JP6954477B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数のインダクタが平面に配列された平面アレイインダクタを備え、マルチフェーズで動作するスイッチング電源装置に関する。
多層基板に導体パターンによる巻線を形成し、その多層基板にフェライト等の磁性体コアを嵌め込む構造のインダクタ及びこれを用いたスイッチング電源装置が特許文献１に示されている。また、複数の巻線が積み重ねて設けられた積層型のインダクタアレイが特許文献２に示されている。
特開２０００−２６０６３９号公報 特開２０１５−７３０５２号公報
特許文献１に記載のスイッチング電源装置によれば、導体パターンによる巻線が基板に形成されているので、大部分は薄型化される。しかし、磁性体コアを基板の両面に亘って配置しても、スイッチング電源装置の最大厚みは磁性体コア自体の厚みに制限されるので、スイッチング電源装置全体の薄型化には限界があった。
また、個別に互いに独立して構成される磁性体コアを有するインダクタを備えるスイッチング電源装置では、放熱面積は小さく、発熱が集中して温度が上昇するという問題がある。さらには、磁性体コアを嵌め込む構造のインダクタを採用すると、製品の製造工程が複雑になり、生産が複雑になると共に、電力仕様に応じてインダクタや磁性体コアのサイズが決まってしまう。そのため、仕様が多様化するに従って、製品のラインナップが増加し、このラインナップの増加により、生産工程が複雑になるだけでなく、製品の製造管理も複雑になり、生産性の面でも問題があった。
一方、特許文献２に記載のインダクタアレイは、ヘリカル状の複数のインダクタが、それらの巻回軸が一致するように積み上げられた、空芯構造の積層インダクタであるので、このようなインダクタアレイを、複数のＤＣ−ＤＣコンバータ回路を備えるスイッチング電源装置に用いると、外部への磁界の不要輻射が問題となる。また、このようなインダクタアレイを、複数のＤＣ−ＤＣコンバータ回路を備えるスイッチング電源装置に用いるためには、所定のインダクタンスを得るため巻線の巻回数を多くする必要があるので、積層数の多い基板が必要となる等、生産性の面でも問題となる。
そこで、本発明の目的は、薄型化と発熱の分散化が容易で、電力の大小に応じて基板面積のサイズを変更して対応でき、不要輻射が効果的に抑制される、マルチフェーズで動作するスイッチング電源装置を提供することにある。
本開示の一例としてのスイッチング電源装置は、多層プリント基板に構成され、複数のスイッチング回路部及び前記複数のスイッチング回路部を制御する制御部を有する電力変換回路と、前記多層プリント基板に形成され、それぞれ第１端及び第２端を有し、インダクタを構成する複数の巻線と、前記多層プリント基板の上面又は前記多層プリント基板の下面の一方又は両方に設けられ、磁性層を形成する軟磁性体からなる磁性体シートと、を備える。そして、前記複数の巻線は、前記多層プリント基板に形成された導体パターンで構成され、前記複数の巻線は前記多層プリント基板の面に沿って配列され、前記複数の巻線それぞれの前記第１端は前記複数のスイッチング回路部に接続され、前記複数の巻線それぞれの前記第２端は共通の出力部に接続され、前記制御部は、前記複数のスイッチング回路部を制御して、前記複数の巻線に電流が流れて発生する磁束により、磁束密度が最大となる位置及び時刻を周期的に変化させる。
上記スイッチング電源装置によれば、磁性体シートの高透磁率の作用によって、所定のインダクタンスを有する小型の巻線が形成でき、磁性体シートが磁路となることで、巻線から発生される磁束の磁路を短くでき、不要輻射が抑制される。また、巻線自体は空芯構造であるので、巻線構造が簡素となり、生産性に優れ、低コスト化が図れる。また、巻線毎に磁性体コアを設ける必要がなく、連続した磁性体シートとして扱うことにより、個別巻線の磁性体として扱うよりも生産性が高まる。
本発明によれば、小型化が容易で不要輻射が効果的に抑制されるスイッチング電源装置が得られる。
図１（Ａ）は第１の実施形態に係るスイッチング電源装置が備える平面アレイ巻線１０１の斜視図である。図１（Ｂ）は平面アレイ巻線１０１の分解斜視図である。 図２は多層プリント基板１０に形成された巻線のパターンを示す斜視図である。 図３（Ａ）は、第１の実施形態に係るスイッチング電源装置が備える平面アレイ巻線の各巻線に流れる電流と、生じる磁束の様子を示す斜視図であり、図３（Ｂ）はその断面図である。 図４は、本実施形態の平面アレイ巻線１０１のうち、一つの巻線の構造を示す分解平面図である。 図５は、図４に示した各層の導体パターンを積層した状態を簡易的に表す斜視図である。 図６は第２の実施形態に係る平面アレイ巻線の一つの巻線の構造を示す分解平面図である。 図７は第２の実施形態の別の平面アレイ巻線の一つの巻線構造を示す分解平面図である。 図８（Ａ）は第３の実施形態に係るスイッチング電源装置が備える平面アレイ巻線１０２の斜視図である。図８（Ｂ）はその分解斜視図である。 図９は、平面アレイ巻線１０２の多層プリント基板１０に形成された巻線のパターンについて示す斜視図である。 