WO2018131385A1

WO2018131385A1 - Ｄｃ／ｄｃコンバータモジュール

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Publication number: WO2018131385A1
Application number: PCT/JP2017/045091
Authority: WO
Inventors: 隆芳西山; 武司和気; 高見武藤; 祥平宮田
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-12-15
Publication date: 2018-07-19

Abstract

入力フィルタ（１１０）は、第１基板（Ｂ１）に実装される。第１柱状導電体対（３０３）は、第１端子対（ＴＰｉｎ）から入力フィルタ（１１０）を通過した電圧を第２基板（Ｂ２）に送電する。第１スイッチング回路（２１０）、トランス（２２０）、第２スイッチング回路（２３０）は、第２基板（Ｂ２）に実装される。第２柱状導電体対（３１３）は、第２スイッチング回路（２３０）の出力を第２基板（Ｂ２）から第１基板（Ｂ１）に送る。出力部（１６０）は、第１基板（Ｂ１）に実装され、第２柱状導電体対（３１３）と第２端子対（ＴＰｏｕｔ）との間に接続される。このようにして、実装面積が低減されたＤＣ／ＤＣコンバータモジュールを提供する。

Description

ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール

　本発明は、２階建て構造のＤＣ／ＤＣコンバータモジュールに関する。

　各種電気機器には直流電源装置が内蔵される。直流電源装置には、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュールが用いられる場合が多い。

　たとえば、通信基地局市場においては近年スモールセル化が進んでおり、電源の低面積化の要求が強くなっている。しかし、直流電源装置に要求される出力電力は大きく下がることはなく、常に小型高電力密度が求められている。したがって、電源に使用されるＤＣ／ＤＣコンバータモジュールに対しても、実装面積を低減させるような立体的な構造の回路モジュールの新規開発が進められている。

　特開２００４－１７２４２２（特許文献１）は、部品を搭載可能な単層又は多層の第１基板と、第１基板の対向する一組の辺の各々から垂下させた端子接続用の第２基板とを備えた立体構造基板を開示する。

　この立体構造基板では、第１基板の対向する端部から接続用の第２基板が垂下しており、この第２基板を介して他の基板との接続がなされる。この構造の基板であれば、従来のように第１基板上に半田接続用のパッドを設ける必要が無くなるので、面積を低減させることができる。

特開２００４－１７２４２２

　特許文献１に開示された手法のように、スルーホールを形成することにより側面に接続端子を設ける方法は回路モジュールの低面積化に有効であるが、このような側面の端子を使用するだけで最適なＤＣ／ＤＣコンバータモジュールを実現できるわけではない。たとえば、側面端子に大きな電流を流すと、電力損失が大きくなってしまう。小型で電源基板に実装しやすく電力変換効率の高いＤＣ／ＤＣコンバータモジュールを実現するためには、部品の配置などさらに検討しなければならない点がある。

　この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、実装面積が低減され、電力変換効率の高いＤＣ／ＤＣコンバータモジュールを提供することである。

　本開示は、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュールに関するものである。ＤＣ／ＤＣコンバータモジュールは、第１端子対に供給された直流電圧を変換して第２端子対から出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータモジュールは、第１基板と、第２基板と、第１柱状導電体対と、第１スイッチング回路と、トランスと、第２スイッチング回路とを備える。第１基板は、第１端子対および第２端子対が配置される。第２基板は、平面視で第１基板と重なるように配置される。第１スイッチング回路は、第２基板に実装され、第１柱状導電体対に接続される。トランスは、第２基板に実装され、第１スイッチング回路を介して電流が一次側に流れる。第２スイッチング回路は、第２基板に実装され、トランスの二次側に生じる電圧を整流する同期整流回路を構成する。第２柱状導電体対は、第２スイッチング回路の出力を第２基板から第１基板に送る。

　本開示のＤＣ／ＤＣコンバータの構成とすれば、発熱が大きいスイッチング回路やトランスが第２基板に実装されるので、筐体冷却に有利である。また、第１基板と第２基板とを接続する柱状導電体対をフィルタの構成要素の一つとして使用できるので、低ノイズ化、小型化に有利である。

