の二次巻線１１０ｂが、同期整流部１１０ａに隣接して設けられる。

従って、二次巻線１１０ｂと同期整流部１１０ａとの間の配線距離が短く構成できるとともに、同期整流部１１０ａを構成する各素子１１１間の配線長も比較的短くして第一の基板１１０上に、コンパクトにまとめて配置することが可能となる。

二次巻線１１０ｂは、中央部にフェライトコア１４０が貫通する略円形の孔１１４を備えており、孔１１４を含めた二次巻線１１０ｂ部分の表裏基板面において、第三の基板１３０（１），１３０（２）と、各々当接する。

図３は、電源装置１００を上方から模式的に説明する平面図である。図３においては、図１と図２と対応する部位には、同一の符号を付してその説明を省略する。図３から理解されるように、電源装置１００は、二次側の同期整流部１１０ａが実装される第一の基板１１０の下方にも、階層的、立体的に各種の素子や部品を実装することができるので、小さな面積の装置とすることが可能である。

さらにスイッチング電流が流れる配線パターンの大部分を、ほぼ全て第一の基板１１０内に納めることが可能となるので、ノイズ等の影響を低減した装置とすることができる。例えば、第一の基板１１０を単層または複数層積層構造とし、その層中にメッシュ状導体等からなる電磁波シールド層を設ければ、第一の基板１１０の表面側から、第一の基板１１０の裏面側や第二の基板１２０へスイッチング電流等に起因するノイズやサージ等の影響が伝達されることを低減できる。

また、例えば第一の基板１１０と第二の基板１２０との間の空間の任意の箇所に、メッシュ状導体等からなる電磁波シールドを配置することも可能となる。すなわち、一般的には電磁波シールドは一定の面積を有するメッシュ状導体または板状導体等で構成されるところ、実装部品が同一平面状に配置される場合には、電磁波の発生源と電磁波の影響を回避したい部品との間で、電磁波シールドを配置する一定の面積を確保することは困難である。

本実施形態においては、例えば第一の基板１１０の同期整流部１１０ａの面積と略同一面積の電磁波シールド材を、第一の基板１１０と第二の基板１２０との間などに配置すれば、容易かつ低コストかつ装置の大型化を招来することなく、ノイズの影響等の低減を図ることが可能となるので好ましい。

図４は、電源装置１００の同期整流部７１１０を説明する回路図である。図４に示すように、電源装置１００は、センタータップ方式の同期整流部７１１０を備える。同期整流部７１１０は、複数の二次巻線と複数のＦＥＴと複数のＦＥＴ駆動部とを備える。また、同期整流部７１１０は第一の基板１１０に設けられ、平滑コイルと平滑コンデンサとは第二の基板１２０に設けられる。

このため、配線接続部７１１１，７１１２，７１１３において、第一の基板１１０から第二の基板１２０へと、各基板面に対して略垂直方向に配線パターン（典型的には配線１１５）が設けられる。この場合に、略垂直方向の配線パターンは、第一の基板１１０と第二の基板１２０との間を所定間隔に維持し、両者を保持・係合する機能を兼ね備えてもよい。

また、電源装置１００の一次巻線７１３０（１）と他の一次巻線７１３０（２）とは、各々上側の第三の基板１３０（１）と下側の第三の基板１３０（２）とに設けることができる。また、電源装置１００は、一次巻線７１３０（１）と他の一次巻線７１３０（２）とを単一の巻線とし、上側の第三の基板１３０（１）と下側の第三の基板１３０（２）とのいずれか一方のみを備えることとしてもよい。

図５は、同期整流部７１１０に替えて、電源装置１００に適用し得る他の同期整流部８１１０を説明する回路図である。図５に示すように、電源装置１００は、センタータップ方式の同期整流部８１１０を備える。同期整流部８１１０は、複数の二次巻線と複数のＦＥＴと複数のＦＥＴ駆動部と平滑コイルとを備える。また、同期整流部８１１０は第一の基板１１０に設けられ、平滑コンデンサは第二の基板１２０に設けられる。