図１０（Ａ）は、第３の実施形態に係る平面アレイ巻線の各巻線に流れる電流と、生じる磁束の様子を示す斜視図であり、図１０（Ｂ）はその断面図である。 図１１は第４の本実施形態に係るスイッチング電源装置１１１の回路図である。 図１２は、図１１に示したスイッチング電源装置の各部の電圧・電流の波形図である。 図１３は、四つの巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が形成された平面アレイ巻線と、電力変換回路２０と、を備える、第４の実施形態に係る別のスイッチング電源装置１１２の回路図である。 図１４は、並列制御を行うスイッチング回路部の数を負荷の大きさに応じて変更した場合の、出力電流に対する出力電圧の関係を示す図である。 図１５は、第４の実施形態に係るスイッチング電源装置の回路基板上の構成の例について示す平面図である。 図１６は磁性体シート１１，１２に用いる磁性体材料の物性の例を示す図である。 図１７は磁性体シート１１，１２に用いる磁性体材料の物性の例を示す図である。 図１８は磁性体シート１１，１２に用いる磁性体材料の物性の例を示す図である。
《第１の実施形態》
図１（Ａ）は第１の実施形態に係るスイッチング電源装置が備える平面アレイ巻線１０１の斜視図である。図１（Ｂ）はその分解斜視図である。
平面アレイ巻線１０１は多層プリント基板１０と磁性体シート１１，１２とを備える。
多層プリント基板１０には複数の巻線が面に沿って配列されていて、このことで、多層プリント基板１０に平面アレイ巻線が構成されている。これら巻線には、後に示すとおり、互いに異なる位相でスイッチングを行う複数のスイッチング回路部を有する電力変換回路に接続される。
図１（Ａ）に示すように、多層プリント基板１０は、長手方向（Ｘ軸方向）と短手方向（Ｙ軸方向）を有する平板状である。巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、多層プリント基板１０の長手方向に沿って配列される。巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が形成された領域は、多層プリント基板１０の平板領域に沿って形成されると共に、磁性体シート１１，１２と互いに平行に形成される。これにより、巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３の導体パターンは、磁性体シート１１、１２までの距離が略同一となり、各導体パターンで形成される磁路の大きさを略同一に構成されている。
図１（Ａ）に示すように、多層プリント基板１０の上面には磁性体シート１１が重ねられ、多層プリント基板１０の下面には磁性体シート１２が重ねられる。磁性体シート１１，１２、は軟磁性体からなる磁性体材料を含む部材がシート状に成形されたものである。この磁性体シート１１，１２は巻線開口を抜ける磁束の磁路として作用する。また、磁気シールド層として作用する。磁性体シート１１，１２の材料及び構成については後に示す。
図２は多層プリント基板１０に形成された巻線のパターンについて示す斜視図である。図３（Ａ）は、この平面アレイ巻線１０１の各巻線に流れる電流と、生じる磁束の様子を示す斜視図であり、図３（Ｂ）はその断面図である。図３（Ａ）では磁性体シート１１，１２の図示を省略している。また、図３（Ｂ）では多層プリント基板１０の図示を省略し、且つ導体パターンを一層にまとめて表している。
本実施形態の平面アレイ巻線１０１の多層プリント基板１０には複数の巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が形成されている。これら巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のそれぞれの第１端Ｐ１は、電力変換回路のスイッチング回路部に接続され、第２端Ｐ２は共通の出力部に接続される。各巻線の詳細な構造と電力変換回路については後に示す。
巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、多層プリント基板１０に形成された導体パターンで構成され、かつ多層プリント基板１０の面に沿って配列されている。
また、巻線Ｌ１は二つの巻線部Ｌ１ａ，Ｌ１ｂを備え、巻線Ｌ２は二つの巻線部Ｌ２ａ，Ｌ２ｂを備え、巻線Ｌ３は二つの巻線部Ｌ３ａ，Ｌ３ｂを備える。巻線部Ｌ１ａは巻線Ｌ１の中央導体パターン１と環状導体パターン２とで構成され、巻線部Ｌ１ｂは巻線Ｌ１の中央導体パターン１と環状導体パターン３とで構成される。同様に、巻線部Ｌ２ａは巻線Ｌ２の中央導体パターン１と環状導体パターン２とで構成され、巻線部Ｌ２ｂは巻線Ｌ２の中央導体パターン１と環状導体パターン３とで構成される。さらに、巻線部Ｌ３ａは巻線Ｌ３の中央導体パターン１と環状導体パターン２とで構成され、巻線部Ｌ３ｂは巻線Ｌ３の中央導体パターン１と環状導体パターン３とで構成される。隣接する巻線の巻線開口同士は重ならない位置に配置されている。