本実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの構成を示す概略ブロック図である。図１のＤＣ／ＤＣコンバータのモジュールの基本構成部分の等価回路図である。ＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの斜視図である。１階基板と２階基板の接続部分を説明するための概略図である。基板Ｂ１に直交する方向から見た信号配線群３２３の形状を示す概略図である。基板Ｂ１に平行な方向から見た信号配線群３２３の形状を示す概略図である。切離す前の信号配線群３２３の正面図である。切離す前の信号配線群３２３の側面図である。保持部が無い第１変形例の信号配線群３２３Ａを使用する場合の、１階基板と２階基板の接続部分を説明するための概略図である。信号配線群３２３Ａのはんだ付け工程について説明するための図である。信号配線群の第２変形例を示す図である。信号配線群の第３変形例を示す図である。信号配線群の第４変形例を示す図である。信号配線群の第５変形例を示す図である。信号配線群の第６変形例を示す図である。

　本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。

　図１は、本実施の形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの構成を示す概略ブロック図である。図２は、図１のＤＣ／ＤＣコンバータのモジュールの基本構成部分の等価回路図である。本実施の形態ではＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの実装面積を小さく抑えるために、基板を２階建て構造とする。

　図１、図２を参照して、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１は、基板Ｂ１に実装された１階部分１００と、基板Ｂ２に実装された２階部分２００とを含む。

　１階部分１００には、入力端子対ＴＰｉｎと、出力端子対ＴＰｏｕｔと、信号端子群ＴＳと、入力フィルタ１１０と、コントロール回路１２０と、出力電圧検出およびフィードバック部１５０と、出力部１６０と、スイッチング素子ドライバ１３０，１４０とが配置される。

　２階部分２００には、第１スイッチング回路２１０と、トランス２２０と、第２スイッチング回路（同期整流器）２３０と、温度検出部２４０と、電流検出部２５０とが配置される。

　一般的な基板２階建て構造は、上下の基板間を接続するためのコネクタやピンヘッダが基板の内部に配置され、これらに要する面積が大きく、特に大型の部品の配置を大きく阻害するとともにモジュールの小型化が困難である。

　特許文献１に示す技術のように基板側面からピンや基板などを接続する方法があるが、高い電流容量を得る必要がある場合、太いピンを使用するとコネクタの熱容量の高さからハンダ付けの難易度が上がる。一方、高い電流容量を得る必要がある場合に細い配線を複数使って高い電流量を得ることも考えられるが、多数のハンダ付けを要し、コストアップや取り付け時間の増加に繋がる。

　また、基板側面からピンを取り付ける場合、両基板間の距離を位置決めするために基板表面に何らかのガイド部分が必要になる。そのガイドのために無駄な面積が発生する。

　そこで、本実施の形態においては、２階建て構造の基板モジュールにおいて、大電流を流す必要がある配線については、面実装の柱状または筒状のピン（端子対ＴＰｉｎ，ＴＰｏｕｔ、柱状導電体対３０３，３１３）とし、１階の基板Ｂ１および２階の基板Ｂ２を支えることができるように配置する。これらの面実装の柱状または筒状のピンをリフロー工程などで１階の基板と２階の基板に取り付ける。

　大電流が必要ない配線（信号配線群３２１～３２４）については、細い薄いピンを基板側面電極からハンダ付けなどで取付ける。

　図３は、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの斜視図である。図４は、１階基板と２階基板の接続部分を説明するための概略図である。なお、図４の概略図は、図３の斜視図とは前後が反転している。

　（基本構成）
　図１～図４を参照して、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１は、第１端子対ＴＰｉｎに供給された直流電圧Ｖｉｎを変換して第２端子対ＴＰｏｕｔから出力する。

　ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１は、第１基板Ｂ１と、第２基板Ｂ２と、入力フィルタ１１０と、第１柱状導電体対３０３と、第１スイッチング回路２１０と、トランス２２０と、第２スイッチング回路２３０と、第２柱状導電体対３１３と、出力部１６０とを備える。

　第１基板Ｂ１には、第１端子対ＴＰｉｎおよび第２端子対ＴＰｏｕｔが配置される。第２基板Ｂ２は、平面視で第１基板Ｂ１と重なるように配置される。入力フィルタ１１０は、第１基板Ｂ１に実装され、第１端子対ＴＰｉｎに供給される直流電圧Ｖｉｎのノイズを除去する。第１柱状導電体対３０３は、第１端子対ＴＰｉｎから入力フィルタ１１０を通過した電圧を第２基板Ｂ２に送電する。

　第１スイッチング回路２１０は、第２基板Ｂ２に実装され、第１柱状導電体対３０３に接続される。トランス２２０は、第２基板Ｂ２に実装される。トランス２２０の一次側には、第１スイッチング回路２１０のオンオフ状態が切り替えられることにより電流が流れる。第２スイッチング回路２３０は、第２基板Ｂ２に実装され、トランス２２０の二次側に生じる電圧を整流する同期整流回路を構成する。第２柱状導電体対３１３は、第２スイッチング回路２３０の出力を第２基板Ｂ２から第１基板Ｂ１に送る。

