KR100754055B1 - 각 권선의 부분적인 턴을 갖는 분할 인덕터 및 이러한 인덕터를 포함하는 ｐｃｂ - Google Patents

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Abstract

인덕터 구성(50)은 베이스(28)로부터 일체로 신장되는 제 1 레그(22), 제 2 레그(24) 및 제 3 레그(26)를 갖는 3-레그 인덕터 코어(20)를 포함한다. 제 1 레그(22) 및 제 2 레그(24)는 사전배치되고, 제 1 채널 영역(32)을 형성하기 위해서 베이스(28)의 제 1 표면(30)을 중심으로 이격된다. 제 2 레그(24)는 자신(24)에 의해서 제 1 채널 영역(32)으로부터 분리된 제 2 채널 영역(34)을 제 3 레그(26)와 함께 형성하게 된다. 인덕터는 전류가 인덕터 권선(36)을 통해서 흐를 때 비교적 동일한 자속을 제 1 레그(22), 제 2 레그(24) 및 제 3 레그(26)를 제공하기 위해서 인덕터 코어(20)를 중심으로 배치된 인덕터 권선(36)을 포함한다. 인덕터 구성은 동기 정류기 회로(100)를 위한 입력 또는 출력 인덕터로서 사용될 수 있다.
동기 정류기 회로, 인덕터, 인쇄 회로 기판 어셈블리

Description

각 권선의 부분적인 턴을 갖는 분할 인덕터 및 이러한 인덕터를 포함하는 ＰＣＢ{SPLIT INDUCTOR WITH FRACTIONAL TURN OF EACH WINDING AND PCB INCLUDING SAME}
본 발명은 일반적으로 논리 집적 회로에 관한 것이며, 특히, 동기 정류기 회로에 쉽게 적응되는, 간소화된 분할 권선 인덕터 구성에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 출력 인덕터 권선을 인쇄 회로 기판 어셈블리 내로 집적시켜 비용과 설계의 복잡성을 감소시키고 잡음 성능을 향상시키는 전력 모듈에 출력 인덕터를 제공한다.
분산 전력 시장의 성장으로 전력 모듈 분야에 대한 연구가 증가되고 있다. 그 결과로서, 전력 모듈의 전력 밀도는 지난 수년에 비해서 네 배로 증가하였으며, 전류 반도체 소자의 개선 및 전력 모듈 애플리케이션에 대한 동기 정류의 사용으로 인해 전력 모듈의 효율이 상당히 증가하였다. 논리 집적 회로가 더 높은 동작 주파수에 대한 서지(surge)에서 더 낮은 동작 전압으로 이동하였으며, 전체 시스템 크기가 계속 감소함에 따라서, 더 작고 더 높은 효율 전력 모듈을 갖는 전원이 요구되고 있다.
효율을 개선하고 전력 밀도를 증가시키기 위한 노력에서, 이러한 형태의 애플리케이션에 동기 정류가 필요하게 되었다. 동기 정류는 저전압 반도체 소자가 진보하여 이것을 실용적인 기술이 되도록 하였기 때문에 지난 십 년 동안에 매우 인기가 있었다. 그러나, 전력 전자공학 설계 기사는 여전히 높은 전력 밀도, 높은 효율, 낮은 출력 전압 및 높은 출력 전류를 갖는 전력 모듈을 설계하는 것에 도전하고 있다.
동기 정류를 갖는 전력 모듈은 일반적으로 동기 정류기 회로의 출력 부하(load)에 접속되는 단일 권선 출력 인덕터를 포함하였다. 이것은 간편성 및 부품수의 감소로 인해서 일반적으로 가장 대중적인 방법이었다. "쿼터 블릭(quarter brick")으로 공지된 전력 모듈 구성이 보드 공간이 제한되는 애플리케이션에 사용될 수 있다. 한 버전의 쿼터 블릭 전력 모듈은 길이가 2.28", 폭이 1.45", 높이가 0.5"이다.