巻線Ｌ１の導体パターン１，２，３は、多層プリント基板１０の短手方向（Ｙ軸方向）に沿って延びるように形成されると共に、多層プリント基板１０の長手方向（Ｘ軸方向）に沿ってそれぞれ配置される。同様に、巻線Ｌ２の導体パターン１，２，３は、多層プリント基板１０の短手方向（Ｙ軸方向）に沿って延びるように形成されると共に、多層プリント基板１０の長手方向（Ｘ軸方向）に沿ってそれぞれ配置される。さらに、巻線Ｌ３の導体パターン１，２，３は、多層プリント基板１０の短手方向（Ｙ軸方向）に沿って延びるように形成されると共に、多層プリント基板１０の長手方向（Ｘ軸方向）に沿ってそれぞれ配置される。
図２に示した各部のサイズ等は例えば次のとおりである。
［導体パターン］
厚さ：0.07ｍｍ
巻線部の幅CW：10 mm
巻線部の長さCL：14 mm
巻線全体の幅AW：36mm
片方の巻線部同士の間隔Ｄ：2mm
巻線部の開口幅Ｗ：3.3mm
［磁性体シート］
比透磁率μ’：1000
厚さMT：20μm
図３（Ａ）中の直線の矢印、図３（Ｂ）中のドット記号及びクロス記号は、或る位相（タイミング）における各巻線部に流れる電流の方向を示している。つまり、巻線Ｌ１の二つの巻線部Ｌ１ａ，Ｌ１ｂには、旋回方向が互いに逆の電流が流れる。同様に、巻線Ｌ２の二つの巻線部Ｌ２ａ，Ｌ２ｂには、旋回方向が互いに逆の電流が流れ、巻線Ｌ３の二つの巻線部Ｌ３ａ，Ｌ３ｂには、旋回方向が互いに逆の電流が流れる。
また、巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３は、上記二つの巻線部のうち片方の巻線部同士が近接する状態で配列されている。具体的には、巻線Ｌ１の片方の巻線部Ｌ１ｂと巻線Ｌ２の片方の巻線部Ｌ２ａとが近接し、巻線Ｌ２の片方の巻線部Ｌ２ｂと巻線Ｌ３の片方の巻線部Ｌ３ａとが近接している。
そして、スイッチング回路の動作により、近接する巻線部のうち並走する部分に流れる電流が同方向になるように、巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３が互いに接続されている。図３（Ａ）に矢印で示す例では、近接する巻線部のうちＹ軸方向に並走する部分に同方向の電流が流れる。
図３（Ｂ）に示すように、巻線部の導体パターン１，２，３の周囲に生じる磁束は磁性体シート１１，１２を、その面方向に沿って通る。つまり、磁性体シート１１，１２は各巻線の近接位置がそれら巻線の磁路としてそれぞれ作用する。また、磁性体シート１１，１２は各巻線の巻線開口を通過する磁束を磁性体シート１１，１２内に閉じ込めるので、磁性体シート１１，１２は磁気シールド層として作用する。巻線部の導体パターンに電流が流れることにより周囲に発生する磁束による磁束密度を考慮して、巻線部の開口幅Ｗと磁性体シートの比透磁率μ’と磁性体シートの厚さMTの寸法関係により、磁性体シートの厚さMTは、MT ≧ W /（2μ’）の関係を満たすことが好ましい。例えば、磁性体シートの薄型化を図るには、磁性体シートの厚さMTは、W /（2μ’）に設定される。
なお、本実施形態の平面アレイ巻線１０１では、近接する巻線部を共に鎖交する磁束φｍが生じても、その磁束φｍによって、上記近接する二つの巻線部に流れる電流は相殺されない。つまり、近接する二つの巻線部同士が磁束を介して磁気結合をしても悪影響を及ぼさない。そのため、隣接する巻線同士の間隔を小さくでき、そのことでアレイ巻線を小形化できる。図２に示した例では、巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のうち、片方の巻線部同士の間隔Ｄは、当該間隔Ｄの方向での巻線部の開口幅Ｗより小さい。
図４は、本実施形態の平面アレイ巻線１０１のうち、一つの巻線の構造を示す分解平面図である。これはビルドアップ工法でプリント基板を製造する場合の一例である。ここでは、多層プリント基板１０の各層に形成された巻線導体パターンのみを表している。図２に示した各巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３のいずれも同じ構成である。
図４に表れているように、表層である第１層には中央導体パターン１ａと二つの環状導体パターン２ａ，３ａが形成されている。同様に、第２層には中央導体パターン１ｂと二つの環状導体パターン２ｂ，３ｂが形成されていて、第３層には中央導体パターン１ｃと二つの環状導体パターン２ｃ，３ｃが形成されていて、第４層には中央導体パターン１ｄと二つの環状導体パターン２ｄ，３ｄが形成されていて、第５層には中央導体パターン１ｅと二つの環状導体パターン２ｅ，３ｅが形成されている。そして、最下層である第６層には中央導体パターン１ｆと二つの環状導体パターン２ｆ，３ｆが形成されている。中央導体パターン１ａ〜１ｆはいずれも直線状（線分状）であり、環状導体パターン２ａ〜２ｆ，３ａ〜３ｆはいずれも１ターン未満の導体パターンである。
ビルドアップ工法には以下の工程が含まれる。
絶縁体層形成工程：銅箔付き絶縁体シート(RCC:Resin Coated Copper Foil)を重ね合わせるか、基板上で樹脂を被覆固化させて絶縁体層を形成する。
ビア加工工程：基板を構成する１枚の絶縁体層にレーザー加工又はフォトリソグラフィによってビアを穿孔する。