　出力部１６０は、出力コイル１６１および出力コンデンサ１６２を含み、第１基板Ｂ１に実装され、第２柱状導電体対３１３と第２端子対ＴＰｏｕｔとの間に接続される。

　ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１は、さらに、ＰＷＭ出力を制御するコントロール回路１２０と、第１信号端子群３２３Ｐと、第２信号端子群３２３Ｑと、第１信号配線群３２３とを備える。

　コントロール回路１２０は、第１基板Ｂ１に実装され、第１スイッチング回路２１０および第２スイッチング回路２３０の制御信号を発生する。第１信号端子群３２３Ｐは、第１基板Ｂ１の第１側面Ｆ１１に設けられ、第１スイッチング回路２１０の制御信号を出力する。第２信号端子群３２３Ｑは、第２基板Ｂ２の第１側面Ｆ２１に設けられ、第１スイッチング回路２１０の制御信号を受ける。第１信号配線群３２３は、第１信号端子群３２３Ｐと第２信号端子群３２３Ｑとをそれぞれ接続する。

　ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１は、さらに、第３の信号端子群３２４Ｐと、第４の信号端子群３２４Ｑと、第２信号配線群３２４とを備える。

　第３の信号端子群３２４Ｐは、第１基板Ｂ１の第１側面Ｆ１１に対向する第１基板Ｂ１の第２側面Ｆ１２に設けられ、第２スイッチング回路２３０の制御信号を出力する。第４の信号端子群３２４Ｑは、第２基板Ｂ２の第１側面Ｆ２１に対向する第２基板Ｂ２の第２側面Ｆ２２に設けられ、第２スイッチング回路２３０の制御信号を受ける。第２信号配線群３２４は、第３の信号端子群３２４Ｐと第４の信号端子群３２４Ｑとをそれぞれ接続する。

　近年の高密度実装された電子回路は、筐体に熱を逃がす筐体冷却を使用するものが多くなっている。ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１の基板Ｂ１の入力端子対ＴＰｉｎ、出力端子対ＴＰｏｕｔ、および信号端子群ＴＳは、親基板に接続されるため、第１基板Ｂ１側は筐体に放熱することはできない。そこでＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１は、基板Ｂ２に発熱の大きい電力スイッチング素子やトランスを配置している。これにより、基板Ｂ２の表面に伝熱性のシリコンゴムなどを配置し筐体に熱を逃がすことが可能となる。

　図２に示すように、入力フィルタ１１０は、π型フィルタであって、キャパシタ１１２，１１３とコイル１１１とを含む。ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１は、上下の基板を柱状導電体３０１，３０２で接続しており、これは高周波においてコイル（Ｌ成分）と等価の働きをする。したがって等価回路上、π型フィルタ１１５の構成要素として使用することができ、第１スイッチング回路２１０にキャパシタ２１２を配置することによって、入力側を２段のπ型フィルタとすることができる。このように二段のπ型フィルタが実現できるので、入力ＤＣ電圧のノイズを低減させることができる。

　また、同様にＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１は、上下の基板を柱状導電体３１１，３１２で接続しており、これはコイル（Ｌ成分）と等価の働きをする。したがって等価回路上、出力コイル１６１とともに出力コイルとして作用させることができ、出力電流の整流能力を向上させることができる。

　（信号配線群の形状）
　図５は、基板Ｂ１に直交する方向から見た信号配線群３２３の形状を示す概略図である。図６は、基板Ｂ１に平行な方向から見た信号配線群３２３の形状を示す概略図である。図７は、切離す前の信号配線群３２３の正面図である。図８は、切離す前の信号配線群３２３の側面図である。

　信号配線群３２３は、一方端に第１基板Ｂ１を挟持するＦ型の保持部３３１を備えてもよい。信号配線群３２３は、逆に、一方端に第２基板Ｂ２を挟持する保持部３３１を備えても良い。図７に示すように、信号配線群３２３は、ピンが横方向に並んだフープ状とし、ハンダ付けの後にフープ部３３０を切断すると図４に示したような形状となる。

　（信号配線群の変形例）
　図９は、Ｆ型の保持部が無い第１変形例の信号配線群３２３Ａを使用する場合の、１階基板と２階基板の接続部分を説明するための概略図である。図１０は、信号配線群３２３Ａのはんだ付け工程について説明するための図である。