このため、配線接続部８１１１，８１１２，８１１３において、第一の基板１１０から第二の基板１２０へと、各基板面に対して略垂直方向に配線パターン（典型的には配線１１５）が設けられる。この場合に、略垂直方向の配線パターンは、第一の基板１１０と第二の基板１２０との間を所定間隔に維持し、両者を保持・係合する機能を兼ね備えてもよい。

また、電源装置１００の一次巻線８１３０（１）と他の一次巻線８１３０（２）とは、各々上側の第三の基板１３０（１）と下側の第三の基板１３０（２）とに設けることができる。また、電源装置１００は、一次巻線８１３０（１）と他の一次巻線８１３０（２）とを単一の巻線とし、上側の第三の基板１３０（１）と下側の第三の基板１３０（２）とのいずれか一方のみを備えることとしてもよい。

図６は、本実施形態に適用可能な一次側の回路バリエーションを説明する図である。図６（ａ）がハーフブリッジコンバータを説明する図であり、図６（ｂ）がフォワードコンバータを説明する図であり、図６（ｃ）がフルブリッジコンバータを説明する図である。図６に示すように、本実施形態において、一次側は様々な態様を取り得ることが可能であり、例えばＡＣ−ＤＣコンバータとなるように構成してもよい。また、図７は、第一の基板１１０のパターンを説明する図である。

また、図８は、電源装置１００に適用可能なカレントダブラ（倍電流）型同期整流回路１１０００を説明する図である。図８に示すように、カレントダブラ型同期整流回路１１０００の同期整流部１１１１０は第一の基板１１０に設けられ、平滑コンデンサ１１１２０は第二の基板１２０に設けられ、一次巻線１１１３０は第三の基板１３０に設けられる構成とすることができる。

また、カレントダブラ（倍電流）型同期整流回路１１０００は、第三の基板１３０について、第一の基板１１０に対し上側と下側のいずれの側に設けてもよく、二つの巻線に分割して上下両方に設けてもよい。なお、カレントダブラ型同期整流回路１１０００は、一次巻線１１１３０を第二の基板１２０に設けることとし、第三の基板１３０を備えない構成としてもよい。

カレントダブラ型同期整流回路１１０００は、同期整流部１１１１０が第一の基板１１０面内において同一面内に配線が為される。一方で、平滑コンデンサ１１１２０と一次巻線１１１３０とは各々、第一の基板１１０と異なる面であって、かつ第一の基板１１０と平行な面内（典型的には、各々第二の基板１２０の基板面内と第三の基板１３０の基板面内）に設けられる。

また、図９は、電源装置１００に適用可能なフォワード型同期整流回路１２０００を説明する図である。図９に示すように、フォワード型同期整流回路１２０００の同期整流部１２１１０は第一の基板１１０に設け、平滑コンデンサ１２１２０は第二の基板１２０に設け、一次巻線１２１３０は第三の基板１３０に設けることができる。

また、フォワード型同期整流回路１２０００は、第三の基板１３０について、第一の基板１１０に対し上側と下側のいずれの側に設けてもよく、二つの巻線に分割して上下両方に設けてもよい。なお、フォワード型同期整流回路１２０００は、一次巻線１２１３０を第二の基板１２０に設けることとし、第三の基板１３０を備えない構成としてもよい。

フォワード型同期整流回路１２０００は、同期整流部１２１１０が第一の基板１１０面内において同一面内に配線が為される。一方で、平滑コンデンサ１２１２０と一次巻線１２１３０とは各々、第一の基板１１０と異なる面であって、かつ第一の基板１１０と平行な面内（典型的には、各々第二の基板１２０の基板面内と第三の基板１３０の基板面内）に設けられる。

上述した説明において、各同期整流部の駆動回路は集積回路（ＩＣ）化してもよいし、集積化しなくてもよい。実施形態で説明した電源装置１００は、同期整流とすることに起因してむしろ顕在化するダイオードの降下電圧について、有効にその悪影響を排除することができる。

また、電源装置１００は、トランス１５０の出力を最短距離かつ最小の漏れインダクタンスで整流素子、平滑コイル等に電気的に接続できるため、効率を向上させることができる。また、電源装置１００は、スイッチング電流が流れる配線長を低減させるとともに、スイッチング電流が流れる配線をスイッチング電流が流れない配線と異なる面に設けるのでノイズ・サージを低減することができる。また、電源装置１００は、トランスコアがマザーボード（第二の基板１２０に対応）に下面に突出しない合理的な構造とすることができる。

上述した電源装置１００は、各実施形態での説明に限定されることはなく、自明な範囲で構成を適宜変更してもよく、また自明な範囲で動作や処理を適宜変更してもよい。また、実施形態においては説明を簡便にするため、関係する箇所のみについて記載したが、電源装置１００は周知の他の構成や部品を備えていてもよい。

本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータや他の任意のスイッチング電源装置やそのトランス構造等に幅広く適用できる。

１００・・電源装置、１１０・・第一の基板、１１０ａ・・同期整流部、１１０ｂ・・二次巻線、１１１・・素子、１１４・・孔、１１５・・配線、１２０・・第二の基板、１２１・・実装部品、１３０（１），１３０（２）・・第三の基板、１４０・・フェライトコア、１５０・・トランス。

Claims

出力を同期整流する電源装置において、
少なくとも出力トランスの二次巻線と前記同期整流するための同期整流部とが配置される第一の基板と、
電源本体を構成する実装部品が搭載される第二の基板と、が
所望の空間を隔てて対向して配置される
ことを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置において、
前記第一の基板と前記第二の基板とが対向する前記所望の空間には、前記第一の基板または前記第二の基板と電気的に接続された素子が配置される
ことを特徴とする電源装置。
請求項２に記載の電源装置において、
前記素子は、前記第二の基板と電気的に接続され、出力整流する平滑コンデンサを含む
ことを特徴とする電源装置。
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の電源装置において、
前記出力トランスは、前記二次巻線が前記第一の基板に平面状に形成される
ことを特徴とする電源装置。
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の電源装置において、
前記出力トランスは、一次巻線が平面状に形成される
ことを特徴とする電源装置。
請求項５に記載の電源装置において、
前記一次巻線は、
前記第一の基板と前記第二の基板との間に配置される第一の一次巻線基板と、
前記第一の一次巻線基板と電気的に直列接続されて、前記第一の基板の前記第一の一次巻線基板と異なる側に配置される第二の一次巻線基板と、を少なくとも備え
前記第一の一次巻線基板と前記第二の一次巻線基板とで前記第一の基板を挟持する
ことを特徴とする電源装置。
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の電源装置において、
前記同期整流部は、複数のＦＥＴと前記ＦＥＴの駆動回路とを含む
ことを特徴とする電源装置。
請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の電源装置において、
前記同期整流部は、出力整流する平滑コイルを含む
ことを特徴とする電源装置。
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の電源装置において、
出力整流が、倍電流整流（カレントダブラー）である
ことを特徴とする電源装置。
請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の電源装置において、
前記出力トランスは、センタータップ方式である
ことを特徴とする電源装置。
請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の電源装置において、
前記電源装置は、ＤＣ−ＤＣコンバータである
ことを特徴とする電源装置。
請求項１乃至請求項１１のいずれか一項に記載の電源装置において、
前記第一の基板１１０と前記第二の基板１２０との間の少なくとも一部に、電磁波シールド材が配置されている
ことを特徴とする電源装置。
平滑コンデンサを含めた電源本体を構成する実装部品が搭載される銅張積層板と、
出力トランスの一次側巻線が配設された第一の一次巻線基板と、
前記出力トランスの二次側巻線を含めた同期整流素子が実装される同期整流基板と、
前記一次側巻線と直列に接続され、前記出力トランスの他の一次側巻線が配設された第二の一次巻線基板と、を順次備え、
前記第一の一次巻線基板と前記同期整流基板と前記第二の一次巻線基板とを、前記一次側巻線と前記二次側巻線と前記他の一次側巻線との中央部において、貫通するフェライトコアをさらに備えるとともに、
前記銅張積層板と前記第一の一次巻線基板とが対向する空間に、前記銅張積層板と電気的に接続された前記実装部品、または前記同期整流基板と電気的に接続された前記同期整流素子が配置される
ことを特徴とする電源装置。