JP2014124091A - Ｄｃ−ｄｃコンバータモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】出力電圧等に重畳されるノイズを抑制し、効率を高めたＤＣ−ＤＣコンバータモジュールを構成する。
【解決手段】磁性体基板３０の下面に下面端子４１〜４３が形成されている。磁性体基板３０の上面には上面電極が形成されていて、磁性体基板３０の上面に、スイッチング素子を含む制御回路３１、入力コンデンサＣａおよび出力コンデンサＣｂが搭載される。磁性体基板３０の内部には、下面端子と上面電極間にそれぞれつながる平滑コイルＬ１、インダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４がそれぞれ構成されている。平滑コイルＬ１はヘリカル状の導体で構成されている。インダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４はビア導体で構成されている。これらのインダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４は、平滑コイルＬ１を構成する導体の巻回範囲の中心部で磁性体基板３０に対して垂直な方向に通る。
【選択図】図２

Description

この発明は、主要部品のうちの平滑コイルやトランスなどの磁気素子を内蔵した磁性体基板を部品搭載基板として、その上にスイッチング素子などの各種部品を搭載して構成したＤＣ−ＤＣコンバータモジュールに関するものである。

ＤＣ−ＤＣコンバータの小型化などを目的として磁性体絶縁基板にＤＣ−ＤＣコンバータのモジュールを構成したものが特許文献１に開示されている。

一般に、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータやフォワード型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、スイッチング部に入力される入力電流はパルス状になるが、このパルス状の入力電流が入力電圧源とＤＣ−ＤＣコンバータモジュール本体との間の配線を流れると、そこからノイズ（パルス状の電流の基本波ノイズおよび高調波ノイズ）が発生して問題となる。そのため、パルス状の電流を入力部に接続されているコンデンサ（入力コンデンサ）から供給するようにして、モジュール内で電流経路が完結するように構成される。しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールを電子機器の回路基板に実装した場合に、入力電圧源とＤＣ−ＤＣコンバータモジュールとの間が離れる場合がある。上記パルス電流の大部分が入力コンデンサに流れるとしても、入力電圧源からもパルス状の電流がＤＣ−ＤＣコンバータへ流れるので、入力電圧源とＤＣ−ＤＣコンバータモジュールとの間が比較的大きく離れていると、その間の配線を流れる電流のループの大きさが大きくなり、これに伴い電磁波ノイズの発生が大きくなって、このことが問題となる。

また、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、スイッチング部から出力される出力電流がパルス状になるので、このパルス電流が負荷側に流れないように、また出力電圧にリップルが生じないように出力コンデンサが設けられている。しかし、上記パルス電流の大部分を出力コンデンサに流れるようにするためには、出力コンデンサの容量が大きく且つ低抵抗でなければならず、コンデンサだけでは自ずと限界がある。

また、反転型ＤＣ−ＤＣコンバータやフライバック型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、上記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータと昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの両方の問題が生じる。

特許文献２には、上述の電磁波ノイズや出力電圧のリップルを抑制したＤＣ−ＤＣコンバータモジュールが開示されている。図１は特許文献２に示されているＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５１の分解斜視図である。但し、斜視図は磁性体基板の内部および下面の構成を示すために透明化して表している。

図１において、磁性体基板３０の下面には下面端子４１〜４３が形成されている。磁性体基板３０の上面には上面電極（パターンについては不図示）が形成されている。磁性体基板３０の内部には、下面端子と上面電極間にそれぞれつながる平滑コイルＬ１、インダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４が構成されている。平滑コイルＬ１はヘリカル状の導体で構成されている。インダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４はビアにより構成されている。

磁性体基板３０の上面には、スイッチング素子を含む制御回路３１および入力コンデンサＣａ、出力コンデンサＣｂが搭載される。これらの部品は磁性体基板３０の上面電極に電気的に接続される。

特開２００６−４２５３８号公報 特許第４３２５７４７号公報

ところが、図１に示された構造では、全体のさらなる小型化にともない、磁性体基板を貫通するビア導体配線とコイルの磁束の結合が大きくなると、出力電圧が矩形波状に変調される、という解決すべき課題がある。磁性体基板の端面の形成された導体（端面導体）による接続では、この課題はないが、端面導体の直流抵抗によりＤＣ−ＤＣコンバータの効率が低下するという課題がある。