デスミア工程：ビア加工工程で発生した樹脂の残渣（スミア）を除去する。
ビアめっき工程：絶縁体シートに開けられた穴の内面又は穴の内部全体に無電解めっき法や電気めっき法で導体を形成して配線層間を接続する。
例えば、図４に示す第３層と第４層は、両面銅箔付き絶縁体シート（コア層）のその両面に相当し、第１層、第２層は上記コア層の上面に積層された層であり、第５層、第６層は上記コア層の下面に積層された層である。
第１層の環状導体パターン２ａ，３ａの端部と第２層の中央導体パターン１ｂの端部は第２層のビアＶを介して接続されている。また、第２層の環状導体パターン２ｂ，３ｂの端部と第３層の中央導体パターン１ｃの端部は第３層のビアＶを介して接続されている。同様に、第３層の環状導体パターン２ｃ，３ｃの端部と第４層の中央導体パターン１ｄの端部は第４層のビアＶを介して接続されていて、第４層の環状導体パターン２ｄ，３ｄの端部と第５層の中央導体パターン１ｅの端部は第５層のビアＶを介して接続されている。そして、第５層の環状導体パターン２ｅ，３ｅの端部と第６層の中央導体パターン１ｆの端部は第６層のビアＶを介して接続されている。
巻線導体パターンが形成された複数の基材層のうち、最下層と表層とで挟まれる中間層（第２層から第５層）の巻線導体パターンは、２種の巻線導体パターンで構成され、この２種の巻線導体パターンが基材層の積層方向に交互に配置されている。図４に示す例では、第２層と第４層に第１種の巻線導体パターンが形成されていて、第３層と第５層に第２種の巻線導体パターンが形成されている。
第１層の中央導体パターン１ａの端部は第１端Ｐ１として引き出されていて、第６層の環状導体パターン２ｆ，３ｆの端部は接続されて第２端Ｐ２として引き出されている。
図５は、図４に示した各層の導体パターンを積層した状態を簡易的に表す斜視図である。各層の中央導体パターン１ａ〜１ｆの大部分は平面視で重なる。また、各層の一方の環状導体パターン２ａ〜２ｆの大部分は平面視で重なり、各層の他方の環状導体パターン３ａ〜３ｆの大部分は平面視で重なる。さらに、この例では、第１端Ｐ１と第２端Ｐ２も平面視で重なる。
図４、図５に示した導体パターンで巻線が構成されていることにより、第１端Ｐ１−第２端Ｐ２間に電圧が印加されることで、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示した方向に電流が流れ、磁束が生じる。
ここで、磁性体シート１１，１２の材料及び物性について例示する。
図１６は、13.56MHz帯に適した３つの磁性体材料の例について、複素比透磁率の周波数特性を示す図である。図中、μ’は複素比透磁率の実部、μ”は複素比透磁率の虚部である。これら３つの磁性体材料は、Ni-Zn-Cuフェライトの焼結体である。図１６において、Ａ，Ｂ，Ｃで示す３つの磁性体材料は、13.56MHz帯において、μ’が110から130程度の高透磁率特性、μ”が1から3程度の低損失特性が得られている。
図１７は、100kHz帯に適した４つの磁性体材料の例について、複素比透磁率の周波数特性を示す図である。図中、μ’は複素比透磁率の実部、μ”は複素比透磁率の虚部である。これら４つの磁性体材料は、Ni-Zn-Cuフェライトの焼結体である。図１７において、Ｄ，Ｅ，Ｆ，Ｇで示す４つの磁性体材料は、100kHz帯において、μ’が140から660程度の高透磁率特性、μ”が1から3程度の低損失特性が得られている。
スイッチング周波数が1MHz帯から10MHz帯の周波数である場合に、磁性体シート１１，１２の磁性体材料は、図１６に示したように、10MHz以上の周波数で比透磁率が最大となるNi-Zn-Cu 系の焼結フェライト材であることが好ましい。また、スイッチング周波数が100kHz帯から1MHz帯の周波数である場合に、磁性体シート１１，１２の磁性体材料は、図１７に示したように、1MHz以上の周波数で比透磁率が最大となるNi-Zn-Cu 系の焼結フェライト材であることが好ましい。
図１８は、100kHzから数100kHz帯に適した２つの磁性体材料の例について、比透磁率μ’の周波数特性を示す図である。図１８においてＪ，Ｋで示す磁性体材料はシート状に成形されたCo系アモルファス金属である。磁性材料Ｊは、100kHzから数100kHz帯において、高透磁率特性が得られている。磁性材料Ｋは、1MHz以下の周波数帯において高透磁率特性が得られている。
スイッチング周波数が10kHz帯から10MHz帯の周波数である場合に、磁性体シート１１，１２の磁性体材料は、図１８に示したように、Co系アモルファス金属であることが好ましい。
磁性体シート１１，１２は、例えば0.05mm以上0.30mm以下の厚さを有する上記焼結体を、あらかじめ数mm角の個片に分割し、基材層と共にシート状に成形したものである。例えば、表面に剥離剤がコーティングされたPET（ポリエチレンテレフタレート）フィルム又は紙シートに、つまり離型紙に、粘着シートを介して上記個片化された磁性体層を貼付し、この磁性体層の表面に保護膜としてのPETフィルムを被覆することで磁性体シート１１，１２は構成される。この磁性体シート１１，１２の上記離型紙を剥離し、多層プリント基板１０に貼付することで、図１（Ａ）に示した平面アレイ巻線１０１が構成される。
