(57)【要約】 【課題】  スイッチング周波数の変更範囲を抑えて動作可能な、電源変換効率の高い低損失なスイッチング電源を提供すること。【解決手段】  基板１２上に端子数Ｎ個の電極６〜１１と、電気的に直列接続された（Ｎ−１）個のコイル１〜５が設けられ、前記コイルの電気的接続点及び直列接続の先端と終端とをそれぞれ前記電極と電気的に接続された平滑用インダクタを用い、平滑用インダクタのインダクタンスＬを変更可能としたＤＣ−ＤＣコンバータである。【選択図】  図１
2005072302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平滑用インダクタのインダクタンスを可変としたことを特徴とするスイッチング電源。
【請求項２】
基板上に端子数Ｎ個の電極と、電気的に直列接続された（Ｎ−１）個のコイルが設けられ、前記コイルの電気的接続点及び直列接続の先端と終端とが、それぞれ前記電極と電気的に接続されたことを特徴とする平滑用インダクタ。
【請求項３】
前記コイルは、基板に軟磁性体が成膜され、パターン化された磁性材に巻線してなることを特徴とする請求項２記載の平滑用インダクタ。
【請求項４】
前記コイルは、軟磁性体が成膜され、パターン化された基板が積層された磁性材に巻線してなることを特徴とする請求項２記載の平滑用インダクタ。
【請求項５】
前記コイルの複数個が、共通の磁性材に巻線してなることを特徴とする請求項２記載の平滑用インダクタ。
【請求項６】
前記軟磁性体は、非晶質軟磁性体と絶縁層が交互に積層されたものであることを特徴とする請求項３から４のいずれかに記載の平滑用インダクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング電源および平滑用インダクタに関し、特に降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ、およびそれに使用するのに好適な平滑用インダクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＰＵ等に代表されるようにデジタル回路処理能力向上の為、処理周波数が高周波化されてきている。その一方で損失による回路発熱が大きくなり、対策としてデジタル回路供給電圧の低電圧化が進展している。その為、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの需要が増加し、携帯電話やモバイル等の電池使用の電子機器においては、高効率の製品が求められている。
【０００３】
特許文献１にはソフトスイッチングによりスイッチング損失、循環電流損失を低減する技術が記載されている。また、特許文献２にも低損失なＤＣ−ＤＣコンバータが記載されている。
【０００４】
図４は、入出力非絶縁降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの基本回路である。この回路はスイッチングトランジスタＴｒでＯＮ−ＯＦＦした方形波をＬＣフィルタで平均化する方式である。
【０００５】
入力電圧をＶi、出力電圧をＶｏ、平滑用インダクタのインダクタンスをＬ、トランジスタ（Ｔｒ）がＯＮしている時間をＴon、ＯＦＦしている時間をＴoffとすると、ＴｒがＯＮしている期間に平滑用インダクタに加わる電圧は（Ｖi−Ｖo）となり、この期間のインダクタ通電電流変化量ΔＩLは（１）式となる。
ΔＩL＝（Ｖi−Ｖo）×Ｔon／Ｌ  ・・・・・・（１）
【０００６】
一方、ＴｒがＯＦＦすると、この瞬間に平滑用インダクタに流れていた電流を維持するため転流用ダイオードＤが導通し、ＴｒがＯＦＦする直前の電流値と同一の電流値が流れ、平滑用インダクタには−Ｖoの電圧が加わる。したがって、この期間の平滑用インダクタの電流変化量ΔＩLは（２）式となる。
ΔＩL＝Ｖo・Ｔoff／Ｌ  ・・・・・・・・・・（２）
【０００７】
平滑用インダクタの電流が連続的な場合、定常状態ではこの電流変化量は等しくなるので出力電圧Ｖoは（３）式となる。
Ｖo＝Ｔon・Ｖi／（Ｔon＋Ｔoff）  ・・・（３）
【０００８】
一般的なＤＣ−ＤＣコンバータ設計の場合、全負荷時では平滑用インダクタに流れる電流が連続的になるように設計するが、軽負荷時には平滑用インダクタに流れる電流が断続的になる。この断続的な場合の出力電圧Ｖｏは、出力電流をＩoとすると（４）式となる。
Ｖo＝（Ｖi・Ｔon）２／［Ｖi・Ｔon２＋２・Ｉo・Ｌ・（Ｔon＋Ｔoff）］・・（４）
【０００９】
なお、連続的な場合と断続的な場合の見極めであるが、（５）又は（６）式が成り立つ時に連続的となり、それ以外では断続的になる。
Ｉo＞Ｖo・Ｔoff／（２・Ｌ）  ・・・・・・・（５）
又は
Ｉo＞Ｖi・Ｔon・Ｔoff／［２・Ｌ・（Ｔon＋Ｔoff）］  ・・・・・（６）
【００１０】
【特許文献１】特開２００２−２０９３８３号公報
【００１１】
【特許文献２】特開２００２−０９５２４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
平滑用インダクタに流れる電流が断続的な場合、インダクタの交流損失、スイッチングトランジスタの損失が増大し、電圧効率が低下する。そこで、電源変換効率向上の為、スイッチング周波数を断続的な場合と連続的な場合の境界を下限とした場合、下限周波数値は（７）式で表される。
ｆ＝Ｖo・（１−Ｖo／Ｖi）／（２・ｌo・Ｌ）  ・・・・・（７）
【００１３】
（７）式において、Ｖｉ＝４Ｖ、Ｖo＝２．４Ｖ、Ｉo＝０．０１Ａ、０．０５Ａ、０．１Ａ、０．５Ａとし、インダクタンスＬを変えて計算した下限周波数ｆを図５に示す。従来のＤＣ−ＤＣコンバータでは、Ｌ一定であり、負荷電流Ｉoに応じて連続的に電流が流れるように動作させたい場合、図５においてＡの方向にスイッチング周波数をコントロールする必要がある。しかし、この方法では、周波数の変更範囲が大きい為に、コンバータ動作の安定性に問題が残る。又、スイッチング周波数の上昇に比例して、平滑用インダクタのコアロスも周波数の１〜２乗に比例して増大する為、あまり周波数を高くすると、効率の悪化も問題となる。実際、バルクの磁性材料を用いたコイルでは、スイッチング周波数の上限は数百ｋＨｚが限度で、それ以上に周波数を上げると、コアロスによる発熱のため使用できない。
【００１４】
従って、本発明の課題は、スイッチング周波数の変更範囲を抑えて動作可能な、電源変換効率の高い低損失なスイッチング電源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、このような問題点を解決するため、インダクタンスＬが変更可能な高周波対応平滑用インダクタをＤＣ−ＤＣコンバータに用いる。
【００１６】
即ち、本発明は、インダクタンスＬが変更可能な平滑用インダクタを用いたことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータである。
【００１７】
また、本発明は、基板上に端子数Ｎ個の電極と、前記基板上に電気的に直列接続された（Ｎ−１）個のコイルが設けられ、直列接続されたコイルの電気的接続点及び直列接続の先端と終端とをそれぞれ前記電極と電気的に接続したことを特徴とする平滑用インダクタである。
【００１８】
また、本発明は、前記コイルが、基板に軟磁性体が成膜され、パターン化された磁性材に巻線してなることを特徴とする平滑用インダクタある。また、この磁性材は軟磁性体が成膜され、パターン化された基板を複数枚積層したものであっても良い。
【００１９】
また、本発明は、前記（Ｎ−１）個のコイルが共通の磁性材に巻線されていることを特徴とする平滑用インダクタである。
【００２０】
また、本発明は、前記軟磁性体が、非晶質軟磁性体と絶縁層が交互に積層されたものであることを特徴とする平滑用インダクタである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータにインダクタンスＬが変更可能な平滑用インダクタを採用しているので、スイッチング周波数の変更範囲を抑え、高効率なＤＣ−ＤＣコンバータを提供することが可能となる。また、本発明によれば、インダクタンスを可変にすることが容易な構造の平滑用インダクタが得られるので、上記の高効率なＤＣ−ＤＣコンバータに適した平滑インダクタを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明のＤＣ−ＤＣコンバータでは、平滑用インダクタのインダクタンスＬを変更可能に構成する。ＤＣ−ＤＣコンバータの負荷電流、及びスイッチング周波数に応じてスイッチングトランジスタに接続される平滑用インダクタのインダクタンスＬを切り替えることにより、スイッチング周波数の変更範囲が小さくとも、平滑用インダクタに連続的に電流が流れるように出来るので、高効率なスイッチング電源が可能となる。
【００２３】
ここで用いる平滑用インダクタとしては、絶縁性基板上に端子数Ｎの電極と、同基板上に電気的に直列接続された（Ｎ−１）個のコイルを設け、直列接続したコイルの電気的接続点及び直列接続の先端・終端とをそれぞれ前記電極と電気的に接続した平滑用インダクタを用いることが出来る。
【００２４】
このコイルは、ポリイミド等のフレキシブル基板に軟磁性体を成膜してパターン化したものを磁性材として用い、この磁性体に平角導線等の巻線を施して構成する。この磁性体は、必要に応じてポリイミド等のフレキシブル基板に軟磁性体を成膜してパターン化したものを複数枚積層したものでもよい。このようなコイルを用いることにより薄型のインダクタとすることが可能である。
【００２５】
また、この軟磁性体としては、非晶質層と絶縁層を交互に積層したものを用いることが出来る。このように構成した軟磁性体を用いると、コアロスの低いインダクタを構成できる。
【００２６】
さらに、複数個のコイルを共通の磁性材に巻線を施して形成してもよい。このようにすることにより、磁性材が共通のため部品点数の削減が可能である。
【００２７】
上記のようなＮ個の電極と（Ｎ−１）個のコイルを持つ平滑用インダクタをＤＣ−ＤＣコンバータに用い、ＤＣ−ＤＣコンバータの回路に直接電気的に接続する電極の組み合わせを上記Ｎ個の電極から適宜選択することにより、平滑用インダクタのインダクタンスＬを容易に変更することが可能となる。この（Ｎ−１）個のコイルのインダクタンス値の設定は同一でかまわない。また、負荷電流及び周波数可変範囲の条件により、各コイル個々に異なるインダクタンス値を選定してもかまわない。又、コイル数もコンバータの設計によって適宜増減すればよい。
【００２８】
上記のように構成することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータの負荷電流、及びスイッチング周波数に応じて電気的に接続する上記平滑用インダクタの電極を電気的に切り替えることにより、スイッチング周波数の変更範囲が小さくとも、平滑用インダクタに連続的に電流が流れるように出来るので、高効率なＤＣ−ＤＣコンバータを提供することが可能となる。
【実施例１】
【００２９】
以下、実施例を挙げ、本発明の平滑用インダクタについて詳細に説明する。
【００３０】
図１は、本発明の一実施例に係る平滑用インダクタを示したものであり、図１（ａ）は各コイルの磁性材が各々独立しているもの、図１（ｂ）は各コイルの磁性材が共通しているものの概略図である。なお、本実施例のＤＣ−ＤＣコンバータは、平滑用インダクタが従来と異なるだけで、回路図は同じ図４で示される。
【００３１】
図１（ａ）は、５個のコイルと６個の電極からなる平滑用インダクタで、コイル１の両端は電極６及び７、コイル２の両端は電極７及び８、コイル３の両端は電極８及び９、コイル４の両端は電極９及び１０、コイル５の両端は電極１０及び１１におのおの電気的に接続されている。さらに、電極１１は図４におけるコンデンサＣに接続され、電極６〜１０はスイッチングトランジスタＴｒに接続される。５個のコイルのインダクタンス値がＬｓで同一の場合、電極の組合せにより、平滑用インダクタのインダクタンス値は下記の通り変化する。
電極  ６−１１間：５Ｌｓ
電極  ７−１１間：４Ｌｓ
電極  ８−１１間：３Ｌｓ
電極  ９−１１間：２Ｌｓ
電極１０−１１間：Ｌｓ
【００３２】
別の平滑用インダクタの接続方法として電極１１をコンデンサＣに接続し、電極６をスイッチングトランジスタＴｒに接続しておき、電極６から１１の間を適宜電気的にショートさせてもインダクタンスＬを変更することができる。また、その他の接続方法を採用することも可能である。
【００３３】
図５に基づき、最低Ｌｓが２μＨ、出力電流が０．０１〜０．５Ａの場合にて説明する。出力電流０．５Ａ、Ｌｓが２μＨの場合、平滑用インダクタに流れる電流が連続的になる為のスイッチング周波数ｆ1は、約５００ｋＨｚになる。出力電流が０．０１Ａに低下した場合、平滑用インダクタのインダクタンス値がＬｓ一定の状態では、電流が連続的に流れるようにする為にはスイッチング周波数をＡポイントの約２３ＭＨｚに上げる必要がある。一方、本発明の平滑用インダクタを用いた場合、インダクタンス値Ｌを最大５Ｌｓに上げられる為、スイッチング周波数はＢポイントの約５ＭＨｚの上昇で済むことになる。
【００３４】
したがって、周波数の可変範囲が狭まり、コンバータの動作安定性に大きく寄与する。又、トランジスタのスイッチングロスやコアロスも少なくなり、変換効率も上昇する。
【００３５】
図１（ｂ）は、コイル巻線の途中から線を引出して電極に接続し、おのおのの磁性材を共通として構成した平滑用インダクタの実施例である。動作及び効果は図１（ａ）のものと同じであるが、磁性材が共通のため部品点数の削減が可能である。
【００３６】
図２及び図３は、厚みを薄くした平滑用インダクタのコイルの一例で、図２はコイルの実施例、図３はコイルの磁性材の例を示している。
【００３７】
図３（ａ）に示す磁性材は、薄膜磁性膜を成膜して、パターン化したポリイミド基板を複数枚折り重ねる事により構成されており、薄型で高周波特性の優れた、量産性の高い磁性材が可能となる。図３（ａ）のＡ−Ｂ断面図を示したのが図３（ｂ）であり、薄膜磁性体が高密度で構成されており、薄膜であるが平滑用インダクタとしてのインダクタンス値及び直流重畳特性を十分確保する事が可能となる。
【００３８】
図２は、図３に示した磁性材を用い、平角導線を巻線してなる平滑用インダクタの実施例で、図２（ａ）は２端子構造のコイル、図２（ｂ）は６端子構造のコイルである。各コイルのインダクタンス値Ｌｓは同一でも良いが、負荷電流及び周波数可変範囲の条件により、各コイルおのおの異なるインダクタンス値を設定してもかまわない。又、コイル数もコンバータの設計によって増減すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施例に係る平滑用インダクタを示したものであり、図１（ａ）は各コイルの磁性材が各々独立しているもの、図１（ｂ）は各コイルの磁性材が共通しているものの概略図。
【図２】本発明の平滑用インダクタに用いるコイルを示したものであり、図２（ａ）は２端子構造のコイル、図２（ｂ）は６端子構造のコイルの概略図。
【図３】図２に示したコイルの磁性材を示したものであり、図３（ａ）は磁性材の斜視図、図３（ｂ）は断面図。
【図４】入出力非絶縁降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの基本回路図。
【図５】負荷電流が０．０１Ａ〜０．５Ａの範囲で変化した場合の、平滑用インダクタに流れる電流が連続的と断続的となる境界を表す、平滑用コイルインダクタンス値Ｌとスイッチング周波数の関係を示した図。
【符号の説明】
【００４０】
１〜５    コイル
６〜１１    電極
１２    基板
１３    コイル
１４    平角導線
１５    磁性材
１６    薄膜磁性体
１７    ポリイミド基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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