そこで、この発明の目的は、前述の課題を解消して、出力電圧等に重畳されるノイズを抑制し、効率を高めたＤＣ−ＤＣコンバータモジュールを提供することにある。

前記課題を解決するために、この発明のＤＣ−ＤＣコンバータモジュールは次のように構成する。
（１）スイッチング素子および磁気素子を含むスイッチング部を備えたＤＣ−ＤＣコンバータモジュールであって、
下面に入力端子、出力端子、およびグランド端子を含む下面端子が設けられ、上面に上面電極が形成されるとともに該上面電極に前記スイッチング素子が接続され、内部に前記磁気素子が構成された基板を備え、
前記磁気素子はコイル状に巻回された導体を含み、
前記入力端子、前記出力端子、または前記グランド端子の少なくともいずれかと前記上面電極とを接続する接続配線は、前記磁気素子の導体の巻回範囲の中心部で前記基板に対して垂直な方向に通る内部導体で構成されたことを特徴としている。

なお、特許文献１には、第１の磁性体基板の第１の面上に渦巻き状平板コイルパターンが形成されていて、第１の磁性体基板の第２の面上にＩＣチップが実装されている。コイル導体パターンとＩＣチップは第１の磁性体基板のコイル中央部に設けられたビア導体により接続されている。しかし、このコイルとＩＣの接続スルーホールが磁性体基板中央に位置しているのは、渦巻き状平面コイルの一端が磁性体基板の中央に位置しているからにすぎない。

（２）スイッチング素子および磁気素子を含むスイッチング部を備えたＤＣ−ＤＣコンバータモジュールであって、
下面に入力端子、出力端子、およびグランド端子がそれぞれ設けられ、上面に上面電極が形成されるとともに該上面電極に前記スイッチング素子が接続され、内部に前記磁気素子が構成された基板を備え、
前記磁気素子はコイル状に巻回された導体を含み、
前記入力端子、前記出力端子、または前記グランド端子の少なくともいずれかと前記上面電極とを接続する接続配線は、前記基板の内部を通る内部導体と、前記基板の端面を通る端面導体とが並列接続されて構成されたことを特徴とする。

（３）例えば、（１）の記載の基板は磁性体層と、この磁性体層の上面に積層された非磁性の第１配線層を備え、前記第１配線層の上面に前記上面電極が形成され、下面に前記接続配線と導通する第１面内配線導体が形成され、内部に、前記上面電極と前記第１面内配線導体との間を導通させる第１層間接続導体を含む。

（４）例えば（３）に記載の基板は前記磁性体層の下面に積層された非磁性の第２配線層を備え、前記第２配線層の下面に前記下面端子（電極）が形成され、上面に前記接続配線と導通する第２面内配線導体が形成され、内部に、前記下面端子と前記第２面内配線導体との間を導通させる第２層間接続導体を含む。

（５）例えば、（２）に記載の端面導体は、内部が導電性物質で充填されたビアの中心を縦に分割して形成した分割ビアとする。

（６）（１）〜（５）に記載の内部導体は、例えば内部が導電性物質で充填されたビアとする。

この発明によれば、出力電圧等に重畳されるノイズが抑制された、高効率なＤＣ−ＤＣコンバータモジュールが得られる。

図１は特許文献２に示されているＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５１の分解斜視図である。 図２は、第１の実施形態に係る降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５１の分解斜視図である。 図３（Ａ）は降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５１の横断面図、図３（Ｂ）は図１に示される降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５０の横断面図である。 図４は降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５１の回路図である。 図５は第２の実施形態に係る降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５２の分解斜視図である。 図６は降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５２の回路図である。 図７は降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５２の出力電流に対する出力電圧の変動特性を示す図である。 図８は第３の実施形態に係る降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５３の分解斜視図である。 図９は降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５３の回路図である。 図１０は第４の実施形態に係る昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５４の分解斜視図である。 図１１は昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５４の回路図である。 図１２は第５の実施形態に係る昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５５の分解斜視図である。 図１３は昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５５の回路図である。 図１４は第６の実施形態に係る反転型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５６の分解斜視図である。 図１５は反転型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５６の回路図である。 図１６は第７の実施形態に係る反転型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５７の分解斜視図である。 図１７は反転型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５７の回路図である。 図１８は第８の実施形態に係る降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５８の分解斜視図である。 図１９は降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５８の回路図である。 図２０は第９の実施形態に係る降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５９の分解斜視図である。 図２１は第１０の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータモジュールに備える基板の上下面およびそれらの近傍の導体パターンの例を示す図である。

《第１の実施形態》
第１の実施形態に係る降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールについて図２〜図４を参照して説明する。
図２は降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５１の分解斜視図である。図３（Ａ）は降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５１の横断面図、図３（Ｂ）は図１に示される降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５０の横断面図である。図４は降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５１の回路図である。図２では、磁性体基板の内部および下面の構成を示すために透明化して表している。この描き方は以降に示す他の実施形態についても同様である。