なお、磁性体シート１１，１２は、磁性体フェライト粉等の磁性体粉が混合されたシリコーンゴムや樹脂材がシート状に成形されたものであってもよい。
以上に示した、本実施形態のスイッチング電源装置によれば、次のような作用効果を奏する。
・磁性体シート１１，１２の高透磁率の作用によって、所定のインダクタンスを有する小型の巻線が形成できる。
・磁性体シート１１，１２が磁路となることで、巻線から発生される磁束の磁路を短くでき、不要輻射が抑制される。
・巻線自体は空芯構造であるので、巻線構造が簡素となり、生産性に優れ、低コスト化が図れる。
・巻線毎に磁性体コアを設ける必要がなく、連続した磁性体シートとして扱うことにより、個別巻線の磁性体として扱うよりも生産性が高まる。
・磁性体シート１１，１２が多層プリント基板１０の厚みよりも薄いため、多層プリント基板に磁性体コアが嵌め込まれた構想のインダクタに比べて、薄型の平面アレイ巻線が得られる。
《第２の実施形態》
第２の実施形態では、複数の巻線を構成する導体パターンの形状が第１の実施形態で示したものと異なる、幾つかの巻線について示す。
図６は第２の実施形態に係る平面アレイ巻線の一つの巻線の構造を示す分解平面図である。図４に示した例と同様に、図６も多層プリント基板１０の各層に形成された巻線導体パターンのみを表している。この図６に示す巻線は、図４に示した第４層及び第５層が無い。つまり、図４の第２層及び第４層に形成された第１種の巻線導体パターンと、図４の第３層及び第５層に形成された第２種の巻線導体パターンとをそれぞれ１層ずつ備えている。
このように、導体パターンの積層数は適宜定められる。
図４、図６において、第２層と第３層は積層方向への繰り返し周期の最小単位である。第２層と第３層の繰り返し回数が「０回」であれば、つまり、表層と最下層の２層で巻線が構成される。第２層と第３層の繰り返し回数が「１回」であれば、図６に示した４層で巻線が構成され、第２層と第３層の繰り返し回数が「２回」であれば、図５に示したように６層で巻線が構成される。第２層と第３層の繰り返し回数は「３回」以上であってもよい。
図７は第２の実施形態の別の平面アレイ巻線の一つの巻線構造を示す分解平面図である。これは貫通ビア工法で多層プリント基板を製造する場合の一例である。図６に示した例と同様に、多層プリント基板の各層に形成された巻線導体パターンのみを表している。
図７に表れているように、表層である第１層には中央導体パターン１ａと二つの環状導体パターン２ａ，３ａが形成されている。同様に、第２層には中央導体パターン１ｂと二つの環状導体パターン２ｂ，３ｂが形成されていて、第３層には中央導体パターン１ｃと二つの環状導体パターン２ｃ，３ｃが形成されていて、第４層には中央導体パターン１ｄと二つの環状導体パターン２ｄ，３ｄが形成されていて、第５層には中央導体パターン１ｅと二つの環状導体パターン２ｅ，３ｅが形成されている。そして、最下層である第６層には中央導体パターン１ｆと二つの環状導体パターン２ｆ，３ｆが形成されている。
図７中の複数の丸いパターンはそれぞれ貫通ビアである。第１層の中央導体パターン１ａの端部と第２層の環状導体パターン２ｂ，３ｂの端部はビアを介して接続されている。また、第２層の中央導体パターン１ｂの端部と第３層の環状導体パターン２ｃ，３ｃの端部はビアを介して接続されている。同様に、第３層の中央導体パターン１ｃの端部と第４層の環状導体パターン２ｄ，３ｄの端部はビアを介して接続されていて、第４層の中央導体パターン１ｄの端部と第５層の環状導体パターン２ｅ，３ｅの端部はビアを介して接続されている。そして、第５層の中央導体パターン１ｅの端部と第６層の環状導体パターン２ｆ，３ｆの端部はビアを介して接続されている。
第１層の環状導体パターン２ａ，３ａは接続されて第１端Ｐ１として引き出されていて、第６層の中央導体パターン１ｆの端部は第２端Ｐ２として引き出されている。
以上に示したようにして、貫通ビア工法による多層プリント基板に平面アレイ巻線を形成してもよい。
《第３の実施形態》
第３の実施形態では、導体パターンが第１、第２の実施形態で示したものとは異なる平面アレイ巻線の例を示す。
図８（Ａ）は第３の実施形態に係るスイッチング電源装置が備える平面アレイ巻線１０２の斜視図である。図８（Ｂ）はその分解斜視図である。図９は多層プリント基板１０に形成された巻線のパターンについて示す斜視図である。図１０（Ａ）はこの平面アレイ巻線１０２の各巻線に流れる電流と、生じる磁束の様子を示す斜視図であり、図１０（Ｂ）はその断面図である。図１０（Ａ）では磁性体シート１１，１２の図示を省略している。また、図１０（Ｂ）では多層プリント基板１０の図示を省略し、且つ導体パターンを一層にまとめて表している。