　図９、図１０に示すように、Ｆ型の保持部が無い信号配線群３２３Ａは、はんだ付け工程においては一方端がフープ部３３０で連結されている。ただし、保持部が無いので、はんだ付け時に基板Ｂ１，Ｂ２と信号配線群３２３Ａとの位置決めをしてずれないように保持しておく必要がある。したがって、はんだ付け工程時に基板Ｂ１，Ｂ２上に信号配線群３２３Ａを配置してから、押さえ板Ｂ３によって押さえて固定し、ずれないようにする。はんだ付け後に押さえ板Ｂ３をはずし、フープ部３３０を切り離すことによって、図９に示すように配線の接続が完成する。

　なお、信号配線群をハンダ付け時に連結していたフープ部３３０が無くても信号配線群がばらばらにならないようにすることはできる。

　図１１は、信号配線群の第２変形例を示す図である。図１０の変形例では、基板Ｂ１と基板Ｂ２の信号端子群を接続するために、十分厚みが薄いピンヘッダ３２３Ｂを用いる。図１１に示すように、信号配線群３２３は、ピンヘッダ３２３Ｂを含む。

　図１２は、信号配線群の第３変形例を示す図である。図１２の変形例では、基板Ｂ１と基板Ｂ２の信号端子群を接続するために、十分厚みが薄く、かつ大電流用のピンヘッダ３２３Ｃを用いる。

　図１３は、信号配線群の第４変形例を示す図である。図１３の変形例では、基板Ｂ１と基板Ｂ２の信号端子群を接続するために、十分厚みが薄く、かつ信号線用のピンヘッダ３２３Ｄと大電流用のピンヘッダ３２３Ｅとを混在して用いる。

　図１４は、信号配線群の第５変形例を示す図である。図１４の変形例では、基板Ｂ１と基板Ｂ２の信号端子群を接続するために、十分厚みが薄いフレキシブルプリント配線基板３２３Ｆを用いる。図１４に示すように、信号配線群３２３は、フレキシブルプリント配線基板３２３Ｆを含む。

　図１５は、信号配線群の第６変形例を示す図である。図１５の変形例では、基板Ｂ１と基板Ｂ２の信号端子群を接続するために、十分厚みが薄い基板３２３Ｇを用いる。図１５に示すように、信号配線群３２３は、他の部品が実装された第３基板３２３Ｇに形成される。第３基板３２３Ｇは、第１信号端子群３２３Ｐに接続される第１のピン群ＰＧ１と、第２信号端子群３２３Ｑに接続される第２のピン群ＰＧ２とを含む。第１のピン群ＰＧ１は、第３基板３２３Ｇの第１の辺Ｓ１に突出して形成され、第２のピン群ＰＧ２は、第３基板３２３Ｇの第１の辺Ｓ１に対向する第２の辺Ｓ２に突出して形成される。

　このように信号配線群に他の部品が実装された基板を使用すれば、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュールの部品密度をさらに高めることができる。

　以上説明したように、本実施の形態のＤＣ／ＤＣコンバータモジュール１の構成とすれば、信号用の端子を側面に設けることで、基板主面のスペースを有効活用することができ、モジュールを小型化することができる。

　特に、太いピンを大電流用に限定することが容易になり、かつ、細いピンを基板の縁に配置することで、基板内に特に大型の部品を配置することが容易になり、モジュールの小型化が可能になる。

　また、あらかじめ太いピンだけで１階と２階を接続しているので、２階建てされたモジュールを横へ倒すことができ、その基板の側面に細いピンを上から乗せるだけでハンダ付けできる形になり、生産工程を合理化できる。