図２において、磁性体基板３０は磁性体セラミック多層基板である。この磁性体基板３０の下面には下面端子４１〜４３が形成されている。磁性体基板３０の上面には上面電極（パターンについては不図示）が形成されている。

磁性体基板３０の上面には、スイッチング素子を含む制御回路３１、入力コンデンサＣａおよび出力コンデンサＣｂが搭載される。これらの部品は磁性体基板３０の上面電極に電気的に接続される。

磁性体基板３０の内部には、下面端子と上面電極間にそれぞれつながる平滑コイルＬ１、インダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４がそれぞれ構成されている。平滑コイルＬ１はヘリカル状の導体で構成されている。インダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４はビア導体で構成されている。これらのインダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４は、平滑コイルＬ１を構成する導体の巻回範囲の中心部で磁性体基板３０に対して垂直な方向に通る。

前記平滑コイルＬ１は特許請求の範囲に記載の「磁気素子」に相当する。前記インダクタンスＬ２，Ｌ３，Ｌ４は、入力端子、出力端子、またはグランド端子の少なくともいずれかと上面電極とを接続する接続配線であり、特許請求の範囲に記載の「内部導体」に相当する。

平滑コイルＬ１は、図３（Ａ）、図３（Ｂ）に表れているように、各層に形成されたほぼ半周のコイル状導体と、層間を接続するビア導体とで構成されている。このようにビア導体によるインダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４と、平滑コイルＬ１とが同一磁性体基板３０内に存在すると、多少なりともインダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４と平滑コイルＬ１とは磁気結合してしまう。この磁気結合によって入出力電圧に矩形波状のノイズが重畳したり、スイッチング電流によって制御回路のグランド電位が変動して制御回路が動作不安定になったりする。

図３（Ｂ）に示される従来構造のＤＣ−ＤＣコンバータモジュールでは、基板外周部に基板の上下をつなぐ貫通ビア導体によるインダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４が配されている。限られた基板面積を有効に用いて大きなインダクタンス値を持つ平滑コイルＬ１を形成するためには、寸法Ｄを大きくしてコイル状導体をできるだけ基板の外周に近づけて形成することが重要である。そのため、ビア導体によるインダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４とコイル状導体による平滑コイルＬ１との間隙ｇ１が小さくなり、このために平滑コイルＬ１とインダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４との磁気結合が大きくなる。

これに対し、本発明の第１の実施形態では、図３（Ａ）に示すように平滑コイルＬ１を構成するコイル状導体の巻回範囲の中心部にビア導体によるインダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４を配置する。この構造によって、インダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４と平滑コイルＬ１との間隙ｇ２が大きくなり（ｇ２＞ｇ１）、磁気結合の度合いを低減できる。さらに、平滑コイルＬ１を構成する導体の巻回範囲の中心部は磁束の向きが基板の厚み方向であるので、インダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４との磁気結合も小さい。

降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ５１は電子機器の配線基板に実装された状態で、図４に示すように、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ５１の入力端子ＩＮに入力電圧源９が接続される。図２・図４において、入力端子ＩＮは下面端子４１、出力端子ＯＵＴは下面端子４３、グランド端子ＧＮＤは下面端子４２にそれぞれ対応している。その他の部分には同一符号を付している。

制御回路３１は主スイッチング素子Ｑ１と、同期整流素子Ｑ２とともにそれらのスイッチング制御を行うスイッチング制御回路を備えている。制御回路３１内のスイッチング制御回路は主スイッチング素子Ｑ１と同期整流素子Ｑ２とを同時オンしないデッドタイムを設けるとともに交互にオン・オフする。

既に述べたように、平滑コイルＬ１とインダクタＬ２〜Ｌ４との磁気結合が小さいので、インダクタＬ２〜Ｌ４に不要な起電圧が発生せず、入力電圧と出力電圧に生じるリップル電圧が小さなものとなる。また、インダクタＬ２〜Ｌ４は短い１ターンのインダクタであるので、その配線が作る磁束は大きくはなく、隣接配線への影響は小さい。

ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５１内で平滑コイルＬ１によって生じる磁束が最も大きいので、平滑コイルＬ１の巻き方向と上面電極の配線方向とが９０度異なっていて互いの磁界が直交していることも重要である。そのことにより、磁束の鎖交が少なくなり、上面電極との磁気結合も小さくすることができる。

なお、図２、図３に示した例では、平滑コイルＬ１を構成するコイル状導体の巻回範囲の中心部にビア導体によるインダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４を配置したが、コイル状導体の巻回範囲の狭い領域に複数のビア導体を配置することが困難な場合や、隣接するビア導体同士の容量結合を避けたい場合には、磁気結合を避けたいビア導体のみをコイル状導体の巻回範囲の中心部に配し、その他のビア導体を基板の端部（角部）に配置してもよい。

図４に示した例では、ＦＥＴによる同期整流素子Ｑ２を設けたが、この素子をダイオードに置換してもよい。またスイッチング素子として、図４ではＰチャンネルＦＥＴとＮチャンネルＦＥＴの組合せを例示したが、ＮチャンネルＦＥＴとＮチャンネルＦＥＴの組み合わせでも構わない。またさらにスイッチング素子として、バイポーラトランジスタのような別の素子を用いても構わない。このとは第２の実施形態以降に示す各実施形態についても同様である。

また、図５に示した例では平滑コイルＬ１をヘリカル状の導体で構成したが、渦巻き状等の他の形状であってもよい。このことは第２の実施形態以降に示す各実施形態についても同様である。

さらに、図４に示した例では磁性体基板に非絶縁型の降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを構成したが、同様にして絶縁型のフォワード型ＤＣ−ＤＣコンバータを構成することもできる。すなわち、磁性体基板３０に前記平滑コイルＬ１に代えてトランスを構成すれば、入力電圧源９から入力端子ＩＮに流れる電流ライン（入力ライン）に対して直列にインダクタＬ２，Ｌ３が挿入されていることになる。そのため、主スイッチング素子Ｑ１のオン時に入力電圧源９から流れ込むパルス電流が効果的に抑制され、高周波成分を多く含むパルス電流は、ほぼ完全に入力コンデンサＣａを流れ、外部には殆ど流出しない。

このように、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータやフォワード型ＤＣ−ＤＣコンバータのような「入力電流不連続−出力電流連続」型のＤＣ−ＤＣコンバータでは、入力端子の配線は磁性体基板内を通すことがノイズ抑制の上で効果的である。

《第２の実施形態》
第２の実施形態に係る降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールについて図５〜図７を参照して説明する。
図５は降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５２の分解斜視図、図６はその回路図である。

図５において、磁性体基板３０の下面には下面端子４１〜４３が形成されている。磁性体基板３０の上面には上面電極（パターンについては不図示）が形成されている。磁性体基板３０の内部には、下面端子と上面電極間にそれぞれつながる平滑コイルＬ１、インダクタＬ２，Ｌ３が構成されている。磁性体基板３０の端面には、下面端子と上面電極間につながる端面導体Ｓ４が形成されている。平滑コイルＬ１は、導体をヘリカル状に構成されている。インダクタＬ２，Ｌ３はビア導体により構成されている。

磁性体基板３０の上面には、スイッチング素子を含む制御回路３１および入力コンデンサＣａ、出力コンデンサＣｂが搭載される。これらの部品は磁性体基板３０の上面電極に電気的に接続される。

上記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ５２は電子機器の配線基板に実装された状態で、図６に示すように、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ５２の入力端子ＩＮに入力電圧源９が接続される。図５・図６において、入力端子ＩＮは下面端子４１、出力端子ＯＵＴは下面端子４３、グランド端子ＧＮＤは下面端子４２にそれぞれ対応している。その他の部分には同一符号を付している。

第１の実施形態で示した図２・図４と異なるのは、出力コンデンサＣｂと平滑コイルＬ１とを磁性体基板３０内部のビア導体（インダクタＬ４）だけで接続するのではなく、端面導体Ｓ４でも接続するようにした点である。この構成により、端面導体の直流抵抗によるＤＣ−ＤＣコンバータの効率低下の問題が解消される。また、図６に示した出力端子ＯＵＴと出力コンデンサＣｂとの接続部の抵抗値およびインダクタンス値が小さくなるため、出力リップルに対する出力コンデンサＣｂのインピーダンスが低くなり、その分、出力電圧のリップルに現れる矩形波成分が効果的に抑制される。

このように、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータやフォワード型ＤＣ−ＤＣコンバータのような「入力電流不連続−出力電流連続」型のＤＣ−ＤＣコンバータでは、入力端子の配線は磁性体基板内を通し、出力端子の配線は磁性体基板外を通すことが望ましい。

図７は出力電流に対する出力電圧の変動特性を示す図である。縦軸は、出力電流が０であるときを１．００として規格化された出力電圧である。特性ラインＡは第２の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの特性、特性ラインＢは、図５に示したビア導体によるインダクタＬ４を設けない場合のＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの特性である。第２の実施形態によれば、出力電流の変化に対する出力電圧の変化の割合は、端面導体だけの場合に比べて約１／５になることが分かる。

《第３の実施形態》
第３の実施形態に係る降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールについて図８・図９を参照して説明する。
図８は降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの分解斜視図、図９はその回路図である。

図８において、磁性体基板３０の下面には下面端子４１〜４３が形成されている。磁性体基板３０の上面には上面電極（パターンについては不図示）が形成されている。磁性体基板３０の内部には、下面端子と上面電極間にそれぞれつながる平滑コイルＬ１、インダクタＬ２，Ｌ３が構成されている。磁性体基板３０の端面には、下面端子と上面電極間につながる端面導体Ｓ４が形成されている。平滑コイルＬ１は、ヘリカル状の導体で構成されている。インダクタＬ２もヘリカル状の導体で構成されている。インダクタＬ３はビアにより構成されている。

磁性体基板３０の上面には、スイッチング素子を含む制御回路３１および入力コンデンサＣａ、出力コンデンサＣｂが搭載される。これらの部品は磁性体基板３０の上面電極に電気的に接続される。

上記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ５３は電子機器の配線基板に実装された状態で、図９に示すように、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ５３の入力端子ＩＮに入力電圧源９が接続される。図８・図９において、入力端子ＩＮは下面端子４１、出力端子ＯＵＴは下面端子４３、グランド端子ＧＮＤは下面端子４２にそれぞれ対応している。その他の部分には同一符号を付している。

第２の実施形態で示した図５と異なるのは、インダクタＬ２をヘリカル状の導体で構成している点である。この構造により、入力配線のインダクタンスがより大きくなり、ノイズ漏洩の抑制効果が高まる。

平滑コイルＬ１の巻き方向と、インダクタＬ２の巻き方向は９０度異なっている。すなわち互いの磁界が直交しているので、平滑コイルＬ１とインダクタＬ２との磁気結合が小さくなり、Ｌ２に不要な起電圧が発生せず、入力電圧に生じるリップル電圧が小さなものとなる。

《第４の実施形態》
第４の実施形態に係る昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールについて図１０・図１１を参照して説明する。
図１０は昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの分解斜視図、図１１はその回路図である。

図１０において、磁性体基板３０の下面には下面端子４１〜４３が形成されている。磁性体基板３０の上面には上面電極（パターンについては不図示）が形成されている。磁性体基板３０の内部には、下面端子と上面電極間にそれぞれつながる平滑コイルＬ１、インダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４が構成されている。平滑コイルＬ１はヘリカル状の導体で構成されている。インダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４はビア導体により構成されている。

磁性体基板３０の上面には、スイッチング素子を含む制御回路３２、入力コンデンサＣａ、および出力コンデンサＣｂが搭載される。これらの部品は磁性体基板３０の上面電極に電気的に接続される。

上記昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ５４は電子機器の配線基板に実装された状態で、図１１に示すように、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ５４の入力端子ＩＮに入力電圧源９が接続される。図１０・図１１において、入力端子ＩＮは下面端子４３、出力端子ＯＵＴは下面端子４２、グランド端子ＧＮＤは下面端子４１にそれぞれ対応している。その他の部分には同一符号を付している。

制御回路３２はスイッチング素子ＱおよびダイオードＤとともにスイッチング制御を行うスイッチング制御回路を備えている。

この図１１に示した昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ５４は、出力コンデンサＣｂから出力端子ＯＵＴを介して負荷に流れる電流の経路にインダクタＬ２，Ｌ３が直列に挿入されている。

昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータは、ダイオードに流れる電流（出力電流）が矩形波状の不連続波形になる。しかし、インダクタＬ２，Ｌ３は図１０に示したとおり、磁性体基板３０の内部のビアによって構成されたものであるので、そのインダクタンスによって上記矩形波状電流の高周波成分が抑制される。そのため、高周波成分はほぼ完全に出力コンデンサＣｂを流れ、外部には殆ど流出しない。これにより、出力端子から負荷に供給される出力電圧のリップルが抑制され、出力側におけるノイズ発生の問題が解消できる。

なお、このように、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータのような「入力電流連続−出力電流不連続」型のＤＣ−ＤＣコンバータでは、出力端子の配線は磁性体基板内を通すことがノイズ抑制の上で効果的である。

《第５の実施形態》
第５の実施形態に係る昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールについて図１２・図１３を参照して説明する。
図１２は昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５５の分解斜視図、図１３はその回路図である。

第４の実施形態で示した図１０・図１１と異なるのは、入力コンデンサＣａと入力端子ＩＮとの接続を磁性体基板３０内部のビア導体（インダクタＬ４）だけで接続するのではなく、端面導体Ｓ４でも接続するようにした点である。この構成により、パルス電流に対する入力コンデンサＣａのインピーダンスが低くなり、その分、高周波成分を多く含むパルス電流は、ほぼ完全に入力コンデンサＣａを流れ、外部には殆ど流出しない。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールを使用することに伴うノイズの問題を小さくできる。

なお、このように、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータやフライバック型ＤＣ−ＤＣコンバータのような「入力電流連続−出力電流不連続」型のＤＣ−ＤＣコンバータでは、出力端子の配線は磁性体基板内を通し、入力端子の配線は磁性体基板外を通すことが望ましい。

《第６の実施形態》
第６の実施形態に係る反転型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールについて図１４・図１５を参照して説明する。
図１４は反転型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの分解斜視図、図１５はその回路図である。

図１４において、磁性体基板３０の下面には下面端子４１〜４３が形成されている。磁性体基板３０の上面には上面電極（パターンについては不図示）が形成されている。磁性体基板３０の内部には、下面端子と上面電極間にそれぞれつながる平滑コイルＬ１、インダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４が構成されている。平滑コイルＬ１は、ヘリカル状の導体で構成されている。インダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４はビア導体で構成されている。

磁性体基板３０の上面には、スイッチング素子を含む制御回路３３および入力コンデンサＣａ、出力コンデンサＣｂが搭載される。これらの部品は磁性体基板３０の上面電極に電気的に接続される。

上記反転型ＤＣ−ＤＣコンバータ５６は電子機器の配線基板に実装された状態で、図１５に示すように、反転型ＤＣ−ＤＣコンバータ５６の入力端子ＩＮに入力電圧源９が接続される。図１４・図１５において、入力端子ＩＮは下面端子４１、出力端子ＯＵＴは下面端子４２、グランド端子ＧＮＤは下面端子４３にそれぞれ対応している。その他の部分には同一符号を付している。

制御回路３３はスイッチング素子ＱとダイオードＤとともにそれらのスイッチング制御を行うスイッチング制御回路を備えている。

この図１５に示した反転型ＤＣ−ＤＣコンバータ５６は、入力電圧源９から入力端子ＩＮに流れる電流ライン（入力ライン）に対して直列にインダクタＬ２，Ｌ４が挿入されている。このインダクタＬ２，Ｌ４は図１４に示したとおり、磁性体基板３０の内部のビアによって構成されたものであり、そのインダクタンスによって、スイッチング素子Ｑのオン時に入力電圧源９から流れ込むパルス電流が効果的に抑制される。そのため、高周波成分を多く含むパルス電流は、ほぼ完全に入力コンデンサＣａを流れ、外部には殆ど流出しない。これにより、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールを使用することに伴うノイズの問題を小さくできる。

また、図１５に示した反転型ＤＣ−ＤＣコンバータ５６は、出力コンデンサＣｂから出力端子ＯＵＴを介して負荷に流れる電流の経路にインダクタＬ３が直列に挿入されている。

反転型ＤＣ−ＤＣコンバータは、ダイオードＤに流れる電流（出力電流）が矩形波状の不連続波形になる。しかし、インダクタＬ３は図１４に示したとおり、磁性体基板３０の内部のビアによって構成されたものであるので、そのインダクタンスによって上記矩形波状電流の高周波成分が抑制される。そのため、高周波成分はほぼ完全に出力コンデンサＣｂを流れ、外部には殆ど流出しない。これにより、出力端子から負荷に供給される出力電圧のリップルも抑制され、出力側におけるノイズ発生の問題が解消できる。

図１５に示した例では、磁性体基板に非絶縁型の反転型ＤＣ−ＤＣコンバータを構成したが、同様にして絶縁型のフライバック型ＤＣ−ＤＣコンバータを構成することもできる。非絶縁型の反転型ＤＣ−ＤＣコンバータも、絶縁型のフライバック型ＤＣ−ＤＣコンバータも、どちらも「入力電流不連続−出力電流不連続」型であるため、磁性体基板３０に前記平滑コイルＬ１に代えてトランスＴを構成すれば、同様の効果が得られることは明らかである。

なお、このように反転型ＤＣ−ＤＣコンバータやフライバック型ＤＣ−ＤＣコンバータのような「入力電流不連続−出力電流不連続」型のＤＣ−ＤＣコンバータでは、入出力端子の配線は磁性体基板内を通すことが望ましい。

《第７の実施形態》
第７の実施形態に係る反転型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールについて図１６・図１７を参照して説明する。
図１６は反転型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５７の分解斜視図、図１７はその回路図である。

第６の実施形態で示したＤＣ−ＤＣコンバータモジュールと異なるのは、平滑コイルＬ１と入力コンデンサＣａとの接続を磁性体基板３０内部のビア導体（インダクタＬ４）だけで接続するのではなく、端面導体Ｓ４でも接続するようにした点である。この構成により、磁性体基板３０下面の下面端子の一つであるグランド端子と磁性体基板３０の上面に搭載する入力コンデンサＣａ、出力コンデンサＣｂの配線に生じる配線のインダクタンスが小さくなり、平滑コイルＬ１を流れる脈流リップル電流によって、磁性体基板下面のグランド端子に矩形波状ノイズが現れる、という現象が抑制される。そのため外部へ出力されるノイズがより低減できる。

なお、このように反転型ＤＣ−ＤＣコンバータやフライバック型ＤＣ−ＤＣコンバータのような「入力電流不連続−出力電流不連続」型のＤＣ−ＤＣコンバータでは、グランド端子の配線は磁性体基板３０の外部を通し、入出力端子の配線は磁性体基板内を通すことが望ましい。

《第８の実施形態》
第８の実施形態に係る降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールについて図１８・図１９を参照して説明する。
図１８は降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールの分解斜視図、図１９はその回路図である。

図１８において、磁性体基板３０の下面には下面端子４１，４２，４４が形成されている。磁性体基板３０の上面には上面電極（パターンについては不図示）が形成されている。磁性体基板３０の内部には、下面端子と上面電極間にそれぞれつながる平滑コイルＬ１、インダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５が構成されている。平滑コイルＬ１は、ヘリカル状の導体で構成されている。インダクタＬ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５はそれぞれビア導体により構成されている。

磁性体基板３０の上面には、スイッチング素子を含む制御回路３１および入力コンデンサＣａ、出力コンデンサＣｂが搭載される。これらの部品は磁性体基板３０の上面電極に電気的に接続される。

上記降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ５８は電子機器の配線基板に実装された状態で、図１９に示すように、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ５８の入力端子ＩＮに入力電圧源９が接続される。図１８・図１９において、入力端子ＩＮは下面端子４１、出力端子ＯＵＴは下面端子４４、グランド端子ＧＮＤは下面端子４２にそれぞれ対応している。その他の部分には同一符号を付している。

第８の実施形態では、平滑コイルＬ１の一方端をビア導体によるインダクタＬ４を介して磁性体基板３０の上面（部品搭載面）に引き出され、さらにビア導体によるインダクタＬ５を経由して下面端子４４にまで接続されている。この構成により、平滑コイルＬ１のインダクタンスがインダクタＬ４分増加し、平滑コイルＬ１のインダクタンス値と出力コンデンサＣｂのキャパシタンス値で決まる出力リップルが減る。また、インダクタＬ５が出力端子に直列に設けられるので、出力電圧のリップルに現れる矩形波成分が効果的に抑制される。

なお、このように平滑コイルの両端と上面電極とを接続する接続配線を磁性体基板３０の内部導体で構成することは、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールに限らず、昇圧型や反転型といった別方式のＤＣ−ＤＣコンバータモジュールに適用することもでき、同様の効果を得ることができる。また、非絶縁方式のＤＣ−ＤＣコンバータだけでなく、絶縁方式ＤＣ−ＤＣコンバータや、ＡＣ−ＤＣコンバータ等、磁性体基板を使用する別方式のコンバータへの適用も可能である。

《第９の実施形態》
図２０は第９の実施形態に係る降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール５９の分解斜視図である。第１の実施形態で図２に示した例と異なるのは、端面導体Ｓ４の構造である。この図２０に示す例では、端面導体Ｓ４を、内部が導電性物質で充填されたビアの中心を縦に分割してなる分割ビアによって構成している。

このようにして端面導体を構成することによって、端面導体の断面積を大きくすることができ、端面導体の直流抵抗とインダクタンスを効率よく低減できる。そのため高効率化が図れる。また、図２に示した構成では、磁性体基板３０に内蔵するビアの形成と、端面導体を形成するために外部電極ペーストを塗布する工程とが必要であるので製造工数が掛かるが、図２０の構成では、マザー基板の状態（個々の製品が複数個集まった、分割前の基板状態）で上記ビアを形成し、その後、マザー基板の分割時にビアの中央を通るラインでカットすればよいので製造コストを削減できる。

《第１０の実施形態》
第１０の実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュールに備える基板の上下面およびそれらの近傍の導体パターンの例を示す。図２１（Ａ）は磁性体基板３０の断面図である。図２１（Ｂ）〜（Ｆ）は図２１（Ａ）に示した各層の平面図である。この例では、磁性体基板３０は、磁性体（例えばフェライト）が積層された磁性体層３０Ｍと非磁性体（例えば非磁性フェライト）が積層された非磁性体層３０Ｔ，３０Ｂとが積層された多層基板である。この磁性体基板３０の上面にＩＣ７０等が実装される。

非磁性体層３０Ｔの上面には図２１（Ｂ）に示されているように、ＩＣ７０の端子をバンプ接続するためのパッド（上面電極）６１ａ〜６１ｄが形成されている。図２１（Ｂ）において破線はＩＣ７０の実装領域を示している。非磁性体層３０Ｔの下面には層内配線６３ａ〜６３ｄが形成されている。非磁性体層３０Ｔの内部には、パッド６１ａ〜６１ｄと層内配線６３ａ〜６３ｄとを導通させるビア導体が形成されている。

磁性体層３０Ｍには、ヘリカル状の導体６４ｅでコイルが構成されている。また、磁性体層３０Ｍにはヘリカル状の導体６４ｅの巻回範囲の中心部にビア導体（接続配線）６４ａ〜６４ｄが形成されている。これらのビア導体６４ａ〜６４ｄは層内配線６３ａ〜６３ｄとそれぞれ導通する。

非磁性体層３０Ｂの上面には、ビア導体６４ａ〜６４ｄと導通する層内配線６５ａ〜６５ｄが形成されている。非磁性体層３０Ｂの下面には実装基板への実装用外部端子６７ａ〜６７ｄが形成されている。非磁性体層３０Ｂの内部には、層内配線６５ａ〜６５ｄと実装用外部端子（下面端子）６７ａ〜６７ｄとを導通させるビア導体が形成されている。

図２１では、基板の上下面およびそれらの近傍の導体パターンの例について示したが、この基板の上下面部分の構成を第１〜第９の実施形態で示したＤＣ−ＤＣコンバータに適用できる。

Ｃａ…入力コンデンサ
Ｃｂ…出力コンデンサ
Ｄ…ダイオード
ＧＮＤ…グランド端子
ＩＮ…入力端子
Ｌ１…平滑コイル
Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５…インダクタ
ＯＵＴ…出力端子
Ｑ…スイッチング素子
Ｑ１…主スイッチング素子
Ｑ２…同期整流素子
Ｓ４…端面導体
Ｔ…トランス
９…入力電圧源
３０…磁性体基板
３１，３２，３３…制御回路
４１〜４４…下面端子
５０〜５９…ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール
６１ａ〜６１ｄ…パッド
６３ａ〜６３ｄ…層内配線
６４ａ〜６４ｄ…ビア導体
６４ｅ…ヘリカル状の導体
６５ａ〜６５ｄ…層内配線
６７ａ〜６７ｄ…実装用外部端子
７０…ＩＣ

Claims (6)

1. スイッチング素子および磁気素子を含むスイッチング部を備えたＤＣ−ＤＣコンバータモジュールであって、
   下面に入力端子、出力端子、およびグランド端子を含む下面端子が設けられ、上面に上面電極が形成されるとともに該上面電極に前記スイッチング素子が接続され、内部に前記磁気素子が構成された基板を備え、
   前記磁気素子はコイル状に巻回された導体を含み、
   前記入力端子、前記出力端子、または前記グランド端子の少なくともいずれかと前記上面電極とを接続する接続配線は、前記磁気素子の導体の巻回範囲の中心部で前記基板に対して垂直な方向に通る内部導体で構成された、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
2. スイッチング素子および磁気素子を含むスイッチング部を備えたＤＣ−ＤＣコンバータモジュールであって、
   下面に入力端子、出力端子、およびグランド端子がそれぞれ設けられ、上面に上面電極が形成されるとともに該上面電極に前記スイッチング素子が接続され、内部に前記磁気素子が構成された基板を備え、
   前記磁気素子はコイル状に巻回された導体を含み、
   前記入力端子、前記出力端子、または前記グランド端子の少なくともいずれかと前記上面電極とを接続する接続配線は、前記基板の内部を通る内部導体と、前記基板の端面を通る端面導体とが並列接続されて構成された、ＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
3. 前記基板は磁性体層と、この磁性体層の上面に積層された非磁性の第１配線層を備え、
   前記第１配線層の上面に前記上面電極が形成され、下面に前記接続配線と導通する第１面内配線導体が形成され、内部に、前記上面電極と前記第１面内配線導体との間を導通させる第１層間接続導体を含む、請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
4. 前記基板は前記磁性体層の下面に積層された非磁性の第２配線層を備え、
   前記第２配線層の下面に前記下面端子が形成され、上面に前記接続配線と導通する第２面内配線導体が形成され、内部に、前記下面端子と前記第２面内配線導体との間を導通させる第２層間接続導体を含む、請求項３に記載のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
5. 前記端面導体は内部が導電性物質で充填されたビアの中心を縦に分割して形成した分割ビアである請求項２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。
6. 前記内部導体は内部が導電性物質で充填されたビアである請求項１〜５のいずれかに記載のＤＣ−ＤＣコンバータモジュール。

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