図８（Ａ）、図８（Ｂ）に示す平面アレイ巻線１０２は、多層プリント基板１０に形成された複数の個別の巻線Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３を備える。これら巻線Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３のそれぞれの第１端Ｐ１は、電力変換回路のスイッチング回路部に接続され、第２端Ｐ２は共通の出力部に接続される。巻線Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３は、多層プリント基板１０に形成された導体パターンで構成され、かつ多層プリント基板１０の面に沿って配列されている。巻線Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３はそれぞれ一つの巻線開口を有する。隣接する巻線の巻線開口同士は重ならない位置に配置されている。磁性体シート１１，１２には、巻線Ｌ１１と巻線Ｌ１２との間に対応する位置、巻線Ｌ１２と巻線Ｌ１３との間に対応する位置にそれぞれスリットＳＬが形成されている。このスリットＳＬは、本発明に係る「スリット状の磁性体非形成部」に相当する。
図９に示した各部のサイズ等は例えば次のとおりである。
［導体パターン］
厚み：0.07ｍｍ
巻線部の幅CW：10 mm
巻線部の長さCL：10 mm
巻線全体の幅AW：36mm
巻線部同士の間隔Ｄ：2mm
［磁性体シート］
比透磁率：1000
厚さ：20μm
図１０（Ａ）中の直線の矢印、図１０（Ｂ）中のドット記号及びクロス記号は、或る位相（タイミング）における各巻線部に流れる電流の方向を示している。
本実施形態で示したように、平面アレイ巻線を構成する各巻線は、それぞれが一つの巻回軸を有する導体パターンで構成されていてもよい。
また、本実施形態で示したように、磁性体シート１１，１２にスリットＳＬを設けることによって、隣接する巻線間の不要結合を抑制できる。
《第４の実施形態》
第４の実施形態では、以上に示した平面アレイ巻線を備えるスイッチング電源装置の例を示す。
図１１は本実施形態に係るスイッチング電源装置１１１の回路図である。このスイッチング電源装置１１１は、巻線Ｌ１，Ｌ２が形成された平面アレイ巻線と、電力変換回路２０と、を備える。電力変換回路２０のスイッチング回路部２１ａ，２１ｂは、それぞれハイサイドのMOS-FETとローサイドのMOS-FETとで構成されている。巻線Ｌ１の第１端はスイッチング回路部２１ａの出力部に接続されていて、第２端は共通の出力部Ｐｏに接続されている。巻線Ｌ２の第１端はスイッチング回路部２１ｂの出力部に接続されていて、第２端は共通の出力部Ｐｏに接続されている出力部Ｐｏには平滑コンデンサＣｏが接続されている。
前記スイッチング回路部２１ａのMOS-FETのゲート・ソース間には駆動回路２２ａが接続されていて、前記スイッチング回路部２１ｂのMOS-FETのゲート・ソース間には駆動回路２２ｂが接続されている。
駆動回路２２ａ，２２ｂにはスイッチング制御回路２３が接続されている。このスイッチング制御回路２３は駆動回路２２ａ，２２ｂに対して、位相差１８０度の２相の駆動信号を出力する。
図１２は、図１１に示したスイッチング電源装置の各部の電圧・電流の波形図である。図１２において、電圧Ｖｉｎは入力電圧である。電流ｉ１はスイッチング回路部２１ａに流れる入力電流であり、電流ｉ２はスイッチング回路部２１ｂに流れる入力電流である。また、電流ｉＬ１は巻線Ｌ１に流れる電流であり、電流ｉＬ２は巻線Ｌ２に流れる電流である。電圧Voutは、出力部Ｐｏの出力電圧である。
入力電流ｉ１，ｉ２の電流波形の位相差は１８０度であり、巻線Ｌ１，Ｌ２に流れる電流の波形の位相差も１８０度である。図１１、図１２に示した例では、二つの巻線を用いた２相のスイッチング電源装置であるので、１スイッチング周期に２組のスイッチング動作が行われ、２回の巻線電流における励磁電流の波形が確認できる。
図１３は、四つの巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が形成された平面アレイ巻線と、電力変換回路２０と、を備える、第４の実施形態に係る別のスイッチング電源装置１１２の回路図である。電力変換回路２０のスイッチング回路部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄは、それぞれハイサイドのMOS-FETとローサイドのMOS-FETとで構成されている。巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４のそれぞれの第１端はスイッチング回路部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄの出力部にそれぞれ接続されていて、第２端は共通の出力部Ｐｏに接続されている。
スイッチング回路部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄには図外の駆動回路がそれぞれ接続されていて、各駆動回路にスイッチング制御回路２３の駆動回路に出力部（PWM1，PWM2，PWM3，PWM4）が接続されている。このスイッチング制御回路２３は駆動回路に対して、位相差９０度の四相の駆動信号を出力部（PWM1，PWM2，PWM3，PWM4）から出力する。
