スイッチング電源用信号伝達トランス及びスイッチング電源装置
【課題】伝達する信号の種類や用途に見合った適切で安定なインダクタンス及び磁気結合を得ることができ、小型で安価なスイッチング電源装置用信号伝達トランスとスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】基板１２に同心状に形成された複数のコイルパターン２４ａ，２４ｂと、コイルパターン２４ａ，２４ｂに近接配置されたコア１４とを備える。コア１４は、底板部１８と、底板部１８の左右側端から底板部１８に対して垂直方向に立設した一対の脚部２０ａ，２０ｂとで成る。一対の脚部２０ａ，２０ｂは、同心状に配置された複数のコイルパターン２４ａ，２４ｂの、巻線中心及び巻線外側に形成された貫通孔３２及び切り欠き３４に各々挿入される。コア１４の磁気回路は、コア１４内及び一対の脚部２０ａ，２０ｂの間の空間を介して形成される。
【解決手段】基板１２に同心状に形成された複数のコイルパターン２４ａ，２４ｂと、コイルパターン２４ａ，２４ｂに近接配置されたコア１４とを備える。コア１４は、底板部１８と、底板部１８の左右側端から底板部１８に対して垂直方向に立設した一対の脚部２０ａ，２０ｂとで成る。一対の脚部２０ａ，２０ｂは、同心状に配置された複数のコイルパターン２４ａ，２４ｂの、巻線中心及び巻線外側に形成された貫通孔３２及び切り欠き３４に各々挿入される。コア１４の磁気回路は、コア１４内及び一対の脚部２０ａ，２０ｂの間の空間を介して形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回路素子を実装して電源回路が構成される基板に形成された複数のコイルパターン、及びそのコイルパターンに近接配置されたコアにより構成されたスイッチング電源用信号伝達トランス及びスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング電源回路では、電力伝送用の主トランスの他に、スイッチング用のトランジスタ素子の駆動パルスや各種の交流信号を伝達する信号伝達用トランス等が用いられている。近年、電源回路の高密度実装の要請により、絶縁部材であるボビンを省略することによって小型化を図ったトランスが用いられるようになった。例えば、回路素子が実装される基板内に外部から絶縁されたコイルパターンを形成し、その近傍にコアを装着した形態のトランスもその一つである。
【０００３】
従来、この種のトランスとして、例えば、特許文献１に開示された磁気デバイスがある。この磁気デバイスは、Ｅ型コア及びＩ型コアを組み合わせたコア（磁性体）と、コイルパターン（導電性コイル）が形成された基板とで構成したトランスで、一般的なスイッチング電源装置にも使用されている形態である。具体的には、Ｅ型コアの中央脚部が、コイルパターンの巻線中心に設けられた貫通孔（開口部）に挿入され、一対の外脚部が、コイルパターンの巻線外側に設けられた一対の貫通孔（開口部）に挿入される。そして、あらかじめ基板の反対側から３つの貫通孔を塞ぐように固定されたＩコアに、Ｅ型コアの中央脚部と外脚部の先端を当接させ、その当接面に塗布された接着剤によって一体に固定されている。
【０００４】
また、特許文献２に開示されているように、移動体無線等の分野で使用されるトランスであって、基板の表裏両面に一次、二次のコイルパターン（インダクタパターン）を同心状に形成し、巻線中心に貫通孔（挿入孔）を設け、この貫通孔内にコア（磁性体）を挿入したトランスがある。そして、１つのコアを使用した構成として、貫通孔内にＩ型コア又はＴ型コアの中脚部を挿入した実施例が示されており、２つのコアを使用した構成として、２つのＴ型コアの中央脚部を貫通孔の両側から挿入した実施例が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００５−５０７１６７号公報
【特許文献２】特開平５−９００２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の磁気デバイスは、閉磁路構造のコアによってコイルのインダクタンスや各コイル間の磁気結合を極めて高くすることができる反面、２つのコアを組み付けたとき、当接面の面合わせ状態が僅かにずれるだけで、インダクタンスが数十パーセントもばらつくことがある。従って、このようなインダクタンスの不安定さを吸収できるように周辺回路の調整を行わなければならず、回路設計や評価が面倒であった。また、例えば、スイッチング電源回路の各種信号伝達用トランスは、その回路動作上の役割や使用形態によって、さほど高いインダクタンスが必要ない場合がある。従って、２つのコアを使用したトランスの形態は、過剰に高いインダクタンスが得られるだけで、コアの部材費を上昇させ、さらに組み立て難いという問題を生じさせていた。また、この磁気デバイスの場合、３つの脚部を挿入するため、基板に３つの貫通孔を設けなくてはならず、他の回路素子の実装スペースが制限される問題もあった。その結果、スイッチング電源装置全体の小型化も妨げられていた。
【０００７】
一方、特許文献２のトランスの場合、１つのコアを使用した構成では、インダクタンスや磁気結合が低くなってしまうため、数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚで動作する移動体無線等の高周波回路では問題とはならないが、１００ｋＨｚ〜数ＭＨｚで動作する一般的なスイッチング電源装置には適さないものであった。また、２つのコアを使用した構成では、インダクタンスや磁気結合は向上するが、コアがコストアップしたり、組み立てにくいという問題があった。
【０００８】
この発明は、上記背景技術に鑑みて成されたもので、伝達する信号の種類や用途に見合った適切で安定なインダクタンス及び磁気結合を得ることができ、小型で組み立て易く、安価なスイッチング電源用信号伝達トランスを提供し、また小型で安価なスイッチング電源装置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】
【０００９】
この発明は、回路素子を実装して電子回路が構成される基板に同心状に形成された複数のコイルパターンと、前記複数のコイルパターンに近接配置されたコアとを備えたスイッチング電源用信号伝達トランスであって、前記コアは、底板部と前記底板部の左右側端から前記底板部に対して垂直方向に立設した一対の脚部とで成るＵ字形状に形成され、前記一対の脚部は、同心状に配置された前記複数のコイルパターンの巻線中心及び巻線外側に形成された一対の挿通孔に各々挿入され、前記コアの磁気回路は、前記コア内及び前記一対の脚部の間の空間を介して形成されるスイッチング電源用信号伝達トランスである。
【００１０】
また、前記一対の脚部は、前記基板の表面側から前記挿通孔に挿入され、その先端部が前記基板の裏面側から突出し、前記コアの磁気回路は、前記コア内及び前記一対の脚部の先端部間の空間を介して形成されるものである。
【００１１】
また、前記コイルパターンの巻線外側に形成された挿通孔を、基板の端部に設けた切り欠き部分、又は基板の内側部の前記回路素子実装用透孔に連続して設けた切り欠き部分により形成したものでもよい。
【００１２】
また、前記一対の脚部は、先端の外側角部同士または内側角部同士が一対に面取りされていることが好ましい。
【００１３】
前記コアは、前記基板に実装された回路素子をリフローはんだ付けする時の加熱によって硬化した熱硬化型接着剤を介して前記基板に接着固定されたものである。
【００１４】
またこの発明は、ゲート端子等の駆動端子とソース端子等のグランド端子間の電圧に応じてオン・オフ動作する第一のトランジスタ素子と、前記第一のトランジスタ素子のオンのタイミングを示すタイミング信号を出力する制御回路とを有し、前記第一のトランジスタ素子のグランド端子の電位と前記制御回路のグランド電位とが異なるスイッチング電源装置である。さらに、コンデンサと抵抗で構成され、前記制御回路の出力したタイミング信号を微分する微分回路と、ベース端子等の駆動端子及びエミッタ端子等のグランド端子が前記微分回路の出力両端に各々接続された第二のトランジスタ素子と、入力巻線と出力巻線とを有し、前記入力巻線が直流電源と前記第二のトランジスタ素子の能動端子との間に接続された前記スイッチング電源用信号伝達トランスである絶縁トランスと、前記出力巻線にハイレベルの電圧が発生したタイミングで前記第一のトランジスタ素子をオンさせる駆動回路と、で構成されたタイミング信号伝達回路を備え、前記制御回路が出力するタイミング信号は、前記第一のトランジスタ素子をオンさせようとするタイミングでローレベルからハイレベルに反転する矩形波電圧であり、前記第二のトランジスタ素子は、前記微分回路の出力が自身の駆動端子閾値電圧を超えたときにオンし、そのオン期間に前記出力巻線にハイレベルを示す矩形波電圧である駆動信号を発生させ、前記駆動回路は、前記駆動信号がハイレベルの期間が経過した後の所定の期間、前記第一のトランジスタ素子を継続してオンさせることを特徴とするスイッチング電源装置である。
【００１５】
前記微分回路の前記コンデンサ及び前記抵抗で定まる時定数は、微分出力電圧が前記第二のトランジスタの駆動端子閾値電圧よりも高くなる期間が、２０〜２００ｎｓｅｃとなるように時定数が設定されているものである。
【発明の効果】
【００１６】
この発明のスイッチング電源用信号伝達トランスは、基板に形成されたコイルパターンが発生させる磁束の経路のうち、コイルパターンの幅方向の一辺と厚み方向の２辺にＵ字形状のコアが近接配置されるため、一定以上の高いインダクタンスと磁気結合を得ることができる。また、コイルパターンのインダクタンスは、当該コアの形状によってほぼ一律に定まるので、特性のばらつきが小さく性能の安定したトランスを構成することができる。また、スイッチング電源装置の高さ方向の外形寸法に余裕があれば、コアの脚部の先端を貫通孔から外に突出するよう構成することによって、より高いインダクタンスと磁気結合を得ることができる。
【００１７】
また、コアの一対の脚部先端の外側角部同士または内側角部同士に面取りを施すことによって、コアを基板の挿通孔に挿入する作業を円滑に行うことができる。また、基板上に熱硬化型接着剤を塗布し、その上からコアを押し当てて取り付ける構造にすれば、コアも他の回路素子と同様に自動マウントすることができ、しかも、回路素子をはんだ付けするリフロー炉を通過させれば、同時に熱硬化型接着剤も硬化させることができるので、非常に効率よく組み立てることができる。
【００１８】
また、この発明のスイッチング電源装置は、絶縁トランスのコアの外形を、組み立てる時の取り扱いが容易な一定以上の大きなサイズであって、且つ、適正なインダクタンスと回路動作中の磁気飽和に対する適度な余裕を備えた可及的に小さなサイズにする、という相反する２つの条件をバランスよく満たす外形に設定することができる。その結果、小型で組み立て易く安価なスイッチング電源装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明のスイッチング電源用信号伝達トランスの第一の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】この実施形態のコアを示す斜視図である。
【図３】この発明のスイッチング電源装置の第一の実施形態の外観を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）、下面図（ｃ）である。
【図４】この実施形態における絶縁トランスを用いた回路部分を示す回路図（ａ）、当該回路の動作を示すタイムチャート（ｂ）である
【図５】この発明のスイッチング電源用信号伝達トランスの第二の実施形態を示す縦断面図である。
【図６】この発明のその他の実施形態である、コアの脚部を挿入するために基板に設けた挿通孔の２つ形状例を示す平面図（ａ）（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、この発明のスイッチング電源用信号伝達トランス及び当該トランスを用いたスイッチング電源装置の第一の実施形態について、図１〜図４に基づいて説明する。第一の実施形態のスイッチング電源装置用信号伝達トランスである基板トランス１０は、図１に示すように、回路素子が実装された基板１２に、強磁性体であるフェライト等で形成されたコア１４を装着することによって構成され、後述するスイッチング電源装置１６内で所定の信号伝達を行うトランスとして使用される。
【００２１】
コア１４は、図２に示すように、底板部１８とその左右側端から垂直方向に立設された一対の脚部２０ａ，２０ｂとで成るＵ字形状を有している。底板部１８の外形は、幅が約５ｍｍ、奥行きが約３ｍｍで、一般的なコアよりもかなり小型であるが、この程度の大きさがあれば、コア１４単体の検査やコア１４を基板１２に装着する時などにも取り扱いが容易である。また、脚部２０ａ，２０ｂは、先端部の外側角部同士がほぼ対称に面取りされ、傾斜面２２ａ，２２ｂが設けられている。
【００２２】
図１に示す基板トランス１０の状態で、後述するコイルパターン２４ａ，２４ｂに電流が流れると、発生した磁束は、コア１４の脚部２０ａ、底板部１８、脚部２０ｂ、及び脚部２０ａ，２０ｂ間の空間を経由する磁気回路を形成する。脚部２０ａ，２０ｂ及び底板部１８の断面積を均一にすれば、コア１４内の磁束密度が磁路内でほぼ均一になり、コア１４外形を最も効率よく小型化することができるが、ここでは、コア１４の強度や取り扱いの容易性、及び、スイッチング電源装置１６内の部品配置上の制約等に鑑みて、脚部２０ａ，２０ｂの断面積はほぼ等しく、底板部１８の断面積は、脚部２０ａ，２０ｂよりもやや大きくなるように設定されている。
【００２３】
基板１２は、図３に示すように、表面及び裏面に多数の回路素子２６が実装され、スイッチング電源装置１６を構成する。基板１２は、表面、裏面及び基材内部に複数の配線層を有し、各配線層に図示しない配線パターンが形成され、回路素子２６の各端子を導通可能に接続している。
【００２４】
基板トランス１０は、基板１２の一方の長辺側の端部に設けられ、基板トランス１０の巻線は、表層２８に設けられた一次側のコイルパターン２４ａと、裏層３０に二次側のコイルパターン２４ｂであり、コイルパターン２４ａ，２４ｂが互いに対向するように同心の渦巻き状に形成されている。また、渦巻き状のコイルパターン２４ａ，２４ｂの内側端部は、スルーホールを介して他の配線層の配線パターンに各々接続され、外側に引き出されている。なお、基板トランス１０が有する２つの巻線は他の構造に変更することも可能で、例えば、コイルパターン２４ａ，２４ｂを同一の配線層に設けてもよいし、異なる配線層に設けたコイルパターンを、スルーホールを介して直列又は並列に接続し、１つのコイルパターン２４ａ又は２４ｂとする構造にしてもよい。
【００２５】
さらに、コイルパターン２４ａ，２４ｂの巻線中心に、コア１４の脚部２０ａがゆとりをもって挿入可能な挿通孔である矩形の貫通孔３２が設けられている。同じくコイルパターン２４ａ，２４ｂの巻線外側であって基板１２の端部に、コア１４の脚部２０ｂがゆとりをもって収容可能な挿通孔である矩形の切り欠き３４が設けられている。
【００２６】
コア１４を取り付けるときは、コイルパターン２４ａ上面の貫通孔３２と切り欠き３４に挟まれた部分に熱硬化型接着剤３６を塗布し、その後、図１に示すように、脚部２０ａ，２０ｂを上方から貫通孔３２と切り欠き３４の中に誘導し、熱硬化型接着剤３６を介して底板部１８をコイルパターン２４ａ上面に押し当てる。そして、熱硬化型接着剤３６を硬化させることによってコア１４が固定され、基板トランス１０の組み立てが完了する。
【００２７】
このとき、脚部２０ａ，２０ｂは、基板１２の厚みよりも長いので、脚部２０ａ，２０ｂが基板１２の裏面から突出し、表層２８のコイルパターン２４ａと裏層３０のコイルパターン２４ｂの中心を十分に貫通している。また、脚部２０ａ，２０ｂの突出高さは、裏面に実装される他の回路素子２６よりも低くなるように設定されているので、スイッチング電源装置１６の薄型化を妨げることはない。
【００２８】
以上の構成を備えた基板トランス１０は、コイルパターン２４ａ，２４ｂに電流が流れることによって発生する磁束の経路のうち、コイルパターン２４ａ．２４ｂの幅方向の一辺と厚み方向の２辺にＵ型形状のコア１４が近接配置されるため、一定以上の高いインダクタンスを得ることができる。特に、ここでは、コア１４の脚部２０ａが２つのコイルパターン２４ａ，２４ｂの巻線中心を貫通しているので、コイルパターン２４ａ，２４ｂにより発生した磁束は、コア１４の脚部２０ａ、底板部１８、脚部２０ｂ、及び脚部２０ａ，２０ｂの先端部間の空間を経由する磁気回路を通過する。従って、高いインダクタンスが得られると共に、コイルパターン２４ａ，２４ｂの磁束が互いに鎖交しやすくなって磁気結合も向上する。また、コイルパターン２４ａ，２４ｂのインダクタンスは、コア１４の形状によってほぼ一律に定まるので、トランスの組立に起因する特性のばらつきが小さく性能の安定したトランスを構成することができる。
【００２９】
また、コア１４の脚部２０ａ，２０ｂの先端角部に傾斜面２２ａ，２２ｂが設けられているので、脚部２０ａ，２０ｂを基板１２の貫通孔３２及び切り欠き３４に挿入する作業を円滑に行うことができる。また、基板１２上に熱硬化型接着剤３６を塗布し、その上からコア１４を押し当てて取り付ける構造のため、コア１４も他の回路素子２６と同様に自動マウントすることができ、しかも、回路素子２６をはんだ付けするリフロー炉を通過させれば、同時に熱硬化型接着剤３６も硬化させることができるので、基板トランス１０を効率よく組み立てることができる。
【００３０】
また、熱硬化型接着剤は、基板１２の表層２８に形成されたコイルパターン２４ａとコア１４との接触を防止する働きもする。従って、例えば、コイルパターン２４ａの表面にレジスト等の絶縁コーティングがなされていない場合でも、容易に絶縁を確保することができる。
【００３１】
次に、この基板トランス１０が用いられたスイッチング電源装置１６内の回路部分３８の構成と動作について、図４に基づいて説明する。この回路部分３８は、スイッチングＦＥＴ４０を所定のタイミングで制御する回路部分であり、ここでは、オフタイミングを制御する回路として用いている。この回路部分３８は、制御回路４１、タイミング信号伝達回路４２、駆動回路４３、第一のトランジスタ素子である補助ＦＥＴ５４及びスイッチングＦＥＴ４０で構成されている。なお、上述した基板トランス１０は、後述するタイミング信号伝達回路４２の中で、絶縁トランスとして使用されている。
【００３２】
スイッチングＦＥＴ４０は、例えば、アクティブクランプ方式のスイッチング電源回路において、主トランスの一次巻線と並列に設けられたクランプコンデンサの接続を断続するためのスイッチングＦＥＴ、あるいは、同期整流方式のスイッチング電源において、主トランスの二次巻線側に接続された同期整流素子としてのスイッチングＦＥＴ等であり、ここでは、Ｎ−ｃｈのＭＯＳ型ＦＥＴである。
【００３３】
制御回路４１は、スイッチングＦＥＴ４０のソース端子の電位と異なるグランド電位を有し、スイッチングＦＥＴ４０のオフのタイミングを示すタイミング信号Ｖ１を出力する。このタイミング信号Ｖ１は、スイッチングＦＥＴ４０をオフさせようとするタイミングでローレベルからハイレベルに反転する矩形波電圧である。
【００３４】
タイミング信号伝達回路４２は、タイミング信号Ｖ１をコンデンサ４４ａと抵抗４４ｂとで微分する微分回路４４と、第二のトランジスタ素子であるＮＰＮトランジスタ４６を備え、ＮＰＮトランジスタ４６のベース・エミッタ端子間が微分回路４４の出力である抵抗４４ｂの両端に接続されている。このとき、コンデンサ４４ａと抵抗４４ｂで定まる時定数は、タイミング信号Ｖ１を微分した出力電圧が、ＮＰＮトランジスタ４６のオンの閾値電圧よりも高くなる期間が、２０〜２００ｎｓｅｃの範囲、好ましくは、４０〜１００ｎｓｅｃの範囲となるように時定数が設定されている。
【００３５】
さらに、タイミング信号伝達回路４２は、絶縁トランスである基板トランス１０を備え、基板トランス１０の入力巻線であるコイルパターン２４ａが、制御用の直流電圧Ｖｃｃを供給する直流電源４８とＮＰＮトランジスタ４６のコレクタタ端子の間に接続されている。また、コイルパターン２４ａと並列に、カソード端子が直流電源４８側に配置されたダイオード５０が接続されている。一方、出力巻線であるコイルパターン２４ｂは、両端に発生する駆動信号Ｖ２を、後段に接続された駆動回路４３に向けて出力する。なお、コイルパターン２４ａ，２４ｂに付したドットは、磁気結合の極性を示している。
【００３６】
駆動回路４３は、駆動信号Ｖ２がハイレベルになると、補助ＦＥＴ５４をオンさせることで、スイッチングＦＥＴ４０のゲート・ソース端子間の電位をローレベルに引き下げ、スイッチングＦＥＴ４０をオフさせる回路である。
【００３７】
駆動回路４３は、コイルパターン２４ｂのドットが付された向きに発生する駆動信号Ｖ２を整流する整流ダイオード５２と、その整流電圧を蓄えるコンデンサ５８と、コンデンサ５８の電荷を放電する放電抵抗５６で構成されている。そして、駆動回路４３の出力が、補助ＦＥＴ５４のゲート端子とソース端子に接続され、補助ＦＥＴ５４のドレイン端子及びソース端子が、スイッチングＦＥＴ４０のゲート端子及びソース端子に接続されている。すなわち、スイッチングＦＥＴ４０は、補助ＦＥＴ５４がオンしたときにオフする構成になっている。
【００３８】
タイミング信号伝達回路４２に入力されるタイミング信号Ｖ１は、例えば図４（ｂ）に示すように、一定周期Ｔ（例えば、スイッチング周波数である数百ｋＨｚの一周期）ごとにローレベルからハイレベルに反転する矩形波電圧である。タイミング信号Ｖ１が微分回路４４に入力され、タイミング信号Ｖ１の微分電圧がＮＰＮトランジスタ４６のベース・エミッタ端子間に印加されると、タイミング信号Ｖ１がハイレベルに反転した時から非常に短い期間ｔ２の間（例えば、２０〜２００ｎｓｅｃ）、ＮＰＮトランジスタ４６がオンする。すると、コイルパターン２４ａの両端に直流電圧Ｖｃｃが印加され、コイルパターン２４ｂの両端に、期間ｔ２の間だけハイレベルを示す駆動信号Ｖ２が発生する。なお、ダイオード５０は、基板トランス１０が励磁エネルギーを放出するリセット動作時に動作するダイオードで、コイルパターン２４ａ，２４ｂに負方向（ドットと逆の方向）に高電圧が発生するのを抑制し、且つ、基板トランス１０の偏磁を防止するためリセット動作が円滑に行われよう補助する働きをする。このダイオード５０は、必要に応じて削除してもよい。
【００３９】
駆動回路４３のコンデンサ５８は、駆動信号Ｖ２がハイレベルを示す期間ｔ２になるとハイレベルの電圧を蓄えて、補助ＦＥＴ５４をオンし、スイッチングＦＥＴ４０がオフする。また、期間ｔ２が経過して駆動信号Ｖ２が低下しても、整流ダイオード５２とコンデンサ５８の存在によって、補助ＦＥＴ５４のゲート・ソース端子間電圧が、オンの閾値以上の電圧に保持され、放電抵抗５６によってコンデンサ５８の電圧が低下するまでの所定の期間、補助ＦＥＴ５４のオンが維持されることで、スイッチングＦＥＴ４０のオフを継続することができる。
【００４０】
以上のようにスイッチング電源装置１６では、タイミング信号伝達回路４２の絶縁トランスとして、取り扱いが容易で且つ小型外形のコア１４と、当該小型外形のコア１４にも十分に対応可能な少ない巻数のコイルパターン２４ａ，２４ｂとで成る基板トランス１０を用いることにより、容易に構成することが可能である。すなわち、タイミング信号伝達回路４２は、ごく短いパルス幅ｔ２であって、小電力のパルス信号を伝送する働きをする回路のため、非常に小型で簡単な構成の基板トランス１０であっても、信号伝送用トランスとして十分なインダクタンスと飽和特性をバランスよく実現することができ、小型で安価なスイッチング電源装置１６を得ることができる。
【００４１】
また、回路部分３８では、スイッチングＦＥＴ４０のオフタイミングを制御する例を述べたが、補助ＦＥＴ５４のドレイン端子に適当な直流電圧を与え、ソース端子をスイッチングＦＥＴのゲート端子に接続することで、スイッチングＦＥＴのオンタイミングを制御する回路を構成することも可能である。さらには、コンデンサ５８は、補助ＦＥＴ５４のゲートとソース端子間に存在する寄生容量で代用しても構わない。
【００４２】
次に、本発明のスイッチング電源用信号伝達トランスの第二の実施形態について、図５に基づいて説明する。ここで、第一の実施形態の基板トランス１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。第二の実施形態の基板トランス６０は、基板トランス１０と同様に、回路素子が実装された基板１２に、コア６２を装着することによって構成され、スイッチング電源装置１６内の信号伝達用のトランスとして動作する。
【００４３】
基板トランス６０を構成するコア６２は、上記実施形態の基板トランス１０のコア１４と異なり、脚部２０ａ，２０ｂ先端の内側角部同士がほぼ対称に面取りされ、傾斜面６４ａ，６４ｂが設けられている。また、コイルパターン２４ａ，２４ｂは、他の回路素子２６の部品配置上の都合により、基板１２の端部からやや内側に入った部分に形成されている。従って、コア６２の脚部２０ａは、コイルパターン２４ａ，２４ｂの巻線中心に設けられた貫通孔３２に挿入され、脚部２０ｂは、コイルパターン２４ａ，２４ｂの巻線外側に設けられた貫通孔６６に挿入されている。その他の構成は、基板トランス１０と同様である。
【００４４】
貫通孔３２，６６と脚部２０ａ，２０ｂとのクリアランスの関係によっては、脚部２０ａ，２０ｂの傾斜面の位置は、外側角部ではなく内側角部に設けた方が、取り付け時の作業性がよい場合がある。基板トランス６０の場合は、貫通孔３２，６６と脚部２０ａ，２０ｂとのクリアランスの関係で、内側角部に設けた方が都合がよい。このように、傾斜面を外側角部と内側角部のいずれに設けるかは、作業の効率化とインダクタンス特性への影響などを考慮して選択すればよく、両方に設けてもよい。
【００４５】
なお、この発明のスイッチング電源用信号伝達トランスは、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、コアの底板部及び一対の脚部は、必ずしも上述のＵ字形状である必要はなく、一対の脚部を基板の貫通孔や切り欠きに円滑に挿入可能な構造であれば、例えば、脚部に設けた傾斜面を曲面状に変更したり、コアの外側角部を欠け防止目的で面取りしたリ、一対の脚部を異なる長さにして基板に取り付け易くする等、コアの形状を略Ｕ字形状の範囲で自由に調整することができる。
【００４６】
また、コイルパターンで形成される回路数（巻線数）は３つ以上であってもよい。この回路数は、配線層の数が多い多層基板を用いることによって容易に増やすことが可能である。また、一方の脚部の周縁に２つ以上のコイルパターンを配置し、他の脚部の周縁に第三のコイルパターンを配置する等してもよい。
【００４７】
また、コアの一対の脚部の挿通孔は、基板に形成された貫通孔と基板端部に設けられた切り欠きの他、例えば、図６（ａ）に示す基板トランス１０の構成のように、回路素子実装用の透孔７２に連続して設けられた切り欠き７４であってもよい。透孔７２は、回路素子の一つである背の高い高背部品７６をスイッチング電源装置１６の外形に収まるように実装するために設けられ、高背部品７６の本体７６ａを透孔７２内に配置し、本体７６ａの左右側方に設けた実装端子７２ｂを基板１２に接続することによって、低背実装を実現している。そして、切り欠き７４を透孔７２に連続して設けることによって、高背部品７６と基板トランス１０を極めて近接に配置することが可能になり、スイッチング電源装置１６をより小型化することができる。
【００４８】
また、図６（ｂ）に示す基板トランス１０の構成のように、切り欠き７４を、回路素子の一つである主トランス７８のＥＩコア７８ａ脚部を挿入する透孔８０に連続して設け、コア１４の脚部の挿通孔としてもよい。主トランス７８は、基板１２に形成されたコイルパターンにＥＩコア７８ａを装着して成る一般的な回路素子であるが、このような構成にすれば、主トランス７８と基板トランス１０を極めて近接に配置することが可能になり、上記と同様にスイッチング電源装置１６をより小型化することができる。
【００４９】
さらに、コアを基板に固定するとき、例えば、製造設備上の都合などにより、接着剤を加熱硬化させる以外の固定方法を用いた方が好ましい場合は、熱硬化型接着剤以外の接着剤で接着したり、接着以外の方法で固定してもよい。
【００５０】
また、この発明のスイッチング電源用信号伝達トランスは、スイッチングＦＥＴ４０を駆動する駆動信号伝達回路４２が有する絶縁トランスのほか、スイッチング電源装置の様々な回路部分に使用される絶縁トランスに適用することができる。すなわち、絶縁トランスが伝送する信号のハイレベルの時間（期間ｔ２に相当する時間）や、伝送するエネルギー量などの条件が合えば、例えば、コンデンサと抵抗で構成されたタイマ回路のコンデンサ電圧をリセットするための放電回路などの用途にも適用することできる。また、数ＭＨｚ程度のスイッチング周波数で動作する比較的小容量のスイッチング電源装置であれば、電力伝送用の主トランスとして使用することも可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１０，６０ 基板トランス
１２ 基板
１４ コア
１６ スイッチング電源装置
１８ 底板部
２０ａ，２０ｂ 脚部
２２ａ，２２ｂ，６４ａ，６４ｂ 傾斜面
２４ａ，２４ｂ コイルパターン
２６ 回路素子
２８ 表層
３０ 裏層
３２，６６ 貫通孔
３４ 切り欠き
３６ 熱硬化型接着剤
４０ スイッチングＦＥＴ
４１ 制御回路
４２ タイミング信号伝達回路
４３ 駆動回路
４４ 微分回路
４６ ＮＰＮトランジスタ
５４ 補助ＦＥＴ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回路素子を実装して電源回路が構成される基板に形成された複数のコイルパターン、及びそのコイルパターンに近接配置されたコアにより構成されたスイッチング電源用信号伝達トランス及びスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチング電源回路では、電力伝送用の主トランスの他に、スイッチング用のトランジスタ素子の駆動パルスや各種の交流信号を伝達する信号伝達用トランス等が用いられている。近年、電源回路の高密度実装の要請により、絶縁部材であるボビンを省略することによって小型化を図ったトランスが用いられるようになった。例えば、回路素子が実装される基板内に外部から絶縁されたコイルパターンを形成し、その近傍にコアを装着した形態のトランスもその一つである。
【０００３】
従来、この種のトランスとして、例えば、特許文献１に開示された磁気デバイスがある。この磁気デバイスは、Ｅ型コア及びＩ型コアを組み合わせたコア（磁性体）と、コイルパターン（導電性コイル）が形成された基板とで構成したトランスで、一般的なスイッチング電源装置にも使用されている形態である。具体的には、Ｅ型コアの中央脚部が、コイルパターンの巻線中心に設けられた貫通孔（開口部）に挿入され、一対の外脚部が、コイルパターンの巻線外側に設けられた一対の貫通孔（開口部）に挿入される。そして、あらかじめ基板の反対側から３つの貫通孔を塞ぐように固定されたＩコアに、Ｅ型コアの中央脚部と外脚部の先端を当接させ、その当接面に塗布された接着剤によって一体に固定されている。
【０００４】
また、特許文献２に開示されているように、移動体無線等の分野で使用されるトランスであって、基板の表裏両面に一次、二次のコイルパターン（インダクタパターン）を同心状に形成し、巻線中心に貫通孔（挿入孔）を設け、この貫通孔内にコア（磁性体）を挿入したトランスがある。そして、１つのコアを使用した構成として、貫通孔内にＩ型コア又はＴ型コアの中脚部を挿入した実施例が示されており、２つのコアを使用した構成として、２つのＴ型コアの中央脚部を貫通孔の両側から挿入した実施例が示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００５−５０７１６７号公報
【特許文献２】特開平５−９００２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１の磁気デバイスは、閉磁路構造のコアによってコイルのインダクタンスや各コイル間の磁気結合を極めて高くすることができる反面、２つのコアを組み付けたとき、当接面の面合わせ状態が僅かにずれるだけで、インダクタンスが数十パーセントもばらつくことがある。従って、このようなインダクタンスの不安定さを吸収できるように周辺回路の調整を行わなければならず、回路設計や評価が面倒であった。また、例えば、スイッチング電源回路の各種信号伝達用トランスは、その回路動作上の役割や使用形態によって、さほど高いインダクタンスが必要ない場合がある。従って、２つのコアを使用したトランスの形態は、過剰に高いインダクタンスが得られるだけで、コアの部材費を上昇させ、さらに組み立て難いという問題を生じさせていた。また、この磁気デバイスの場合、３つの脚部を挿入するため、基板に３つの貫通孔を設けなくてはならず、他の回路素子の実装スペースが制限される問題もあった。その結果、スイッチング電源装置全体の小型化も妨げられていた。
【０００７】
一方、特許文献２のトランスの場合、１つのコアを使用した構成では、インダクタンスや磁気結合が低くなってしまうため、数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚで動作する移動体無線等の高周波回路では問題とはならないが、１００ｋＨｚ〜数ＭＨｚで動作する一般的なスイッチング電源装置には適さないものであった。また、２つのコアを使用した構成では、インダクタンスや磁気結合は向上するが、コアがコストアップしたり、組み立てにくいという問題があった。
【０００８】
この発明は、上記背景技術に鑑みて成されたもので、伝達する信号の種類や用途に見合った適切で安定なインダクタンス及び磁気結合を得ることができ、小型で組み立て易く、安価なスイッチング電源用信号伝達トランスを提供し、また小型で安価なスイッチング電源装置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】
【０００９】
この発明は、回路素子を実装して電子回路が構成される基板に同心状に形成された複数のコイルパターンと、前記複数のコイルパターンに近接配置されたコアとを備えたスイッチング電源用信号伝達トランスであって、前記コアは、底板部と前記底板部の左右側端から前記底板部に対して垂直方向に立設した一対の脚部とで成るＵ字形状に形成され、前記一対の脚部は、同心状に配置された前記複数のコイルパターンの巻線中心及び巻線外側に形成された一対の挿通孔に各々挿入され、前記コアの磁気回路は、前記コア内及び前記一対の脚部の間の空間を介して形成されるスイッチング電源用信号伝達トランスである。
【００１０】
また、前記一対の脚部は、前記基板の表面側から前記挿通孔に挿入され、その先端部が前記基板の裏面側から突出し、前記コアの磁気回路は、前記コア内及び前記一対の脚部の先端部間の空間を介して形成されるものである。
【００１１】
また、前記コイルパターンの巻線外側に形成された挿通孔を、基板の端部に設けた切り欠き部分、又は基板の内側部の前記回路素子実装用透孔に連続して設けた切り欠き部分により形成したものでもよい。
【００１２】
また、前記一対の脚部は、先端の外側角部同士または内側角部同士が一対に面取りされていることが好ましい。
【００１３】
前記コアは、前記基板に実装された回路素子をリフローはんだ付けする時の加熱によって硬化した熱硬化型接着剤を介して前記基板に接着固定されたものである。
【００１４】
またこの発明は、ゲート端子等の駆動端子とソース端子等のグランド端子間の電圧に応じてオン・オフ動作する第一のトランジスタ素子と、前記第一のトランジスタ素子のオンのタイミングを示すタイミング信号を出力する制御回路とを有し、前記第一のトランジスタ素子のグランド端子の電位と前記制御回路のグランド電位とが異なるスイッチング電源装置である。さらに、コンデンサと抵抗で構成され、前記制御回路の出力したタイミング信号を微分する微分回路と、ベース端子等の駆動端子及びエミッタ端子等のグランド端子が前記微分回路の出力両端に各々接続された第二のトランジスタ素子と、入力巻線と出力巻線とを有し、前記入力巻線が直流電源と前記第二のトランジスタ素子の能動端子との間に接続された前記スイッチング電源用信号伝達トランスである絶縁トランスと、前記出力巻線にハイレベルの電圧が発生したタイミングで前記第一のトランジスタ素子をオンさせる駆動回路と、で構成されたタイミング信号伝達回路を備え、前記制御回路が出力するタイミング信号は、前記第一のトランジスタ素子をオンさせようとするタイミングでローレベルからハイレベルに反転する矩形波電圧であり、前記第二のトランジスタ素子は、前記微分回路の出力が自身の駆動端子閾値電圧を超えたときにオンし、そのオン期間に前記出力巻線にハイレベルを示す矩形波電圧である駆動信号を発生させ、前記駆動回路は、前記駆動信号がハイレベルの期間が経過した後の所定の期間、前記第一のトランジスタ素子を継続してオンさせることを特徴とするスイッチング電源装置である。
【００１５】
前記微分回路の前記コンデンサ及び前記抵抗で定まる時定数は、微分出力電圧が前記第二のトランジスタの駆動端子閾値電圧よりも高くなる期間が、２０〜２００ｎｓｅｃとなるように時定数が設定されているものである。
【発明の効果】
【００１６】
この発明のスイッチング電源用信号伝達トランスは、基板に形成されたコイルパターンが発生させる磁束の経路のうち、コイルパターンの幅方向の一辺と厚み方向の２辺にＵ字形状のコアが近接配置されるため、一定以上の高いインダクタンスと磁気結合を得ることができる。また、コイルパターンのインダクタンスは、当該コアの形状によってほぼ一律に定まるので、特性のばらつきが小さく性能の安定したトランスを構成することができる。また、スイッチング電源装置の高さ方向の外形寸法に余裕があれば、コアの脚部の先端を貫通孔から外に突出するよう構成することによって、より高いインダクタンスと磁気結合を得ることができる。
【００１７】
また、コアの一対の脚部先端の外側角部同士または内側角部同士に面取りを施すことによって、コアを基板の挿通孔に挿入する作業を円滑に行うことができる。また、基板上に熱硬化型接着剤を塗布し、その上からコアを押し当てて取り付ける構造にすれば、コアも他の回路素子と同様に自動マウントすることができ、しかも、回路素子をはんだ付けするリフロー炉を通過させれば、同時に熱硬化型接着剤も硬化させることができるので、非常に効率よく組み立てることができる。
【００１８】
また、この発明のスイッチング電源装置は、絶縁トランスのコアの外形を、組み立てる時の取り扱いが容易な一定以上の大きなサイズであって、且つ、適正なインダクタンスと回路動作中の磁気飽和に対する適度な余裕を備えた可及的に小さなサイズにする、という相反する２つの条件をバランスよく満たす外形に設定することができる。その結果、小型で組み立て易く安価なスイッチング電源装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明のスイッチング電源用信号伝達トランスの第一の実施形態を示す縦断面図である。
【図２】この実施形態のコアを示す斜視図である。
【図３】この発明のスイッチング電源装置の第一の実施形態の外観を示す平面図（ａ）、正面図（ｂ）、下面図（ｃ）である。
【図４】この実施形態における絶縁トランスを用いた回路部分を示す回路図（ａ）、当該回路の動作を示すタイムチャート（ｂ）である
【図５】この発明のスイッチング電源用信号伝達トランスの第二の実施形態を示す縦断面図である。
【図６】この発明のその他の実施形態である、コアの脚部を挿入するために基板に設けた挿通孔の２つ形状例を示す平面図（ａ）（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、この発明のスイッチング電源用信号伝達トランス及び当該トランスを用いたスイッチング電源装置の第一の実施形態について、図１〜図４に基づいて説明する。第一の実施形態のスイッチング電源装置用信号伝達トランスである基板トランス１０は、図１に示すように、回路素子が実装された基板１２に、強磁性体であるフェライト等で形成されたコア１４を装着することによって構成され、後述するスイッチング電源装置１６内で所定の信号伝達を行うトランスとして使用される。
【００２１】
コア１４は、図２に示すように、底板部１８とその左右側端から垂直方向に立設された一対の脚部２０ａ，２０ｂとで成るＵ字形状を有している。底板部１８の外形は、幅が約５ｍｍ、奥行きが約３ｍｍで、一般的なコアよりもかなり小型であるが、この程度の大きさがあれば、コア１４単体の検査やコア１４を基板１２に装着する時などにも取り扱いが容易である。また、脚部２０ａ，２０ｂは、先端部の外側角部同士がほぼ対称に面取りされ、傾斜面２２ａ，２２ｂが設けられている。
【００２２】
図１に示す基板トランス１０の状態で、後述するコイルパターン２４ａ，２４ｂに電流が流れると、発生した磁束は、コア１４の脚部２０ａ、底板部１８、脚部２０ｂ、及び脚部２０ａ，２０ｂ間の空間を経由する磁気回路を形成する。脚部２０ａ，２０ｂ及び底板部１８の断面積を均一にすれば、コア１４内の磁束密度が磁路内でほぼ均一になり、コア１４外形を最も効率よく小型化することができるが、ここでは、コア１４の強度や取り扱いの容易性、及び、スイッチング電源装置１６内の部品配置上の制約等に鑑みて、脚部２０ａ，２０ｂの断面積はほぼ等しく、底板部１８の断面積は、脚部２０ａ，２０ｂよりもやや大きくなるように設定されている。
【００２３】
基板１２は、図３に示すように、表面及び裏面に多数の回路素子２６が実装され、スイッチング電源装置１６を構成する。基板１２は、表面、裏面及び基材内部に複数の配線層を有し、各配線層に図示しない配線パターンが形成され、回路素子２６の各端子を導通可能に接続している。
【００２４】
基板トランス１０は、基板１２の一方の長辺側の端部に設けられ、基板トランス１０の巻線は、表層２８に設けられた一次側のコイルパターン２４ａと、裏層３０に二次側のコイルパターン２４ｂであり、コイルパターン２４ａ，２４ｂが互いに対向するように同心の渦巻き状に形成されている。また、渦巻き状のコイルパターン２４ａ，２４ｂの内側端部は、スルーホールを介して他の配線層の配線パターンに各々接続され、外側に引き出されている。なお、基板トランス１０が有する２つの巻線は他の構造に変更することも可能で、例えば、コイルパターン２４ａ，２４ｂを同一の配線層に設けてもよいし、異なる配線層に設けたコイルパターンを、スルーホールを介して直列又は並列に接続し、１つのコイルパターン２４ａ又は２４ｂとする構造にしてもよい。
【００２５】
さらに、コイルパターン２４ａ，２４ｂの巻線中心に、コア１４の脚部２０ａがゆとりをもって挿入可能な挿通孔である矩形の貫通孔３２が設けられている。同じくコイルパターン２４ａ，２４ｂの巻線外側であって基板１２の端部に、コア１４の脚部２０ｂがゆとりをもって収容可能な挿通孔である矩形の切り欠き３４が設けられている。
【００２６】
コア１４を取り付けるときは、コイルパターン２４ａ上面の貫通孔３２と切り欠き３４に挟まれた部分に熱硬化型接着剤３６を塗布し、その後、図１に示すように、脚部２０ａ，２０ｂを上方から貫通孔３２と切り欠き３４の中に誘導し、熱硬化型接着剤３６を介して底板部１８をコイルパターン２４ａ上面に押し当てる。そして、熱硬化型接着剤３６を硬化させることによってコア１４が固定され、基板トランス１０の組み立てが完了する。
【００２７】
このとき、脚部２０ａ，２０ｂは、基板１２の厚みよりも長いので、脚部２０ａ，２０ｂが基板１２の裏面から突出し、表層２８のコイルパターン２４ａと裏層３０のコイルパターン２４ｂの中心を十分に貫通している。また、脚部２０ａ，２０ｂの突出高さは、裏面に実装される他の回路素子２６よりも低くなるように設定されているので、スイッチング電源装置１６の薄型化を妨げることはない。
【００２８】
以上の構成を備えた基板トランス１０は、コイルパターン２４ａ，２４ｂに電流が流れることによって発生する磁束の経路のうち、コイルパターン２４ａ．２４ｂの幅方向の一辺と厚み方向の２辺にＵ型形状のコア１４が近接配置されるため、一定以上の高いインダクタンスを得ることができる。特に、ここでは、コア１４の脚部２０ａが２つのコイルパターン２４ａ，２４ｂの巻線中心を貫通しているので、コイルパターン２４ａ，２４ｂにより発生した磁束は、コア１４の脚部２０ａ、底板部１８、脚部２０ｂ、及び脚部２０ａ，２０ｂの先端部間の空間を経由する磁気回路を通過する。従って、高いインダクタンスが得られると共に、コイルパターン２４ａ，２４ｂの磁束が互いに鎖交しやすくなって磁気結合も向上する。また、コイルパターン２４ａ，２４ｂのインダクタンスは、コア１４の形状によってほぼ一律に定まるので、トランスの組立に起因する特性のばらつきが小さく性能の安定したトランスを構成することができる。
【００２９】
また、コア１４の脚部２０ａ，２０ｂの先端角部に傾斜面２２ａ，２２ｂが設けられているので、脚部２０ａ，２０ｂを基板１２の貫通孔３２及び切り欠き３４に挿入する作業を円滑に行うことができる。また、基板１２上に熱硬化型接着剤３６を塗布し、その上からコア１４を押し当てて取り付ける構造のため、コア１４も他の回路素子２６と同様に自動マウントすることができ、しかも、回路素子２６をはんだ付けするリフロー炉を通過させれば、同時に熱硬化型接着剤３６も硬化させることができるので、基板トランス１０を効率よく組み立てることができる。
【００３０】
また、熱硬化型接着剤は、基板１２の表層２８に形成されたコイルパターン２４ａとコア１４との接触を防止する働きもする。従って、例えば、コイルパターン２４ａの表面にレジスト等の絶縁コーティングがなされていない場合でも、容易に絶縁を確保することができる。
【００３１】
次に、この基板トランス１０が用いられたスイッチング電源装置１６内の回路部分３８の構成と動作について、図４に基づいて説明する。この回路部分３８は、スイッチングＦＥＴ４０を所定のタイミングで制御する回路部分であり、ここでは、オフタイミングを制御する回路として用いている。この回路部分３８は、制御回路４１、タイミング信号伝達回路４２、駆動回路４３、第一のトランジスタ素子である補助ＦＥＴ５４及びスイッチングＦＥＴ４０で構成されている。なお、上述した基板トランス１０は、後述するタイミング信号伝達回路４２の中で、絶縁トランスとして使用されている。
【００３２】
スイッチングＦＥＴ４０は、例えば、アクティブクランプ方式のスイッチング電源回路において、主トランスの一次巻線と並列に設けられたクランプコンデンサの接続を断続するためのスイッチングＦＥＴ、あるいは、同期整流方式のスイッチング電源において、主トランスの二次巻線側に接続された同期整流素子としてのスイッチングＦＥＴ等であり、ここでは、Ｎ−ｃｈのＭＯＳ型ＦＥＴである。
【００３３】
制御回路４１は、スイッチングＦＥＴ４０のソース端子の電位と異なるグランド電位を有し、スイッチングＦＥＴ４０のオフのタイミングを示すタイミング信号Ｖ１を出力する。このタイミング信号Ｖ１は、スイッチングＦＥＴ４０をオフさせようとするタイミングでローレベルからハイレベルに反転する矩形波電圧である。
【００３４】
タイミング信号伝達回路４２は、タイミング信号Ｖ１をコンデンサ４４ａと抵抗４４ｂとで微分する微分回路４４と、第二のトランジスタ素子であるＮＰＮトランジスタ４６を備え、ＮＰＮトランジスタ４６のベース・エミッタ端子間が微分回路４４の出力である抵抗４４ｂの両端に接続されている。このとき、コンデンサ４４ａと抵抗４４ｂで定まる時定数は、タイミング信号Ｖ１を微分した出力電圧が、ＮＰＮトランジスタ４６のオンの閾値電圧よりも高くなる期間が、２０〜２００ｎｓｅｃの範囲、好ましくは、４０〜１００ｎｓｅｃの範囲となるように時定数が設定されている。
【００３５】
さらに、タイミング信号伝達回路４２は、絶縁トランスである基板トランス１０を備え、基板トランス１０の入力巻線であるコイルパターン２４ａが、制御用の直流電圧Ｖｃｃを供給する直流電源４８とＮＰＮトランジスタ４６のコレクタタ端子の間に接続されている。また、コイルパターン２４ａと並列に、カソード端子が直流電源４８側に配置されたダイオード５０が接続されている。一方、出力巻線であるコイルパターン２４ｂは、両端に発生する駆動信号Ｖ２を、後段に接続された駆動回路４３に向けて出力する。なお、コイルパターン２４ａ，２４ｂに付したドットは、磁気結合の極性を示している。
【００３６】
駆動回路４３は、駆動信号Ｖ２がハイレベルになると、補助ＦＥＴ５４をオンさせることで、スイッチングＦＥＴ４０のゲート・ソース端子間の電位をローレベルに引き下げ、スイッチングＦＥＴ４０をオフさせる回路である。
【００３７】
駆動回路４３は、コイルパターン２４ｂのドットが付された向きに発生する駆動信号Ｖ２を整流する整流ダイオード５２と、その整流電圧を蓄えるコンデンサ５８と、コンデンサ５８の電荷を放電する放電抵抗５６で構成されている。そして、駆動回路４３の出力が、補助ＦＥＴ５４のゲート端子とソース端子に接続され、補助ＦＥＴ５４のドレイン端子及びソース端子が、スイッチングＦＥＴ４０のゲート端子及びソース端子に接続されている。すなわち、スイッチングＦＥＴ４０は、補助ＦＥＴ５４がオンしたときにオフする構成になっている。
【００３８】
タイミング信号伝達回路４２に入力されるタイミング信号Ｖ１は、例えば図４（ｂ）に示すように、一定周期Ｔ（例えば、スイッチング周波数である数百ｋＨｚの一周期）ごとにローレベルからハイレベルに反転する矩形波電圧である。タイミング信号Ｖ１が微分回路４４に入力され、タイミング信号Ｖ１の微分電圧がＮＰＮトランジスタ４６のベース・エミッタ端子間に印加されると、タイミング信号Ｖ１がハイレベルに反転した時から非常に短い期間ｔ２の間（例えば、２０〜２００ｎｓｅｃ）、ＮＰＮトランジスタ４６がオンする。すると、コイルパターン２４ａの両端に直流電圧Ｖｃｃが印加され、コイルパターン２４ｂの両端に、期間ｔ２の間だけハイレベルを示す駆動信号Ｖ２が発生する。なお、ダイオード５０は、基板トランス１０が励磁エネルギーを放出するリセット動作時に動作するダイオードで、コイルパターン２４ａ，２４ｂに負方向（ドットと逆の方向）に高電圧が発生するのを抑制し、且つ、基板トランス１０の偏磁を防止するためリセット動作が円滑に行われよう補助する働きをする。このダイオード５０は、必要に応じて削除してもよい。
【００３９】
駆動回路４３のコンデンサ５８は、駆動信号Ｖ２がハイレベルを示す期間ｔ２になるとハイレベルの電圧を蓄えて、補助ＦＥＴ５４をオンし、スイッチングＦＥＴ４０がオフする。また、期間ｔ２が経過して駆動信号Ｖ２が低下しても、整流ダイオード５２とコンデンサ５８の存在によって、補助ＦＥＴ５４のゲート・ソース端子間電圧が、オンの閾値以上の電圧に保持され、放電抵抗５６によってコンデンサ５８の電圧が低下するまでの所定の期間、補助ＦＥＴ５４のオンが維持されることで、スイッチングＦＥＴ４０のオフを継続することができる。
【００４０】
以上のようにスイッチング電源装置１６では、タイミング信号伝達回路４２の絶縁トランスとして、取り扱いが容易で且つ小型外形のコア１４と、当該小型外形のコア１４にも十分に対応可能な少ない巻数のコイルパターン２４ａ，２４ｂとで成る基板トランス１０を用いることにより、容易に構成することが可能である。すなわち、タイミング信号伝達回路４２は、ごく短いパルス幅ｔ２であって、小電力のパルス信号を伝送する働きをする回路のため、非常に小型で簡単な構成の基板トランス１０であっても、信号伝送用トランスとして十分なインダクタンスと飽和特性をバランスよく実現することができ、小型で安価なスイッチング電源装置１６を得ることができる。
【００４１】
また、回路部分３８では、スイッチングＦＥＴ４０のオフタイミングを制御する例を述べたが、補助ＦＥＴ５４のドレイン端子に適当な直流電圧を与え、ソース端子をスイッチングＦＥＴのゲート端子に接続することで、スイッチングＦＥＴのオンタイミングを制御する回路を構成することも可能である。さらには、コンデンサ５８は、補助ＦＥＴ５４のゲートとソース端子間に存在する寄生容量で代用しても構わない。
【００４２】
次に、本発明のスイッチング電源用信号伝達トランスの第二の実施形態について、図５に基づいて説明する。ここで、第一の実施形態の基板トランス１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。第二の実施形態の基板トランス６０は、基板トランス１０と同様に、回路素子が実装された基板１２に、コア６２を装着することによって構成され、スイッチング電源装置１６内の信号伝達用のトランスとして動作する。
【００４３】
基板トランス６０を構成するコア６２は、上記実施形態の基板トランス１０のコア１４と異なり、脚部２０ａ，２０ｂ先端の内側角部同士がほぼ対称に面取りされ、傾斜面６４ａ，６４ｂが設けられている。また、コイルパターン２４ａ，２４ｂは、他の回路素子２６の部品配置上の都合により、基板１２の端部からやや内側に入った部分に形成されている。従って、コア６２の脚部２０ａは、コイルパターン２４ａ，２４ｂの巻線中心に設けられた貫通孔３２に挿入され、脚部２０ｂは、コイルパターン２４ａ，２４ｂの巻線外側に設けられた貫通孔６６に挿入されている。その他の構成は、基板トランス１０と同様である。
【００４４】
貫通孔３２，６６と脚部２０ａ，２０ｂとのクリアランスの関係によっては、脚部２０ａ，２０ｂの傾斜面の位置は、外側角部ではなく内側角部に設けた方が、取り付け時の作業性がよい場合がある。基板トランス６０の場合は、貫通孔３２，６６と脚部２０ａ，２０ｂとのクリアランスの関係で、内側角部に設けた方が都合がよい。このように、傾斜面を外側角部と内側角部のいずれに設けるかは、作業の効率化とインダクタンス特性への影響などを考慮して選択すればよく、両方に設けてもよい。
【００４５】
なお、この発明のスイッチング電源用信号伝達トランスは、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、コアの底板部及び一対の脚部は、必ずしも上述のＵ字形状である必要はなく、一対の脚部を基板の貫通孔や切り欠きに円滑に挿入可能な構造であれば、例えば、脚部に設けた傾斜面を曲面状に変更したり、コアの外側角部を欠け防止目的で面取りしたリ、一対の脚部を異なる長さにして基板に取り付け易くする等、コアの形状を略Ｕ字形状の範囲で自由に調整することができる。
【００４６】
また、コイルパターンで形成される回路数（巻線数）は３つ以上であってもよい。この回路数は、配線層の数が多い多層基板を用いることによって容易に増やすことが可能である。また、一方の脚部の周縁に２つ以上のコイルパターンを配置し、他の脚部の周縁に第三のコイルパターンを配置する等してもよい。
【００４７】
また、コアの一対の脚部の挿通孔は、基板に形成された貫通孔と基板端部に設けられた切り欠きの他、例えば、図６（ａ）に示す基板トランス１０の構成のように、回路素子実装用の透孔７２に連続して設けられた切り欠き７４であってもよい。透孔７２は、回路素子の一つである背の高い高背部品７６をスイッチング電源装置１６の外形に収まるように実装するために設けられ、高背部品７６の本体７６ａを透孔７２内に配置し、本体７６ａの左右側方に設けた実装端子７２ｂを基板１２に接続することによって、低背実装を実現している。そして、切り欠き７４を透孔７２に連続して設けることによって、高背部品７６と基板トランス１０を極めて近接に配置することが可能になり、スイッチング電源装置１６をより小型化することができる。
【００４８】
また、図６（ｂ）に示す基板トランス１０の構成のように、切り欠き７４を、回路素子の一つである主トランス７８のＥＩコア７８ａ脚部を挿入する透孔８０に連続して設け、コア１４の脚部の挿通孔としてもよい。主トランス７８は、基板１２に形成されたコイルパターンにＥＩコア７８ａを装着して成る一般的な回路素子であるが、このような構成にすれば、主トランス７８と基板トランス１０を極めて近接に配置することが可能になり、上記と同様にスイッチング電源装置１６をより小型化することができる。
【００４９】
さらに、コアを基板に固定するとき、例えば、製造設備上の都合などにより、接着剤を加熱硬化させる以外の固定方法を用いた方が好ましい場合は、熱硬化型接着剤以外の接着剤で接着したり、接着以外の方法で固定してもよい。
【００５０】
また、この発明のスイッチング電源用信号伝達トランスは、スイッチングＦＥＴ４０を駆動する駆動信号伝達回路４２が有する絶縁トランスのほか、スイッチング電源装置の様々な回路部分に使用される絶縁トランスに適用することができる。すなわち、絶縁トランスが伝送する信号のハイレベルの時間（期間ｔ２に相当する時間）や、伝送するエネルギー量などの条件が合えば、例えば、コンデンサと抵抗で構成されたタイマ回路のコンデンサ電圧をリセットするための放電回路などの用途にも適用することできる。また、数ＭＨｚ程度のスイッチング周波数で動作する比較的小容量のスイッチング電源装置であれば、電力伝送用の主トランスとして使用することも可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１０，６０ 基板トランス
１２ 基板
１４ コア
１６ スイッチング電源装置
１８ 底板部
２０ａ，２０ｂ 脚部
２２ａ，２２ｂ，６４ａ，６４ｂ 傾斜面
２４ａ，２４ｂ コイルパターン
２６ 回路素子
２８ 表層
３０ 裏層
３２，６６ 貫通孔
３４ 切り欠き
３６ 熱硬化型接着剤
４０ スイッチングＦＥＴ
４１ 制御回路
４２ タイミング信号伝達回路
４３ 駆動回路
４４ 微分回路
４６ ＮＰＮトランジスタ
５４ 補助ＦＥＴ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路素子を実装して電子回路が構成される基板に同心状に形成された複数のコイルパターンと、前記複数のコイルパターンに近接配置されたコアとを備えたスイッチング電源用信号伝達トランスにおいて、
前記コアは、底板部と前記底板部の左右側端から前記底板部に対して垂直方向に立設した一対の脚部とで成るＵ字形状に形成され、
前記一対の脚部は、同心状に配置された前記複数のコイルパターンの巻線中心及び巻線外側に形成された一対の挿通孔に各々挿入され、
前記コアの磁気回路は、前記コア内及び前記一対の脚部の間の空間を介して形成されることを特徴とするスイッチング電源用信号伝達トランス。
【請求項２】
前記一対の脚部は、前記基板の表面側から前記挿通孔に挿入され、その先端部が前記基板の裏面側から突出し、
前記コアの磁気回路は、前記コア内及び前記一対の脚部の先端部間の空間を介して形成される請求項１記載のスイッチング電源用信号伝達トランス。
【請求項３】
前記コイルパターンの巻線外側に形成された挿通孔を、基板の端部に設けた切り欠き部分、又は、基板の内側部の前記回路素子実装用透孔に連続して設けた切り欠き部分により形成した請求項１又は２記載のスイッチング電源用信号伝達トランス。
【請求項４】
前記一対の脚部は、先端の外側角部同士または内側角部同士が一対に面取りされている請求項１乃至３のいずれか記載のスイッチング電源用信号伝達トランス。
【請求項５】
前記コアは、前記基板に実装された回路素子をリフローはんだ付けする時の加熱によって硬化した熱硬化型接着剤を介して前記基板に接着固定された請求項１乃至４のいずれか記載のスイッチング電源用信号伝達トランス。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか記載のスイッチング電源用信号伝達トランスを備え、駆動端子とグランド端子間の電圧に応じてオン・オフ動作する第一のトランジスタ素子と、前記第一のトランジスタ素子のオンのタイミングを示すタイミング信号を出力する制御回路とを有し、前記第一のトランジスタ素子のグランド端子の電位と前記制御回路のグランド電位とが異なるものであり、コンデンサと抵抗で構成され、前記制御回路の出力したタイミング信号を微分する微分回路と、駆動端子及びグランド端子が前記微分回路の出力両端に各々接続された第二のトランジスタ素子と、入力巻線と出力巻線とを有し、前記入力巻線が直流電源と前記第二のトランジスタ素子の能動端子との間に接続された前記スイッチング電源用信号伝達トランスである絶縁トランスと、前記出力巻線にハイレベルの電圧が発生したタイミングで前記第一のトランジスタ素子をオンさせる駆動回路と、で構成されたタイミング信号伝達回路を備え、前記制御回路が出力するタイミング信号は、前記第一のトランジスタ素子をオンさせようとするタイミングでローレベルからハイレベルに反転する矩形波電圧であり、前記第二のトランジスタ素子は、前記微分回路の出力が自身の駆動端子閾値電圧を超えたときにオンし、そのオン期間に前記出力巻線にハイレベルを示す矩形波電圧である駆動信号を発生させ、前記駆動回路は、前記駆動信号がハイレベルの期間が経過した後の所定の期間、前記第一のトランジスタ素子を継続してオンさせることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項７】
前記微分回路の前記コンデンサ及び前記抵抗で定まる時定数は、微分出力電圧が前記第二のトランジスタの駆動端子閾値電圧よりも高くなる期間が、２０〜２００ｎｓｅｃとなるように時定数が設定されている請求項６記載のスイッチング電源装置。
【請求項１】
回路素子を実装して電子回路が構成される基板に同心状に形成された複数のコイルパターンと、前記複数のコイルパターンに近接配置されたコアとを備えたスイッチング電源用信号伝達トランスにおいて、
前記コアは、底板部と前記底板部の左右側端から前記底板部に対して垂直方向に立設した一対の脚部とで成るＵ字形状に形成され、
前記一対の脚部は、同心状に配置された前記複数のコイルパターンの巻線中心及び巻線外側に形成された一対の挿通孔に各々挿入され、
前記コアの磁気回路は、前記コア内及び前記一対の脚部の間の空間を介して形成されることを特徴とするスイッチング電源用信号伝達トランス。
【請求項２】
前記一対の脚部は、前記基板の表面側から前記挿通孔に挿入され、その先端部が前記基板の裏面側から突出し、
前記コアの磁気回路は、前記コア内及び前記一対の脚部の先端部間の空間を介して形成される請求項１記載のスイッチング電源用信号伝達トランス。
【請求項３】
前記コイルパターンの巻線外側に形成された挿通孔を、基板の端部に設けた切り欠き部分、又は、基板の内側部の前記回路素子実装用透孔に連続して設けた切り欠き部分により形成した請求項１又は２記載のスイッチング電源用信号伝達トランス。
【請求項４】
前記一対の脚部は、先端の外側角部同士または内側角部同士が一対に面取りされている請求項１乃至３のいずれか記載のスイッチング電源用信号伝達トランス。
【請求項５】
前記コアは、前記基板に実装された回路素子をリフローはんだ付けする時の加熱によって硬化した熱硬化型接着剤を介して前記基板に接着固定された請求項１乃至４のいずれか記載のスイッチング電源用信号伝達トランス。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか記載のスイッチング電源用信号伝達トランスを備え、駆動端子とグランド端子間の電圧に応じてオン・オフ動作する第一のトランジスタ素子と、前記第一のトランジスタ素子のオンのタイミングを示すタイミング信号を出力する制御回路とを有し、前記第一のトランジスタ素子のグランド端子の電位と前記制御回路のグランド電位とが異なるものであり、コンデンサと抵抗で構成され、前記制御回路の出力したタイミング信号を微分する微分回路と、駆動端子及びグランド端子が前記微分回路の出力両端に各々接続された第二のトランジスタ素子と、入力巻線と出力巻線とを有し、前記入力巻線が直流電源と前記第二のトランジスタ素子の能動端子との間に接続された前記スイッチング電源用信号伝達トランスである絶縁トランスと、前記出力巻線にハイレベルの電圧が発生したタイミングで前記第一のトランジスタ素子をオンさせる駆動回路と、で構成されたタイミング信号伝達回路を備え、前記制御回路が出力するタイミング信号は、前記第一のトランジスタ素子をオンさせようとするタイミングでローレベルからハイレベルに反転する矩形波電圧であり、前記第二のトランジスタ素子は、前記微分回路の出力が自身の駆動端子閾値電圧を超えたときにオンし、そのオン期間に前記出力巻線にハイレベルを示す矩形波電圧である駆動信号を発生させ、前記駆動回路は、前記駆動信号がハイレベルの期間が経過した後の所定の期間、前記第一のトランジスタ素子を継続してオンさせることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項７】
前記微分回路の前記コンデンサ及び前記抵抗で定まる時定数は、微分出力電圧が前記第二のトランジスタの駆動端子閾値電圧よりも高くなる期間が、２０〜２００ｎｓｅｃとなるように時定数が設定されている請求項６記載のスイッチング電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２３４９４（Ｐ２０１１−２３４９４Ａ）
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６６３４８（Ｐ２００９−１６６３４８）
【出願日】平成２１年７月１５日（２００９．７．１５）
【出願人】（０００１０３２０８）コーセル株式会社 (80)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月１５日（２００９．７．１５）
【出願人】（０００１０３２０８）コーセル株式会社 (80)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]