쿼터 블릭 전력 모듈, 뿐만 아니라, 다른 유사한 전력 모듈 구성은 전형적으로 입력 핀 및 출력 핀을 어셈블리의 대향 단에 배치한다. 본질적으로, 패키징 및 레이아웃 제한으로 인해, 출력 인덕터는 인턱터의 입력 및 출력 측 둘 모두에 대한 대향 단에서 종단될 필요가 있다. 이 구성은 권선 구성이 여분의 하프 턴(half turn)을 가지도록 하고, 이는 차례로 인덕터 코어의 결과적인 자속 패턴(flux pattern)에 영향을 미치게 된다. 특히, 입력 인덕터의 종단에 의해서 생성되는 부분적인 턴의 인덕턴스는 전류에 따라서 증가되어 인덕터가 쉽게 포화된다.
본 발명은 출력 인덕터로서 동기 정류기 회로에 쉽게 적응될 수 있는 분할 인덕터로서 기술적인 장점을 달성한다. 신규한 분할 인덕터 설계를 포함하는 본 발명은 인덕터 권선 및 자기를 스케일 플랫폼에 결합하기 위하여 쿼터 브릭 전력 모듈 내에 집적될 수 있다. 최적의 레이아웃 및 패키지 구성은 출력 인덕터의 설계를 절충함이 없이 달성될 수 있다.
이와 같이, 하나의 실시예에 따르면, 베이스 부재로부터 신장되는 제 1, 제 2 및 제 3 레그를 갖는 인덕터 코어를 포함하는 분할 인덕터가 개시된다. 제 1 및 제 2 레그는 사전배치되며 제 1 채널 영역을 형성하기 위해서 베이스 부재의 표면을 중심으로 이격된다. 제 2 레그는 자신에 의해서 제 1 채널 영역으로부터 분리된 제 2 채널 영역을 제 3 레그와 함께 형성한다. 인덕터는 또한 전류가 상기 인덕터 권선을 통과할 때, 제 1, 제 2 및 제 3 레그를 통해 상대적으로 동일한 자속을 제공하도록 하기 위하여 인덕터 코어 주위에 배열된 인덕터 권선을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 분할 인덕터는 다수의 PCB 층을 포함하는 인쇄 회로 기판(PCB) 어셈블리 내에 통합된다. 각 PCB 층은 원하는 회로 경로 내로 형성된 각각의 도전성 코어 서브-층을 가진 두 개의 베이스 재료 서브-층 사이에 사전배치된 도전성 코어 서브-층을 포함한다. PCB 어셈블리는 또한 PCB 층과 상기 PCB 층을 통해 신장되는 제 1, 제 2 및 제 3 개구 사이에 사전배치되는 다수의 절연층을 포함한다. 상기 개구는 본 발명의 개념에 따라 인덕터 코어를 수용하도록 배열되며, 상기 인덕터 코어의 대응하는 레그가 PCB 어셈블리의 대응하는 개구를 통해 삽입될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 동기 정류기 회로의 2차 측 상에 출력 인덕터를 형성하는 분할 인덕터 구성을 가진 동기 정류기 회로에서 사용된다.
본 발명의 기술적인 장점은 본 발명의 인덕터 구성이 쿼터 브릭 전력 모듈과 같은 전력 모듈 내로 적응시키는 것이 용이하다는 것이다.
본 발명의 또 다른 기술적인 장점은 공통 모드 잡음을 여과하여 필터 회로의 출력 잡음을 감소시키기 위해 새로운 인덕터 구성이 사용될 수 있다는 것이다.
본 발명의 다른 기술적인 장점은 풀 브리지(full bridge) 및 푸쉬-풀(push- pull)과 같은 다른 전력 공급 회로 토폴로지에서 본 발명의 분할 인덕터 구성을 사용하는 것이다.
본 발명의 상기 특징과 장점은 첨부 도면과 관련하여 이하의 상세한 설명을 참조하면 더 명백히 이해될 것이다.
도 1은 동기 정류기 회로 내의 종래 기술의 단일 인덕터 구성을 도시한 도면.
도 2는 부하(Co)를 가진 출력 인덕터에 대한 등가 구성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 분할 인덕터를 도시한 도면.
도 4a는 동일하지 않은 수의 권선 턴을 가진 본 발명의 상면도.
도 4b는 동일하지 않은 수의 권선 턴을 가진 본 발명의 자기 특성을 도시한 도면.
도 5a는 동일한 수의 권선 턴을 가진 본 발명의 상면도.
도 5b는 동일한 수의 권선 턴을 가진 본 발명의 자기 특성을 도시한 도면.
도 6은 인쇄 회로 기판에 대한 전압 입력 및 출력의 간략도.
도 7은 동기 정류를 갖는 인쇄 회로 기판의 간략한 블록도.
도 8a는 본 발명이 통합되는 인쇄 회로 기판의 층을 도시한 도면.
도 8b는 인쇄 회로 기판의 상면도.
도 9는 동기 정류기 회로로서 구현될 때의 본 발명의 회로 개략도.
도 10a 및 10b는 종래 기술의 회로와 본 발명의 회로의 차분 잡음(differential noise)을 도시한 도면.
상기 각 도면에서 대응하는 번호와 기호는 달리 표시되지 않는다면 대응하는 부분을 참조한다.
이하는 본 발명의 상세한 설명이다. 종래 기술의 하프-브리지 DC-대-DC 변환기 회로가 먼저 설명되고 나서, 본 발명의 여러 바람직한 실시예가 설명되고 장점이 논의된다.
도 1은 하프 브리지 DC-대-DC 변환기용 동기 정류기 회로(10)에 단일 인덕터(Lo)를 사용하는 것을 도시한다. 동기 정류기 회로(10)는 1차 및 2차 권선(각각 11 및 12)을 가진 1차 변압기(T1)를 포함한다. 동기 정류기 회로(10)는 또한 동기 정류기(Q1 및 Q2)를 구동하는데 사용되는 외부 구동 회로(18)를 포함한다.
특히, 제 1 및 제 2 동기 정류기(Q1 및 Q2)는 1차 변압기(T1) 및 외부 구동 회로(18)에 동작적으로 결합된다. 동기 정류기(Q1 및 Q2)를 턴-온 및 턴-오프시키는 타이밍 신호는 외부 구동 회로(18)로부터 도출된다. 그 다음, 이 타이밍 정보는 1차 변압기 (T1)을 사용하여 정류기 회로(10)의 1 차측으로부터 2 차측(16)으로 전달된다.
통상적으로, 단일 출력 인덕터(Lo)는 도 1에 도시된 바와 같이 사용된다. 종래 기술에 따르면, 단일 인덕터(Lo)의 사용은 단순성 및 감소된 부품 수 때문에 바람직하다. 그러나, 일부 애플리케이션에서, 출력 인덕터(Lo)는 공통 모드 잡음 제거를 증가시기키 위해 출력 커패시터의 각 측에 접속되는 두 개의 동일 권선으로 분할된다. 명백하게, 두 개의 권선 구조는 비용 및 복잡성을 증가시킨다. 다른 방법은 동일한 인덕터 코어에 걸쳐 두 개의 권선을 감는 것이지만, 이 구성은 제조 공정의 복잡성을 증가시킨다. 공통 모드 잡읍 제거를 증가시키지만, 제조 공정의 복잡성을 증가시키지 않는 인덕터의 구성이 필요하다. 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같은 동기 정류기에서 유용한 전력 모듈 어셈블리의 출력 인덕터에 이와 같은 구성을 제공한다.
도 2A 내지 도 2C는 동기 정류기 회로의 출력 인덕터에 대한 등가 구성을 도시한다. 도 2A는 상술한 바와 같은 종래의 단일 인덕터 구성을 도시한다. 단일 인덕터(Lo)는 도 2B에 도시된 바와 같이, 두개의 동일 권선(L1 및 L2)으로 분할될 수 있고, 출력 커패시터(Co)와 직렬로 배치된다. 그러나, 이 구성은 회로에서 필요한 잡음 제거를 제공하지 않는다. 공통 모드 잡음 제거를 증가시키기 위해, 도 2B에 도시된 두 개의 동일 권선(L1 및 L2)은 도 2C에 도시된 바와 같이, 출력 커패시터의 각 측에 권선(L1 및 L2)을 배치함으로써 재구성될 수 있다.
본 발명은 출력 커패시터의 각 단에 접속된 두개의 권선을 갖는 분할 인덕터 구성이다. 그러나, 본 발명은 도 2A 및 도 2B의 종래 기술의 분할 인덕터 구성에 비해, 비용이 감소되고 제조 공정의 복잡성이 감소되는 추가적인 장점을 제공한다. 본 발명을 보다 잘 이해하기 위해, 베이스 부재(28)로부터 각각 일체로 신장되는 제 1, 제 2 및 제 3 레그(2)를 갖는 인덕터 코어(20)를 도시하는 도3이 참조된다. 제 1 레그(22) 및 제 2 레그(24)는 사전배치되고, 1 채널 영역(32)을 형성하기 위해 베이스 부재(28)의 제 1 표면(30)으로부터 실질적으로 수직으로 이격되며 신장된다. 마찬가지로, 제 2 레그(24) 및 제 3 레그(26)는 사전배치되고, 제 2 레그(24)에 의해 제 1 채널 영역(32)으로부터 분리된 제 2 채널 영역(34)를 형성하기 위해 베이스 부재(28)의 제 2 표면(33)으로부터 실질적으로 수직으로 이격되며 신장된다.
본 발명의 인덕터 구성(50)에 사용하기 적절한 3-레그 인덕터 코어(20)의 상면도인 도 4A에 도시된 바와 같이, 인덕터 권선(36)은 인덕터 코어(20)를 중심으로 감겨서, 채널 영역(32,34)에서 단일 경로를 생성할 수 있다. 권선(36)은 예를 들면, 구리와 같은 임의의 도전 재료로 형성될 수 있다. 그러나, 배치된 바와 같은 권선(36)은 제 1 레그(22), 제 2 레그(24) 및 제 3 레그(26) 각각을 중심으로 한 하나의 전체 턴, 및 제 2 레그(24)와 제 3 레그(26) 사이의 부가적인 부분적 턴(fractional turn)(38)을 발생시킨다. 이 부분적인 턴(38)은 제 1 채널 영역(32)을 통해 하나의 신호 경로 및 제 2 채널 영역(34)을 통해 두 개의 신호 경로를 발생시킨다. 부분적인 턴(38)에 의해 생성되는 유효 인덕턴스는 전류에 따라 변동될 수 있고, 출력 인덕터(Lo)를 용이하게 포화시킬 수 있는데, 이는 바람직하지 않다.
포화 현상은 부분적인 턴(38)을 갖는 인덕터(Lo)의 자기 회로를 도시한 도 4B에서 설명된다. P1, P2, P3은 각각 제 1 , 제 2 및 제 3 레그(22,24,26)의 퍼미언스(permeance)이고, Flux1, Flux2, Flux3은 각 레그(22,24,26)를 통과하는 자속을 나타낸다. N*1 및 1*l은 각 레그의 MMF이다. 전류가 증가함에 따라, 보다 많은 자속이 제 3 레그(26)로부터 제 2 레그(24) 내로 흘러 들어간다. 본질적으로, 부하전류가 증가함에 따라, 유효 인덕턴스가 감소한다. 결국, 인덕터 코어(20)는 훨씬 더 많은 자속이 제 2 레그(24) 내로 흘러들어오기 때문에 포화될 것이다.
본 발명은 인덕터 권선(36)이 각 레그(22, 24 및 26)에서 자속을 평형화하기 위하여 인덕터 코어(20)를 중심으로 배열되는 인덕터 구성(50)을 제공한다. 제 1, 제 2 및 제 3 레그(22, 24 및 26) 각각을 통하여 상대적으로 동일한 자속을 제공하기 위하여, 전류가 인덕터 권선(36)을 통하여 흐를 때, 인덕터 권선(36)은 제 1 레그(22)와 제 2 레그(24)에 의해 규정된 제 1 채널 영역(32) 및 제 2 레그(24)와 제 3 레그(26)에 의해 규정된 제 2 채널 영역(34)을 통하여 동일한 수의 신호 경로를 제공하도록 배열된다. 일반적으로 50으로 표시된 이 구성이 도 5A에 도시되어 있다.
도 5B는 본 발명에 따른 인덕터 구성에 대한 등가 자기 회로를 도시한 것이다. 제 1 레그(24) 및 제 3 레그(26)에서의 MMF 및 퍼미언스는 자속이 제 1 레그(24) 및 제 3 레그(26)에서 평형이 되도록 정확히 동일하다. 채널 영역(32 및 34)에서 동일한 수의 신호 경로가 생성된다는 사실은 인덕터 코어(20)가 포화되지 않는다는 것을 의미한다.
따라서, 인덕터 구성(50)은 인쇄 회로 기판(PCB) 어셈블리 내에 집적되어 전력 조절 애플리케이션에서 사용하는데 적합한 동기 정류기 회로용 출력 인덕터(Lo)로서 사용될 수 있다. 인덕터 구성(50)은 일례로서 쿼터 블릭 전력 모듈의 출력 인덕터로 도시되어 있지만, 본 발명은 입력 및/또는 출력 인덕터의 설계를 절충함이 없이 PCB 패키지 및 레이아웃을 최적화할 시에 일반적인 해결책을 제공한다.
도 6은 표준 쿼터 브릭 전력 모듈(40)의 전형적인 기계적 표현을 도시한 것이다. 패키징 및 레이아웃 제한으로 인해, 출력 인덕터는 하프 턴을 갖는 권선을 발생시키는 구조의 대향 측에서 종단될 필요가 있다. 도시된 바와 같이, 입력 핀(Vin+ 및 Vin-) 및 출력 핀(Vout+ 및 Vout-)은 모듈의 대향 단에 위치된다. 전력 브릭 모듈(40)에 대한 표준 부분 위치가 도 7에 도시되어 있다. 모듈(70)은 주요 스위치(42), 변압기(44), 정류기(46), 출력 인덕터(48) 및 출력 커패시터(49)의 섹션으로 분할될 수 있다. 이상적인 상황에서, 전류는 인덕터의 정류기 섹션(46)(정류기 섹션과 근접한 단자(1))으로부터 인덕터 섹션(48) 내로 흘러서 출력 커패시터 (49)(출력 커패시터 섹션과 근접한 단자(2))로 흘러 나온다.
도 8A는 본 발명의 인덕터 구성(50)이 집적될 수 있는 인쇄 회로 기판(PCB) (51)의 층을 도시한 것이다. PCB(51)는 다수의 PCB 층(53)을 포함한다. PCB 층(53) 각각은 두 개의 베이스 재료 서브-층(54) 사이에 사전배치되는 도전성 코어 서브-층(52)을 포함한다. 도전성 코어 서브-층(52)은 예를 들어, 알루미늄 또는 구리와 같은 임의의 도전 재료, 또는 다른 유사한 컨덕터를 포함할 수 있다. 각각의 도전성 코더 서브-층(52)은 회로 소자(즉, 인덕터, 커패시터, 변압기 등)를 어셈블리(51)로 접속하는데 사용되는 바람직한 회로 경로 내로 형성된다.
PCB(51)는 또한 제 1, 제 2 및 제 3 개구(58, 60 및 62)(도 8B에 도시됨) 내에서 각각 PCB 층(53) 사이에 사전배치되고, 다수의 PCB 층(53)을 통하여 신장되며 세 개의-레그를 갖는 인덕터 코어(20)의 삽입을 지원하도록 배열되는 다수의 절연층(56)을 포함한다. 특히, 인덕터 코어(20)의 각 레그(22, 24 및 26)는 대응하는 개구(58, 60 및 62) 내로 삽입될 수 있다. 각각의 도전성 코어 서브 층(52)의 일부분은 또한 제 1 및 제 2 채널 영역(32 및 34)을 통과하는 동일한 수의 신호 경로를 제공하는 분할 인덕터 권선(36)으로 형성된다.
코어 서브 층(52) 내에서 이와 같은 인덕터 권선(36)을 형성하는 프로세스 및 제조 기술은 종래 기술에 널리 공지되어 있다. 인덕터 권선(36)은 패키지 및 레이아웃 요건을 최적하기 위해 하프-턴을 포함하는 두 개의 권선 부분(도시되지 않음)으로 분할될 수 있지만, 하프 또는 부분적인 턴을 포함하지 않는 효과적인 권선을 갖는다. 따라서, PCB(51)는 인덕터의 설계 및 성능을 절충함이 없이 최적화된다.
PCB(51)의 장점은 인덕터 권선(36)이 PCB(51) 내부에 내장되어 종단이 필요로 되지 않기 때문에, 전력 모듈이 제조 프로세스를 더 간소화시키기 위해 자기와 통합될 수 있다는 것이다.
동기 정류기 회로의 분할 인덕터 구성(50)을 나타낸 회로 개략도가 도시되고 일반적으로 도 9에 100으로 표시된다. 분할 인덕터 구성(50)은 회로 레이아웃을 훨씬 양호하게 할 뿐만 아니라, 공통 모드 잡음을 여과하여 출력 잡음을 감소시킨다. 공통 모드 전류는 도 10A 내지 도 10B에 도시되어 있다. 종래의 방법에서, 스위칭에 의해 발생되는 공통 모드 전류는 각각의 전류 경로에서의 상이한 임피던스 때문에, 출력(도 10A) 상에서 차분 모드 잡음을 발생시킨다. 새로운 방법에서, 각각의 전류 경로에서의 임피던스는 유사하거나 정합될 수 있어서, 차분 잡음은 감소되거나 도 10B에 도시된 바와 같은 공통 모드 전류에 의해 발생되지 않을 것이다. 더구나, 이 개념은 입력 인덕터로 확장될 수 있다.
본 발명의 신규한 방법 및 시스템은 표준 제조 프로세스 및 기술을 사용하여 제조하는데 비용 효율적인 장점을 제공한다. 또 다른 장점은 분할 인덕터 권선 구성(50)으로 인해 공통 모드 잡음을 감소시키는 것이다. 본 발명의 또 다른 장점은 인덕터 코어(20)의 포화를 방지하는 것이다.
본 발명이 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었지만, 이러한 설명은 제한하는 개념으로 해석되지 않는다. 예시적인 실시예 뿐만 아니라, 본 발명의 다른 실시예의 결합에서의 여러 변경물은 설명을 참조하면 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (23)

  1. 내장 인덕터를 갖는 인쇄 회로 기판(PCB) 어셈블리에 있어서:
    두 개의 베이스 재료 서브층 사이에 사전배치되며 각각 회로 경로 내로 형성되는 도전성 코어 서브층을 각각 포함하는 다수의 PCB 층으로서, 상기 회로 경로는 회로 소자를 상기 PCB 어셈블리에 접속시키도록 적응되는, 다수의 PCB 층;
    상기 각 PCB 층 세트 사이에 사전배치되는 다수의 절연층;
    자신으로부터 신장되는 제 1, 제 2 및 제 3 레그를 가진 베이스를 갖는 인덕터 코어;
    상기 다수의 PCB 층을 통해서 신장되고 상기 인덕터 코어를 수용하도록 적응되는 제 1, 제 2 및 제 3 개구; 및
    상기 다수의 PCB 층 내로 통합되고 상기 제 1, 제 2 및 제 3 레그에서 자속을 평형화하기 위하여 상기 인덕터 코어를 중심으로 배열되는 분할 인덕터 권선을 포함하며,
    상기 분할 인덕터 권선은 상기 제 1 및 제 2 개구에 의해 규정된 제 1 영역 및 상기 제 2 및 제 3 개구에 의해 규정된 제 2 영역을 통해서 동일한 수의 신호 경로를 제공하도록 적응되는 인쇄 회로 기판 어셈블리.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 분할 인덕터 권선 구성은 인덕터 권선 및 자기가 스케일 플랫폼에 결합하기 위하여 쿼터 브릭 전력 모듈내에서 집적되며, 상기 전력 모듈은 상기 모듈의 대향되는 종단에 위치되는 입력 핀(Vin+ 및 Vin-) 및 출력 핀(Vout+ 및 Vout-)을 가지는 것을 특징으로 하는 인쇄 회로 기판 어셈블리.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전력 모듈은 1차 스위치 섹션, 변압기 섹션, 정류기 섹션, 출력 인덕터 섹션 및 출력 커패시터 섹션을 포함하는 섹션으로 분할되는 것을 특징으로 하는 인쇄 회로 기판 어셈블리.
  4. 제 1 항에 있어서,
    분할 인덕터 권선은 공통 모드 잡음을 여과하여 출력 잡음을 감소시키는 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 인쇄 회로 기판 어셈블리.
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