このように４相のスイッチング電源装置であれば、スイッチング回路部２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄに流れる入力電流波形の位相差は９０度であり、巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に流れる電流の波形の位相差も９０度である。したがって、１スイッチング周期に４組のスイッチング動作が行われ、４回の巻線電流における励磁電流の波形が確認できる。
図１３に示したスイッチング制御回路２３は、マルチフェーズのＰＷＭコントローラであり、負荷の軽重に応じて、複数のスイッチング回路部２１ａ〜２１ｄのうち、用いるスイッチング回路部の数を制御することもできる。つまり、最軽負荷時には単相で動作し、最重負荷時には４相で動作し、その中程度の負荷時には２相又は３相で動作する。
図１４は、並列制御を行うスイッチング回路部の数を負荷の大きさに応じて変更した場合の、出力電流に対する出力電圧の関係を示す図である。この例では、最も軽負荷時の並列数は単一（単相制御）であり、最も重負荷時の並列数は２０（２０相制御）である。
図１４の例では、出力電圧Voutが1.8Vを下回らない範囲で並列数を最小数としている。ここで、オンデューティ比をD、入力電圧をVin、並列数をN、スイッチング回路部及び巻線の抵抗成分をr 、出力電流をI で表すと、
Vout＝D・Vin−( r / N ) I
の関係が成り立つ。したがって、負荷の軽重に応じて並列数Nを制御することでほぼ一定の出力電圧Voutが得られる。つまり、負荷の軽重に応じて並列数Nを変更して、不要なスイッチング回路部を停止させ、スイッチング回路部の数を減らすことにより、スイッチング損失やスイッチング回路部の駆動損失を低減して、電力変換回路の高効率化を図ることができる。
次に、本実施形態のスイッチング電源装置の回路基板上の構成の例について示す。図１５は多層プリント基板１０に形成されたスイッチング電源装置の平面図である。多層プリント基板１０の上下面には、多層プリント基板１０と実質的に同サイズの磁性体シートが配置されるが、図１５では、その磁性体シートを除いた状態で図示している。
多層プリント基板１０には巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６が形成されている。これら巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３で一つの平面アレイ巻線が構成されていて、巻線Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６でもう一つの平面アレイ巻線が構成されている。これら巻線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６の導体パターンは簡略化して図示している。これら複数の巻線を備える平面アレイ巻線の構成は図２等に示したとおりである。二つの平面アレイ巻線の間にはスイッチング回路部２１及び駆動回路２２が設けられている。スイッチング回路部２１の構成は、図１１、図１３に示したスイッチング回路部２１ａ〜２１ｄに示したとおりである。駆動回路２２の構成は図１１に示した駆動回路２２ａ，２２ｂに示したとおりである。スイッチング回路部２１及び駆動回路２２の近傍にはスイッチング制御回路２３が設けられている。
このように、隣接する巻線間距離を小さくして、基板上の限られたスペースに複数の巻線が配列された平面アレイ巻線を備えるスイッチング電源装置を構成できる。
以上に示した、本実施形態のスイッチング電源装置によれば、次のような作用効果を奏する。
・複数の巻線が発生する磁束が最大磁束密度となる位置及び時刻が周期的に変化することにより、見かけ上の動作周波数が高周波化されて、平滑用キャパシタ及び各巻線を小型化できる。また高速負荷応答に優れる。
・複数の巻線が発生する磁束が最大磁束密度となる位置及び時刻が周期的に変化することにより、磁性体シート１１，１２の磁気飽和を抑制できる。
・複数の巻線が発生する磁束が最大磁束密度となる位置及び時刻が周期的に変化することにより、巻線及び磁性体シート１１，１２の発熱部位が分散され、発熱のピークを抑制できる。
・巻線部の導体パターンに電流が流れることにより周囲に発生する磁束による磁束密度を考慮して、巻線部の開口幅Ｗと磁性体シートの比透磁率μ’と磁性体シートの厚さMTの寸法関係により、磁性体シートの厚さMTは、MT ≧ W /（2μ’）の関係を満たすことにより薄型化、小型化を図ることができる。特に、磁性体シートの厚さMTをおよそW /（2μ’）と設定することでインダクタの薄型化を図ることができ、スイッチング電源装置の薄型化を図ることができる。
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形及び変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
例えば、以上に示した各実施形態では、多層プリント基板１０の上下の両面に磁性体シート１１，１２を設けた例を示したが、磁性体シート１１，１２のうち、一方のみを設けてもよい。
また、以上に示した各実施形態では、多層プリント基板１０と同サイズの磁性体シート１１，１２を設ける例を示したが、磁性体シート１１，１２は多層プリント基板１０の巻線形成領域だけを覆うサイズであってもよい。
Ｌ１〜Ｌ６…巻線
Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３…巻線
Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ…巻線部
Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ…巻線部
Ｌ３ａ，Ｌ３ｂ…巻線部
Ｐ１…第１端
Ｐ２…第２端
Ｐｏ…出力部
ＳＬ…スリット
Ｖ…ビア
１，１ａ〜１ｆ…中央導体パターン
２，２ａ〜２ｆ…環状導体パターン
３，３ａ〜３ｆ…環状導体パターン
１０…基板
１１，１２…磁性体シート
２０…電力変換回路
２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ…スイッチング回路部
２２，２２ａ，２２ｂ…駆動回路
２３…スイッチング制御回路
１０１，１０２…平面アレイ巻線
１１１，１１２…スイッチング電源装置

Claims (10)

  1. 多層プリント基板に構成され、複数のスイッチング回路部及び前記複数のスイッチング回路部を制御する制御部を有する電力変換回路と、
    前記多層プリント基板に形成され、それぞれ第１端及び第２端を有するインダクタを構成する複数の巻線と、
    前記多層プリント基板の上面又は前記多層プリント基板の下面の一方又は両方に設けられ、磁性層を形成する軟磁性体からなる磁性体シートと、を備え、
    前記複数の巻線は、前記多層プリント基板に形成された導体パターンで構成され、
    前記複数の巻線は前記多層プリント基板の面に沿って配列され、
    前記複数の巻線それぞれの前記第１端は前記複数のスイッチング回路部に接続され、前記複数の巻線それぞれの前記第２端は共通の出力部に接続され、
    前記制御部は、前記複数のスイッチング回路部を制御して、前記複数の巻線に電流が流れて発生する磁束により、磁束密度が最大となる位置及び時刻を周期的に変化させる、
    スイッチング電源装置。
  2. 前記磁性体シートはソフトフェライトで構成される、
    請求項１に記載のスイッチング電源装置。
  3. 前記磁性体シートは、10MHz以上の周波数で比透磁率が最大となるNi-Zn-Cu 系の焼結体のフェライト材で構成される、
    請求項２に記載のスイッチング電源装置。
  4. 前記磁性体シートは、前記多層プリント基板の厚みよりも薄い、
    請求項１から３のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
  5. 前記磁性体シートは前記複数の巻線を包括して覆う、
    請求項１から４のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
  6. 前記磁性体シートは、前記複数の巻線のうち互いに隣接する巻線の間に位置する部分に、スリット状の磁性体非形成部を有する、
    請求項５に記載のスイッチング電源装置。
  7. 前記複数の巻線のうち各巻線は個別の巻線であり、前記個別の巻線はそれぞれ一つの巻線開口を有し、前記複数の巻線は、互いに隣接する個別の巻線の巻線開口同士が重ならない位置に配列される、
    請求項１から６のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
  8. 前記複数の巻線は、電流の旋回方向が互いに逆の関係にある二つの巻線部をそれぞれ備え、
    前記複数の巻線それぞれは、前記二つの巻線部のうち片方の巻線部同士が近接する状態で配列され、
    前記スイッチング回路部の動作により、前記近接する巻線部のうち並走する部分に流れる電流が同方向になるように、前記複数の巻線が前記スイッチング回路部に接続された、請求項１から６のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
  9. 前記多層プリント基板は、複数の基材層を構成するビルドアップ工法を用いて、前記複数の基材層に形成された前記導体パターンを電気的に接続して前記複数の巻線を構成する、請求項１から８のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
  10. 前記多層プリント基板を構成する前記複数の基材層のうち、最下層と表層とで挟まれる中間層に形成される前記複数の巻線を構成する前記導体パターンは、２種の導体パターンで構成され、前記２種の導体パターンは積層方向に交互に配置される、
    請求項９に記載のスイッチング電源装置。
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