　ピンを横方向に連結された状態にしておくことで、複数本の細いピンの位置決めを容易にすることができ、生産工程を合理化できる。

　さらに、２階部を支持する太いピンを電流経路として使用することで、支持部に要していた面積を有効活用できる。

　太いピンと細いピンの両方で２階部を支持する構造であるため、側面方向からかかる応力に対する強度を確保できる。

　なお、図４、図９に示す構成では、側面には細いピンが配置され接続用の基板は配置されないため、通気性および放熱性が良好である。また、側面端子を使用した接続については、図４、図９、図１１～図１５に示した形態を適宜組み合わせて使用しても良い。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１　ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール、１１０　入力フィルタ、１１１　コイル、１１２，１１３，２１２　キャパシタ、１１５　フィルタ、１２０　コントロール回路、１３０，１４０　スイッチング素子ドライバ、１５０　フィードバック部、１６０　出力部、１６１　出力コイル、１６２　出力コンデンサ、２１０，２３０　スイッチング回路、２２０　トランス、２４０　温度検出部、２５０　電流検出部、３０１，３０２，３１１，３１２　柱状導電体、３０３，３１３　柱状導電体対、３２１～３２４　信号配線群、３２３Ａ　信号配線群、３２３Ｂ，３２３Ｃ，３２３Ｄ，３２３Ｅ　ピンヘッダ、３２３Ｆ　フレキシブルプリント配線基板、３２３Ｇ，Ｂ１，Ｂ２　基板、３３０　フープ部、３３１　保持部、Ｂ３　押さえ板、Ｆ１１，Ｆ２１　第１側面、Ｆ１２，Ｆ２２　第２側面、ＰＧ１　第１のピン群、ＰＧ２　第２のピン群、Ｓ１　第１の辺、Ｓ２　第２の辺、ＴＰｉｎ，ＴＰｏｕｔ　端子対、ＴＰｏｕｔ　出力端子対、ＴＳ　信号端子群。

Claims

　第１端子対に供給された直流電圧を変換して第２端子対から出力するＤＣ／ＤＣコンバータモジュールであって、
　前記第１端子対および前記第２端子対が配置される第１基板と、
　平面視で前記第１基板と重なるように配置される第２基板と、
　第１柱状導電体対と、
　前記第２基板に実装され、前記第１柱状導電体対に接続される第１スイッチング回路と、
　前記第２基板に実装され、前記第１スイッチング回路を介して電流が一次側に流れるトランスと、
　前記第２基板に実装され、前記トランスの二次側に生じる電圧を整流する整流回路を構成する第２スイッチング回路と、
　前記第２スイッチング回路の出力を前記第２基板から前記第１基板に送る第２柱状導電体対と、
　を備える、ＤＣ／ＤＣコンバータモジュール。
　前記第１柱状導電体対は、前記第１端子対から前記第１柱状導電体対に供給される電圧のノイズを除去する入力フィルタを構成する、請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータモジュール。
　前記第２柱状導電体対と前記第２端子対との間に接続された出力コイルおよび出力コンデンサをさらに備える、請求項１または２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータモジュール。
　前記第１基板に実装され、前記第１または第２スイッチング回路の制御信号を発生する制御回路と、
　前記第１基板の側面に設けられ、前記第１または第２スイッチング回路の制御信号を出力する第１信号端子群と、
　前記第２基板の側面に設けられ、前記第１または第２スイッチング回路の制御信号を受ける第２信号端子群と、
　前記第１信号端子群と前記第２信号端子群とをそれぞれ接続する信号配線群とをさらに備える、請求項１から３のいずれか１項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータモジュール。
　前記信号配線群は、一方端に前記第１基板または前記第２基板を挟持する保持部を備える、請求項４に記載のＤＣ／ＤＣコンバータモジュール。
　前記信号配線群は、ピンヘッダ、フレキシブルプリント配線基板の少なくとも一方を含む、請求項４に記載のＤＣ／ＤＣコンバータモジュール。
　前記信号配線群は、他の部品が実装された第３基板に形成され、
　前記第３基板は、
　前記第１信号端子群に接続される第１のピン群と、
　前記第２信号端子群に接続される第２のピン群とを含み、
　前記第１のピン群は、前記第３基板の第１の辺に突出して形成され、
　前記第２のピン群は、前記第３基板の前記第１の辺に対向する第２の辺に突出して形成される、請求項４に記載のＤＣ／ＤＣコンバータモジュール。
　前記第１基板に実装され、前記第１および第２スイッチング回路の制御信号を発生する制御回路と、
　前記第１基板の第１側面に設けられ、前記第１スイッチング回路の制御信号を出力する第１信号端子群と、
　前記第２基板の第１側面に設けられ、前記第１スイッチング回路の制御信号を受ける第２信号端子群と、
　前記第１信号端子群と前記第２信号端子群とをそれぞれ接続する第１信号配線群と、
　前記第１基板の前記第１側面に対向する前記第１基板の第２側面に設けられ、前記第２スイッチング回路の制御信号を出力する第３の信号端子群と、
　前記第２基板の前記第１側面に対向する前記第２基板の第２側面に設けられ、前記第２スイッチング回路の制御信号を受ける第４の信号端子群と、
　前記第３の信号端子群と前記第４の信号端子群とをそれぞれ接続する第２信号配線群とをさらに備える、請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータモジュール。