JP2016123191A - シート型トランスの配線構造及びその実装方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のLLC共振回路から構成される電源装置において、各シート型トランスの漏れインダクタンスを確保しつつ、プリント配線板上に形成した巻線による熱源を分散して効率良く放熱することにより、部品実装面積を低減することができるシート型トランスの配線構造及びその実装方法を提供すること。【解決手段】複数のLLC共振回路から構成される電源装置において、シート型トランスの１次巻線と２次巻線を異なるプリント配線板層に分割して配線し、隣接する各シート型トランスの発熱量が大きい巻線を、対抗する表面層に配線する、ことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、トランスの漏れインダクタンスを利用したLLC共振回路に使用するシート型トランスの配線構造及びその実装方法に関する。

近年 ディスプレイに使用される電源装置に対して、低消費電力化及び小型・薄型化が求められている。

電源装置を低消費電力にする回路方式として、トランスの励磁インダクタンスLと漏れインダクタンスLと共振コンデンサCを利用したLLC共振回路が知られている。

また、電源装置のなかで最も大きな電子部品であるトランスを薄型化する方法として、巻線をプリント配線板にレイアウトするシート型トランスが存在する。さらに、トランスを小型化するために、LLC共振回路の動作周波数を上げて、必要な励磁インダクタンスを小さくすることで、トランスの巻数低減を図っている。

従来、LLC共振回路に使用されるシート型トランスを近傍で複数個使用する場合、シート型トランスから発生する熱を外部に放熱する手段として、放熱体を用いる技術が一般的であった。放熱体を用いる技術は、１次コイル基板と２次コイル基板の間に放熱体を挿入することで、各コイル基板から発生する熱を放熱体に伝導するものであった（特許文献１参照）。

また、従来、放熱体を用いず、シート型トランスから発生する熱を外部に放熱する技術としては、発熱量の大きい巻線となるシートコイルを、積層方向の両側に分割して配置するものであった（特許文献２参照）。

特許第４２２２４９０号公報 特許第３０９５３５０号公報

しかしながら、上述した放熱体を用いる従来の技術では、１次コイル基板と２次コイル基板の間に放熱体を挿入するために、シート型トランスが厚くなっていた。また、上述した発熱量の大きい巻線となるシートコイルを分割する技術では、１次巻線と２次巻線の関係が密となるため、LLC共振回路に必要な漏れインダクタンスが確保できなかった。

そこで、本発明は、複数のLLC共振回路から構成される電源装置において、各シート型トランスの漏れインダクタンスを確保しつつ、プリント配線板上に形成した巻線による熱源を分散して効率良く放熱することにより、部品実装面積を低減することができるシート型トランスの配線構造及びその実装方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、複数のLLC共振回路から構成される電源装置において、シート型トランスの１次巻線と２次巻線を異なるプリント配線板層に分割して配線し、隣接する各シート型トランスの発熱量が大きい巻線を、対抗する表面層に配線することを特徴とする。

本発明によれば、複数のLLC共振回路から構成される電源装置において、各シート型トランスの漏れインダクタンスを確保しつつ、プリント配線板上に形成した巻線による熱源を分散して効率良く放熱することが可能となり、部品実装面積を低減することができる。

本発明の実施例１に係る２つのシート型トランスの構成を示す断面図である。 本発明の実施例１に係るLLC共振回路の構成を示す簡易回路図である。 本発明の実施例１に係るシート型トランスの等価回路である。 本発明の実施例１に係るディスプレイ用電源装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施例１に係るディスプレイ用電源装置の実装形態を示す模式図である。 本発明の実施例１に係るシート型トランスの組み立て方法を示す模式図である。 本発明の実施例１に係るシート型トランスの巻線方法を示す図である。 本発明の実施例１に係るシート型トランスの巻線方法を示す図である。 本発明の実施例１に係るシート型トランスの放熱形態を示す図である。 本発明の実施例１に係る４つのシート型トランスの構成を示す断面図である。 本発明の実施例２に係る２つのシート型トランスの構成を示す断面図である。 本発明の実施例２に係るシート型トランスの組み立て方法を示す模式図である。

以下、本発明の第１の実施例について、図面を参照して説明する。

［実施例１］
第１の実施例として、ディスプレイの電源装置において、シート型トランスを用いたLLC共振回路を、２つで構成する場合について説明する。なお、本実施例において、シート型トランスの巻線を形成するプリント配線板は、４層構造のものを用いるものとする。

図１は第１実施形態に係る２つのシート型トランスの構成を示す断面図である。図１に示すように、シート型トランス101は、プリント配線板100に形成した１次巻線104と２次巻線105に、コア103を組み合わせて構成される。また、シート型トランス102は、プリント配線板100に形成した１次巻線107と２次巻線108に、コア106を組み合わせて構成される。ここで、プリント配線板100には、シート型トランスの巻線以外の回路パターンも配線され、回路構成部品が実装されているものとする。

図２は第１実施形態に係るLLC共振回路の構成を示す簡易回路図である。図２に示すように、LLC共振回路200は、シート型トランス201、制御回路205、スイッチ素子206、スイッチ素子207、共振用コンデンサ208、共振用コンデンサ209、整流ダイオード210、整流ダイオード211、平滑コンデンサ212、を備える。シート型トランス201は、巻数がNpターンの１次巻線203と、巻数がNs1ターンとNs2ターンの２次巻線204に、コア202を組み合わせて構成される。

図３は第１実施形態に係るシート型トランス201の等価回路である。図３に示すように、シート型トランス201は、巻数がNpターンの１次巻線203、巻数がNs1ターンとNs2ターンの２次巻線204、コア202、励磁インダクタンスLp300、漏れインダクタンスLr301から構成される回路と等価である。

図４は第１実施形態に係るディスプレイ用電源装置の構成を示すブロック図である。図４に示すように、ディスプレイ400の電源装置401は、ノイズフィルタ403、PFC（Power Factor Correction）回路404、LLC共振回路405、LLC共振回路406、DC-DCコンバータ407、を備え、電源プラグ402を介して商用電源に接続されている。

まず、図２及び図３を用いて、LLC共振回路の基本動作について説明する。LLC共振回路200は、入力された直流電圧（例えば、DC400V）を、別の直流電圧（例えば、DC24V）に変換して、電力を出力する回路である。シート型トランス201の励磁インダクタンスLp300と、シート型トランス201の漏れインダクタンスLr301と、共振用コンデンサ208と、共振用コンデンサ209の、組み合わせによる共振動作により、シート型トランス201の１次巻線203からコア202を介して、２次巻線204に電力を送る。ここで、シート型トランス201は、１次側回路と２次側回路を絶縁する構造をもつものとする。

制御回路205は、スイッチ素子206とスイッチ素子207の制御端子に接続され、前記共振動作にあわせてパルス信号を生成し、前記制御端子に入力する。ここで、スイッチ素子206とスイッチ素子207は、MOS-FETなどの半導体素子のことである。

２次巻線204に送られた電力は、整流ダイオード210、整流ダイオード211、平滑コンデンサ212、を介して整流及び平滑され、出力から電力を取り出すことができる。

次に、図４を用いて、ディスプレイ用電源装置の基本動作について説明する。電源装置401は、ディスプレイ400の内部に設けられており、電源プラグ402を介して商用電源に接続されている。

ノイズフィルタ403は、電源プラグ402を介して、商用電源から供給される電力のノイズ成分を低減して、電力をPFC回路404に送る。また、ノイズフィルタ403は、ディスプレイ400の内部で発生したノイズが、電源プラグ402側に流出しないようにも機能する。

PFC回路404は、ノイズフィルタ403から入力された電力を、交流電圧から直流電圧に変換し、LLC共振回路405とLLC共振回路406とDC-DCコンバータ407に電力を供給する。ここで、PFC回路404は、力率改善を行い、高調波電流を抑制する機能を持つ回路である。LLC共振回路405とLLC共振回路406とDC-DCコンバータ407は、PFC回路404から入力された直流電圧を、ディスプレイの動作に必要な別の直流電圧に変換する回路である。

LLC共振回路405は、ディスプレイのバックライトを駆動するために必要な直流電圧（例えば、DC24V）に変換し、出力１から電力を取り出すことができる。ここで、LLC共振回路405は、先に説明したLLC共振回路200と同等の構成及び動作をする。また、LLC共振回路405に使用するシート型トランスは、シート型トランス101である。

LLC共振回路406は、ディスプレイのシステムを駆動するために必要な直流電圧（例えば、DC12V）に変換し、出力２から電力を取り出すことができる。ここで、LLC共振回路406は、先に説明したLLC共振回路200と同等の構成及び動作をする。また、LLC共振回路406に使用するシート型トランスは、シート型トランス102である。

DC-DCコンバータ407は、ディスプレイのスタンバイ回路を駆動するために必要な直流電圧（例えば、DC5V）に変換し、出力３から電力を取り出すことができる。

LLC共振回路405とLLC共振回路406とDC-DCコンバータ407から取り出された、出力１と出力２と出力３は、ディスプレイ内部の所望の回路に電力を供給する。

図５はディスプレイ用電源装置の実装形態を示す模式図である。電源装置401を構成する部品は、プリント配線板100に配置される。図５に示すように、プリント配線板100は、パネルモジュール502及びバックライトモジュール503と共に、ディスプレイ400の内部に設けられており、電源プラグ402を介して商用電源に接続されている。ここで、１次回路500と２次回路501は、シート型トランス101とシート型トランス102により絶縁されている。そのため、シート型トランス101とシート型トランス102を近傍に配置することで、プリント配線板100の部品実装面積を低減することができる。

続いて、図１の断面図を用いて、近傍に配置される、２つのシート型トランスの構成について説明する。

図１のシート型トランス101とシート型トランス102は、図６の模式図に示すように、１次巻線と２次巻線が形成されたプリント配線板100に、コア103とコア106を挿入して組み立てられる。ここで、プリント配線板100には、コア103とコア106を挿入するための穴600が設けられている。

プリント配線板100に形成するシート型トランス101の巻線について、図７を参照して説明する。シート型トランス101の巻数は、入出力条件や必要な励磁インダクタンスLp300の値などから算出すればよく、ここでは、１次巻線104の巻数がNp＝８ターン、２次巻線105の巻数がNs1＝１ターン/Ns2＝１ターンとした場合について説明する。図７（a）に示すように、プリント配線板100の第１層に、１次巻線104の巻数が４ターン分、配線されている。プリント配線板100の第２層に、１次巻線104の巻数が４ターン分、配線されている（図７（b）参照）。

第１層の１次巻線104と、第２層の１次巻線104は、プリント配線板100に設けられたスルーホール700により接続されており、１次巻線104の巻数がトータルでNp＝８ターンとなる。プリント配線板100の第４層に、２次巻線105が配線されている（図７（d）参照）。プリント配線板100の第３層は、漏れインダクタンスを確保するため配線を行わない（図７（c）参照）。ここで、第４層に配線した２次巻線105は、１次巻線104と比較して電流密度が高く、発熱量が大きく設定されているものとする。

これは、本実施例におけるLLC共振回路405が、降圧型電源であるため、１次側より２次側の電流値は高く、かつ２次巻線105を第４層だけに限定して配線していることから、容易に設定が可能である。前記配線構成により、１次巻線104と２次巻線105の関係が疎となるため結合度が低減され、漏れインダクタンスを確保できる。

プリント配線板100に形成するシート型トランス102の巻線について、図８を参照して説明する。シート型トランス102の巻数は、入出力条件や必要な励磁インダクタンスLp300の値などから算出すればよく、ここでは、１次巻線107の巻数がNp＝１０ターン、２次巻線108の巻数がNs1＝１ターン/Ns2＝１ターンとした説明する。図８（d）に示すように、プリント配線板100の第４層に、１次巻線107の巻数が５ターン分、配線されている。プリント配線板100の第３層に、１次巻線107の巻数が５ターン分、配線されている（図８（c）参照）。

第４層の１次巻線107と、第３層の１次巻線107は、プリント配線板100に設けられたスルーホール800により接続されており、１次巻線107の巻数がトータルでNp＝１０ターンとなる。プリント配線板100の第１層に、２次巻線108が配線されている（図８（a）参照）。プリント配線板100の第２層は、漏れインダクタンスを確保するため配線を行わない（図８（b）参照）。ここで、第１層に配線した２次巻線108は、１次巻線107と比較して電流密度が高く、発熱量が大きく設定されているものとする。

これは、本実施例におけるLLC共振回路406が、降圧型電源であるため、１次側より２次側の電流値は高く、かつ２次巻線108を第１層だけに限定して配線していることから、容易に設定が可能である。前記配線構成により、１次巻線107と２次巻線108の関係が疎となるため結合度が低減され、漏れインダクタンスを確保できる。

図１の断面図に示すように、シート型トランス101の発熱量が大きい２次巻線105は、第４層に配線されている。シート型トランス102の発熱量が大きい２次巻線108は、シート型トランス101の２次巻線105と対抗する表面層である、第１層に配線されている。

図９（a）はディスプレイ用電源装置におけるシート型トランスの放熱イメージである。図９（b）の拡大図に示すように、プリント配線板100の第４層に配線された、シート型トランス101の発熱量が大きい２次巻線105は、空冷用の通風路901に流れる空気により放熱される。また、プリント配線板100の第１層に配線された、シート型トランス102の発熱量が大きい２次巻線108は、空冷用の通風路900に流れる空気により放熱される。このように、２つの高い熱源を別々の通風路で空冷することで、効率良く放熱することができ、２つのシート型トランスを近傍に配置することが可能となる。

本実施例では、シート型トランス101の２次巻線105を第４層に、シート型トランス102の２次巻線108を第１層に配線する例を用いたが、シート型トランス101の２次巻線105を第１層に、シート型トランス102の２次巻線108を第４層に配線しても良い。

また、本実施例では、１次巻線と２次巻線の間に、未配線のプリント配線板層を設けたが、必要な漏れインダクタンスが確保できるのであれば、１次巻線の配線に利用しても良い。

また、本実施例では、４層構造のプリント配線板100を用いたが、それ以外の多層基板を用いても構わない。例えば、ｎ層の多層基板を用いるのであれば、シート型トランス101の２次巻線105を第１層に、シート型トランス102の２次巻線108を第ｎ層に配線すれば良い。もし、シート型トランス101の２次巻線105を第ｎ層に配線するのであれば、シート型トランス102の２次巻線108を第１層に配線すれば良い。

また、本実施例では、シート型トランスを用いたLLC共振回路を、２つで構成する場合について説明したが、３つ以上で構成しても良い。その場合、互いに隣接するトランスの発熱量が大きい各巻線を、対抗する表面層に配線すれば良い。図１０に示すように、シート型トランス102の近傍にシート型トランス1000を追加するのであれば、シート型トランス1000の発熱量が大きい２次巻線1002は、第４層に配線される。さらに、シート型トランス1000の近傍にシート型トランス1001を追加するのであれば、シート型トランス1001の発熱量が大きい２次巻線1003は、第１層に配線される。

以上のように、複数のLLC共振回路から構成される電源装置において、各シート型トランスの漏れインダクタンスを確保しつつ、プリント配線板上に形成した巻線による熱源を分散して効率良く放熱することにより、部品実装面積を低減することができる
［実施例２］
本発明の第２の実施例として、第１の実施例におけるプリント配線板が、２層構造であり、さらに２層構造のプリント配線板をもう１枚重ね合わせて構成されている場合について説明する。なお、第１の実施例の説明と同じ所は説明を省略し、差異のみを説明する。

図１１は第２実施形態に係る２つのシート型トランスの構成を示す断面図である。図１１に示すように、シート型トランス101は、プリント配線板1100に形成した１次巻線104と、プリント配線板100に形成した２次巻線105に、コア103を組み合わせて構成される。また、シート型トランス102は、プリント配線板100に形成した１次巻線107と、プリント配線板1101に形成した２次巻線108に、コア106を組み合わせて構成される。ここで、プリント配線板100には、シート型トランスの巻線以外の回路パターンも配線され、回路構成部品が実装されているものとする。

まず、LLC共振回路の基本動作、及びディスプレイ用電源装置の基本動作についてであるが、これは第１の実施例と同じであり、説明を省略する。

続いて、図１１の断面図を用いて、近傍に配置される、２つのシート型トランスの構成について説明する。

図１１のシート型トランス101は、図１２の模式図に示すように、１次巻線104が形成されたプリント配線板1100と、２次巻線105が形成されたプリント配線板100を重ね合わせて、コア103を挿入して組み立てられる。プリント配線板1100の１次巻線104は、プリント配線板100の回路パターンと接続するために、リード線、あるいは２枚のプリント配線板上の銅箔部同士を、はんだ付けする。ここで、プリント配線板100とプリント配線板1100には、コアを挿入するための穴600が設けられている。

図１１のシート型トランス102は、図１２の模式図に示すように、１次巻線107が形成されたプリント配線板100と、２次巻線108が形成されたプリント配線板1101を重ね合わせて、コア106を挿入して組み立てられる。プリント配線板1101の２次巻線108は、プリント配線板100の回路パターンと接続するために、リード線、あるいは２枚のプリント配線板上の銅箔部同士を、はんだ付けする。ここで、プリント配線板100とプリント配線板1101には、コア106を挿入するための穴600が設けられている。

図１１の断面図に示すように、シート型トランス101の発熱量が大きい２次巻線105は、プリント配線板100の第２層に配線されている。シート型トランス102の発熱量が大きい２次巻線108は、シート型トランス101の２次巻線105と対抗する表面層である、プリント配線板1101の第１層に配線されている。

本実施例では、２層構造のプリント配線板を用いたが、それ以外の多層基板を用いても構わない。例えば、ｎ層の多層基板を２枚重ね合わせるのであれば、シート型トランス101の２次巻線105をプリント配線板100の第n層に、シート型トランス102の２次巻線108をプリント配線板1101の第１層に配線すれば良い。もし、シート型トランス101の２次巻線105をプリント配線板1100の第１層に配線するのであれば、シート型トランス102の２次巻線108をプリント配線板100の第ｎ層に配線すれば良い。

また、本実施例では、プリント配線板を２枚重ね合わせる例を用いたが、複数枚のプリント配線板を重ね合わせても良く、隣接する各シート型トランスの発熱量が大きい巻線を、対抗する表面層に配線すれば良い。

101 シート型トランス、100 プリント配線板、104，107 １次巻線、
105，108 ２次巻線、103，106 コア

Claims (2)

1. 複数のLLC共振回路から構成される電源装置において、
   前記LLC共振回路に使用する絶縁トランスが、
   積層構造から成るプリント配線板に、１次巻線と２次巻線を配線したシート型トランス構造であり、
   前記シート型トランスの１次巻線と２次巻線を異なる層に分割して配線し、
   隣接する各シート型トランスの発熱量が大きい巻線を、
   対抗する表面層に配線する
   ことを特徴とする電源装置。
2. 前記プリント配線板が、複数枚のプリント配線板を重ね合わせた構造である
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。