JP6123210B2 - Ｄｃ−ｄｃコンバータモジュール - Google Patents

Description

この発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールに関し、特に帰還端子に印加された電圧に基づいて出力電圧値を制御する、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールに関する。

特許文献１のように、フェライト積層基板内にコイル導体を形成し、積層基板の天面に制御ＩＣやコンデンサ等を載置したＤＣ−ＤＣコンバータモジュールが知られている。基本的にモジュールであるため、出力電圧値は固定であることが多い。

特許第４３２５７４７号公報

ここで、仮に出力電圧を外付け抵抗によって可変とし、モジュールを実装する配線基板に、出力電圧値を規定するための外付け抵抗を設ける場合、制御ＩＣは積層基板の天面に実装されているので、外付け抵抗と制御ＩＣの端子との間の配線パターンが必ずフェライト積層基板の側面を通ることになる。すると、配線パターンが積層基板内のコイルと磁気結合してしまい、磁気結合によって制御ＩＣの端子に重畳されたノイズが出力電圧を不安定にするおそれがある。

それゆえに、この発明の主たる目的は、出力電圧を安定させることができる、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールを提供することである。

この発明に従うＤＣ−ＤＣコンバータモジュール（１０：実施例で相当する参照符号。以下同じ）は、磁性体を含む積層基板（２０）、積層基板（２０）の内部に設けられ、入力端子（Ｔ１）に印加された直流電圧に基づく電流が導通する導通路（ＬＤ１）に設けられたインダクタ（Ｌ１）、積層基板の天面に搭載され、帰還電圧が印加される帰還端子（Ｔ１３）を有し、帰還電圧に応じて異なる態様で導通路をオン／オフするスイッチング制御回路（１２）、スイッチング制御回路のオン／オフ動作によってインダクタの一方端に現れた電圧を平滑して平滑電圧を出力端子（Ｔ２）に印加するコンデンサ（Ｃ２）、および積層基板の底面に設けられた外部端子（Ｔ５）に接続された外付け抵抗（Ｒ４）と協働してコンデンサの端子電圧を分圧し、帰還電圧を生成する抵抗（Ｒ１）、を備えるＤＣ−ＤＣコンバータモジュール（１０）であって、外部端子（Ｔ５）と帰還端子（Ｔ１３）とは、配線（ＬＰ５，ＬＰ６，ＬＰ７，ＳＣ５）を介して電気的に接続されていて、配線（ＬＰ５，ＬＰ６，ＬＰ７，ＳＣ５）には、高域周波数成分を除去するフィルタ回路（１６）が接続されており、かつ、フィルタ回路（１６）は積層基板（２０）の天面に設けられ、配線（ＬＰ５，ＬＰ６，ＬＰ７，ＳＣ５）は、フィルタ回路（１６）と接続された一方端および外部端子（Ｔ５）と接続された他方端を有して積層基板（２０）の側面を高さ方向に延びる側面導体（ＳＣ５）を含む。

好ましくは、インダクタの巻回軸は積層基板の高さ方向に沿って延びる。

好ましくは、インダクタはスイッチング制御回路と出力端子との間に設けられる。

好ましくは、高域周波数成分はスイッチング制御回路のオン／オフ周期に相当する周波数を少なくとも含んだ高域の周波数成分に相当する。

好ましくは、入力端子および出力端子の少なくとも一方は積層基板の底面に設けられ、コンデンサは積層基板の天面に設けられる。

好ましくは、積層基板の底面に設けられたグランド端子(T3, T4)がさらに備えられる。

インダクタが設けられた導通路をスイッチング制御回路によってオン／オフし、これによってインダクタの一方端に現れた電圧をコンデンサによって平滑することで、出力電圧が生成される。また、コンデンサの端子電圧を外付け抵抗とモジュールに内蔵された抵抗とによって分圧することで帰還電圧を生成し、スイッチング制御回路のオン／オフ態様を帰還電圧に基づいて定義することで、出力電圧が外付け抵抗によって調整される。

ここで、高域域周波数成分を除去するフィルタ回路は、帰還電圧が印加される帰還端子に電気的に接続される。また、インダクタは積層基板の内部に設けられ、外部端子は積層基板の底面に設けられ、スイッチング制御回路およびフィルタ回路は積層基板の天面に設けられる。

したがって、スイッチング制御回路のオン／オフに起因してインダクタから発生したノイズが外部端子とフィルタ回路とを結ぶ配線に重畳されても、このノイズはフィルタ回路によって除去される。これによって、帰還電圧が安定し、ひいては出力電圧が安定する。

この発明の上述の目的，その他の目的，特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。

この発明の一実施例の構成を示す回路図である。 図１に示す回路が実装されたモジュールの構造の一例を示す分解図である。 図２に示すモジュールに埋め込まれたインダクタの配置の一例を示す断面図である。 図２に示すモジュールの天面に形成された配線パターンの一例を示す平面図である。

図１を参照して、この実施例のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１０は、直流電源Ｅ１の正極に接続される入力端子Ｔ１と、負荷１８のプラス側端子に接続される出力端子Ｔ２と、各々がグランドに接続されるグランド端子Ｔ３およびＴ４と、他方端がグランドに接続された外付け抵抗Ｒ４の一方端に接続される外部端子Ｔ５とを含む。グランドには、直流電源Ｅ１の負極および負荷１８のマイナス側端子も接続される。なお、入力端子Ｔ１および出力端子Ｔ２を結ぶ経路を、特に“導通路ＬＤ１”と定義する。

入力端子Ｔ１とグランド端子Ｔ３との間には、平滑コンデンサＣ１が設けられる。入力端子Ｔ１およびグランド端子Ｔ３はまた、スイッチング制御ＩＣ１２に設けられた入力端子Ｔ１１およびグランド端子Ｔ１４とそれぞれ接続される。

スイッチング制御ＩＣ１２において、入力端子Ｔ１１とグランド端子Ｔ１４との間には、互いに直列接続されたＭＯＳ型の電界効果トランジスタ（以下、単に「トランジスタ」という。）Ｑ１およびＱ２が設けられる。本実施形態では、トランジスタＱ１はＰチャネル型、トランジスタＱ２はＮチャネル型を用いている。詳しくは、トランジスタＱ１のドレインが入力端子Ｔ１１と接続され、トランジスタＱ１のソースがトランジスタＱ２のドレインと接続され、そしてトランジスタＱ２のソースがグランド端子Ｔ１４と接続される。トランジスタＱ２のドレインはまた、スイッチング制御ＩＣ１２に設けられた出力端子Ｔ１２と接続される。

出力端子Ｔ１２とグランド端子Ｔ１４との間にはまた、互いに直列接続されたインダクタＬ１および平滑コンデンサＣ２が設けられる。出力端子Ｔ２はインダクタＬ１と平滑コンデンサＣ２との接続点つまり平滑コンデンサＣ２の一方端に接続され、グランド端子Ｔ３は平滑コンデンサＣ２とグランド端子Ｔ１４との接続点つまり平滑コンデンサＣ２の他方端に接続される。

平滑コンデンサＣ２の一方端は抵抗Ｒ１の一方端と接続され、抵抗Ｒ１の他方端はスイッチング制御ＩＣ１２に設けられた帰還端子Ｔ１３と接続される。抵抗Ｒ１の他方端はまた、互いに直列接続された抵抗Ｒ２，Ｒ３および寄生インダクタＬ２を介して外部端子Ｔ５と接続される。抵抗Ｒ２およびＲ３の接続点とグランド端子Ｔ４との間には、平滑コンデンサＣ３が設けられる。平滑コンデンサＣ３は、抵抗Ｒ２およびＲ３とともにＬＰＦ(Low Pass Filter)１６を形成する。

したがって、平滑コンデンサＣ２の端子電圧は抵抗Ｒ１〜Ｒ３と外付け抵抗Ｒ４とによって分圧され、帰還端子Ｔ１３には抵抗比に応じた電圧が印加される。コントローラ１４は、帰還端子Ｔ１３に印加された電圧が所望の電圧を示すようにトランジスタＱ１のオンデューティ比を決定し、決定されたオンデューティ比でトランジスタＱ１をオン／オフするとともに、デッドタイムを確保しつつ相補的にトランジスタＱ２をオン／オフする。これによって、トランジスタＱ２のソースにパルス電圧が現れ、このパルス電圧が平滑コンデンサＣ１によって平滑される。

寄生インダクタＬ２はインダクタＬ１と磁界結合してノイズを発生するところ、ＬＰＦ１６はトランジスタＱ１またはＱ２のオン／オフ周期に相当する周波数を少なくとも含んだ高域の周波数成分を除去する特性を有し、磁界結合によって発生したノイズはＬＰＦ１６によって除去される。これによって、帰還端子Ｔ１３に印加される電圧ひいては負荷１８に供給される直流電圧の安定化が図られる。

こうして構成されたＤＣ−ＤＣコンバータモジュール１０は、図２〜図４に示す形状ないし外観を有する。積層基板２０は、磁性のフェライトを材料として板状に形成される。積層基板２０の幅方向をＸ軸方向とし、積層基板２０の奥行き方向をＹ軸方向とし、積層基板２０の高さ方向をＺ軸方向とすると、積層基板２０の天面（＝一方主面）はＺ軸方向の正側に面し、積層基板２０の底面（＝他方主面）はＺ軸方向の負側に面する。また、積層基板２０の右側面はＸ軸方向の正側に面し、積層基板２０の左側面はＸ軸方向の負側に面する。さらに、積層基板２０の正面はＹ軸方向の負側に面し、積層基板２０の背面はＹ軸方向の正側に面する。

インダクタＬ１は、積層基板２０の内部に設けられる。図３から分かるように、インダクタＬ１の巻回軸はＺ軸に沿い、インダクタＬ１の天面側端部はビアホール導体ＶＨ１を介して積層基板２０の天面に通じ、インダクタＬ１の底面側端部はビアホール導体ＶＨ２を介して積層基板２０の天面に通じる。

側面導体ＳＣ１〜ＳＣ３は積層基板２０の右側面に形成され、側面導体ＳＣ４〜ＳＣ５は積層基板２０の左側面に形成される。側面導体ＳＣ１〜ＳＣ３は“ＳＣ１”→“ＳＣ３”→“ＳＣ２”の順で奥行き方向に並び、側面導体ＳＣ４〜ＳＣ５は“ＳＣ５”→“ＳＣ４”の順で奥行き方向に並ぶ。

側面導体ＳＣ１の底面側端部は入力端子Ｔ１に接続され、側面導体ＳＣ２の底面側端部は出力端子Ｔ２に接続され、側面導体ＳＣ３の底面側端部はグランド端子Ｔ３に接続される。また、側面導体ＳＣ４の他方端はグランド端子Ｔ４に接続され、側面導体ＳＣ５の他方端は外部端子Ｔ５に接続される。なお、図１に示す寄生インダクタＬ２は、側面導体ＳＣ５に現れる。

積層基板２０の天面には、配線パターンＬＰ１〜ＬＰ７が図４に示す要領で形成され、かつスイッチング制御ＩＣ１２，抵抗Ｒ１〜Ｒ３，および平滑コンデンサＣ１〜Ｃ３が実装される。

配線パターンＬＰ１の一方端は側面導体ＳＣ１と接続され、配線パターンＬＰ１の他方端はスイッチング制御ＩＣ１２に設けられた入力端子Ｔ１１と接続される。配線パターンＬＰ２の一方端は側面導体ＳＣ２と接続され、配線パターンＬＰ２の他方端は抵抗素子Ｒ１の一方端と接続される。

配線パターンＬＰ３の一方端は側面導体ＳＣ３と接続され、配線パターンＬＰ３の他方端はスイッチング制御ＩＣ１２に設けられたグランド端子Ｔ１４と接続される。配線パターンＬＰ４の一方端は側面導体ＳＣ４と接続され、配線パターンＬＰ４の他方端は平滑コンデンサＣ３の一方端と接続される。

配線パターンＬＰ５の一方端は側面導体ＳＣ５と接続され、配線パターンＬＰ５の他方端は抵抗Ｒ３の一方端と接続される。配線パターンＬＰ６の一方端はスイッチング制御ＩＣ１２に設けられた帰還端子Ｔ１３と接続され、配線パターンＬＰ６の他方端は抵抗Ｒ２の一方端と接続される。配線パターンＬＰ６は、抵抗Ｒ１の他方端とも接続される。配線パターンＬＰ７には、平滑コンデンサＣ３，抵抗Ｒ２およびＲ３の各々の他方端が接続される。

図２に示すビアホール導体ＶＨ１の天面側端部は配線パターンＬＰ２と接続され、ビアホール導体ＶＨ２の天面側端部はスイッチング制御ＩＣ１２に設けられた出力端子Ｔ１２と接続される。

スイッチング制御ＩＣ１２に設けられたトランジスタＱ１のオン／オフ動作に起因するスイッチングノイズは出力端子Ｔ１２に顕著に現れるところ、出力端子Ｔ１２はフェライトを材料とする積層基板２０に埋め込まれたビアホール導体ＶＨ１２を介してインダクタＬ１の底面側端部と接続される。したがって、インダクタＬ１はいわゆるビーズインダクタとして機能し、出力端子Ｔ１２に現れたスイッチングノイズは積層基板１２によって閉じ込められる。

ただし、インダクタＬ１は、側面導体ＳＣ５に現れた寄生インダクタＬ２と磁界結合し、これによってスイッチングノイズに基づくノイズが寄生インダクタＬ２に現れる。しかしながら、積層基板２０の天面に設けられた平滑コンデンサＣ３，抵抗Ｒ２およびＲ３がＬＰＦ１６を形成するため、寄生インダクタＬ２に現れたノイズはＬＰＦ１６によって除去される。これによって、帰還端子Ｔ１３に印加される電圧が安定する。

以上の説明から分かるように、インダクタＬ１が設けられた導通路ＬＤ１はスイッチング制御ＩＣ１２によって繰り返しオン／オフされ、これによってインダクタＬ１の一方端に現れたパルス状の電圧が現れる。パルス状の電圧は平滑コンデンサＣ２によって平滑され、平滑コンデンサＣ２の端子電圧は出力端子Ｔ２を介して負荷１８に供給される。

また、平滑コンデンサＣ２の端子電圧は、抵抗Ｒ１〜Ｒ３と外付け抵抗Ｒ４とによって分圧され、分圧された電圧は帰還端子Ｔ１３に印加される。スイッチング制御ＩＣ１２のオン／オフ態様は、帰還端子Ｔ１３に印加された電圧に基づいて定義される。したがって、平滑コンデンサＣ２の端子電圧つまり負荷１８に供給される直流電圧の大きさは、外付け抵抗Ｒ４によって調整することができる。

ここで、ＬＰＦ１６は、帰還端子Ｔ１３に電気的に接続される。また、インダクタＬ１は積層基板２０の内部に設けられ、外部端子Ｔ５は積層基板２０の底面に設けられ、スイッチング制御ＩＣ１２およびＬＰＦ１６は積層基板２０の天面に設けられる。

したがって、スイッチング制御ＩＣ１２のオン／オフに起因してインダクタＬ１から発生したノイズが外部端子Ｔ５とＬＰＦ１６とを結ぶ側面導体ＳＣ５に重畳されても、このノイズはＬＰＦ１６によって除去される。これによって、帰還端子Ｔ１３に印加される電圧が安定し、ひいては負荷１８に供給される直流電圧が安定する。

なお、この実施例では、降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータモジュールを想定しているが、この発明は昇圧型または昇降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータモジュールにも適用できることは言うまでもない。

また、この実施例ではトランジスタＱ１にＰチャネル型ＭＯＳＦＥＴ、Ｑ２にＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴを用いたが、ブートストラップ回路等、適切な回路を付与すればＱ１にＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴを用いることが可能であることも言うまでもない。

１０ …ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール
１２ …スイッチング制御ＩＣ
１８ …負荷
Ｑ１〜Ｑ２ …トランジスタ
Ｃ１〜Ｃ３ …平滑コンデンサ
Ｌ１ …インダクタ
Ｒ１〜Ｒ３ …抵抗
Ｒ４ …外付け抵抗

Claims (6)

1. 磁性体を含む積層基板、
   前記積層基板の内部に設けられ、入力端子に印加された直流電圧に基づく電流が導通する導通路に設けられたインダクタ、
   前記積層基板の天面に搭載され、帰還電圧が印加される帰還端子を有し、前記帰還電圧に応じて異なる態様で前記導通路をオン／オフするスイッチング制御回路、
   前記スイッチング制御回路のオン／オフ動作によって前記インダクタの一方端に現れた電圧を平滑して平滑電圧を出力端子に印加するコンデンサ、および
   前記積層基板の底面に設けられた外部端子に接続された外付け抵抗と協働して前記コンデンサの端子電圧を分圧し、前記帰還電圧を生成する抵抗、
   を備えるＤＣ−ＤＣコンバータモジュールであって、
   前記外部端子と前記帰還端子とは、配線を介して電気的に接続されていて、
   前記配線には、高域周波数成分を除去するフィルタ回路が接続されており、かつ、前記フィルタ回路は前記積層基板の天面に設けられ、
   前記配線は、前記フィルタ回路と接続された一方端および前記外部端子と接続された他方端を有して前記積層基板の側面を高さ方向に延びる側面導体を含む、
   ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
2. 前記インダクタの巻回軸は前記積層基板の高さ方向に沿って延びる、請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
3. 前記インダクタは前記スイッチング制御回路と前記出力端子との間に設けられる、請求項１または２記載のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
4. 前記高域周波数成分は前記スイッチング制御回路のオン／オフ周期に相当する周波数を少なくとも含んだ高域の周波数成分に相当する、請求項１ないし３のいずれかに記載のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
5. 前記入力端子および前記出力端子の少なくとも一方は前記積層基板の底面に設けられ、
   前記コンデンサは前記積層基板の天面に設けられる、請求項１ないし４のいずれかに記載のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
6. 前記積層基板の底面に設けられたグランド端子をさらに備える、請求項１ないし５のいずれかに記載のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。

Images