複合トランスモジュール
【課題】スイッチング電源の効率・放熱性を高め、高周波ＥＭＩノイズを抑制し、高速応答制御回路、同期整流器駆動回路、保護回路を備えた高機能なスイッチング電源を簡単、且つ安価に構成できるようにする。
【解決手段】複合トランスモジュール１２は、１組のコア１８Ｔ，１８Ｂ、ボビン２０、ボビン２０に設けられた電力伝送トランス部１４、及び多層基板１３を備えている。多層基板１３は、信号伝送トランス部１５Ｌ，１５Ｒ、１次信号処理回路１７、及び２次信号処理回路２２を有する。多層基板１３にはコア１８Ｔ，１８Ｂのコア脚を挿通させるコア脚挿通用孔が形成されている。さらに、多層基板１３には、ボビン２０の複数の接続端子２３を多層基板１３に実装するための複数の接続端子挿通孔２１が形成されている。多層基板１３の下面に突出するボビン２０の接続端子２３は、複合トランスモジュール１２をマザーボードへ実装するための接続端子を兼ねる。
【解決手段】複合トランスモジュール１２は、１組のコア１８Ｔ，１８Ｂ、ボビン２０、ボビン２０に設けられた電力伝送トランス部１４、及び多層基板１３を備えている。多層基板１３は、信号伝送トランス部１５Ｌ，１５Ｒ、１次信号処理回路１７、及び２次信号処理回路２２を有する。多層基板１３にはコア１８Ｔ，１８Ｂのコア脚を挿通させるコア脚挿通用孔が形成されている。さらに、多層基板１３には、ボビン２０の複数の接続端子２３を多層基板１３に実装するための複数の接続端子挿通孔２１が形成されている。多層基板１３の下面に突出するボビン２０の接続端子２３は、複合トランスモジュール１２をマザーボードへ実装するための接続端子を兼ねる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力伝送トランス部及び信号伝送トランス部を備えたトランスと、信号処理回路部とがモジュールとして一体形成された、複合トランスモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多層基板に形成された導体パターンをコイルとするトランスと、スイッチング電源回路とが一体化されたスイッチング電源モジュールが特許文献１に開示されている。
【０００３】
図１（Ａ）は、特許文献１に関するスイッチング電源モジュールの一例を示す図である。このスイッチング電源モジュール１は、その回路基板２にスイッチング電源回路３が構成されている。スイッチング電源回路３は、トランス４と複数の回路構成部品５と、回路基板２に形成された配線パターン（不図示）とで構成されている。回路構成部品５は、ＩＣチップ、コンデンサ素子、スイッチング素子、整流素子等である。その他に、このスイッチング電源モジュール１をマザーボードに接続するための接続用端子６が設けられている。
【０００４】
トランス４は、回路基板２に形成されたコイルパターン７と、１対のコア８とで構成されている。回路基板２は複数の導体層が積層形成された積層体であり、１次コイルとなるコイルパターン及び２次コイルとなるコイルパターンが回路基板２に形成され、それら複数のコイルパターンがほぼ同軸関係に積層されている。
【０００５】
回路基板２のコイルパターン７の形成領域にはコア脚挿通孔９が開けられている。コア８のコア脚がコア脚挿通孔９に挿入され、１対のコア８が組み合わされて、コイルパターン７に装着されている。図１に示すように、それら１対のコア８は、コイルパターン７の一部分を回路基板２の表裏両側から挟み込む形で装着されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３４１４３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
多層基板に形成された導体パターンをコイルとするトランスと、スイッチング電源回路とが一体化されたスイッチング電源モジュール１には次に述べるような問題がある。
【０００８】
（ａ）トランス４のコイルパターン７における直流抵抗、交流抵抗を低減し、コイルの導通損失を低減するには、回路基板の積層数を多くする必要がある。トランスの１次−２次間の結合度を強くする上でも、多層基板の積層数を増してサンドイッチ構造にすることが有効である。一方、多層基板の積層数を増すと、それにほぼ比例して基板のコストも増加する。コイルパターン７の内層は、コイルパターンを形成するのに使用されているが、回路構成部品５が実装された直下の内層は必ずしも有効利用できない。特に、大型の回路構成部品を多く必要とするスイッチング電源回路では、スイッチング電源回路全体を高価な多層基板に実装することは、コスト削減の観点からは非効率的である。
【０００９】
（ｂ）一体型スイッチング電源モジュール１に実装された回路構成部品５のマザーボードに対する熱抵抗が大きいので、回路構成部品５の放熱性に問題が生じる場合がある。一体型スイッチング電源モジュール１が部品の発熱を、主にマザーボードに放熱する構造の場合、伝熱経路としては、回路基板２から接続用端子６を介してマザーボードへ放熱する経路が支配的である。しかし、この一体型スイッチング電源モジュール１を構成する回路基板２の基材は熱抵抗が比較的大きく、回路構成部品５とマザーボードとの伝熱経路の距離も長いことから、回路構成部品５の放熱性が悪い。特に、この一体型スイッチング電源モジュール１が扱う電力が大きい場合には、トランスのコイルパターン７やスイッチング素子などの回路構成部品５の発熱が非常に大きくなり、一体型スイッチング電源モジュール１の効率が低下したり、一体型スイッチング電源モジュール１の使用温度範囲を狭めたりすることになる。
【００１０】
（ｃ）一体型スイッチング電源モジュール１の回路基板２を構成する多層基板では、各両面基板間の絶縁部分に一定値以上の厚さのプリプレグを挟んで積層しないと、絶縁部分にボイドが生じて信頼性が確保できない。そのため、コイルパターン７を形成する導体層の厚さに対する絶縁層の厚さの比率を大きくする必要がある。トランスコイルの直流抵抗を低減するには、コアの窓枠の中に、コイル導体部が占める比率（占積率）を高くする必要があるが、多層基板で形成したプリントコイルは、薄型構造であるため表皮効果の影響が小さく高周波のスイッチング動作において導通損失を低減できる利点があるものの、前述の理由により、巻線で形成したコイルより占積率が劣る傾向があり、コイルの直流抵抗を十分に低くできないという問題がある。
【００１１】
（ｄ）更に、多層基板に導体パターンで形成した積層コイルから成るトランスでは、基板の信頼性を確保するための最小パターン幅及び最小パターン間隔が規定され、かつ、積層数が多層基板のコストに大きく影響することから、巻き数の極端に多い（例えば１００ターン以上の）コイルを形成することが難しい。このため、昇圧比又は降圧比が極端に大きいスイッチング電源では、基板の導体パターンでコイルを形成するプリントコイルでトランスを形成することは困難である。
【００１２】
（ｅ）トランスの特性に関しては、次に述べる問題がある。図１（Ｂ）はトランスの巻線構造の一例を示す断面図である。一般的に、図１（Ｂ）のような１次コイル巻線１０と２次コイル巻線１１を繰り返し積層した構造のトランスでは、各巻線間に図１（Ｂ）に示す寄生容量Ｃｓが生じる。この各巻線間の寄生容量Ｃｓの合成容量が、１次コイルと２次コイルの間に接続されたのと等しくなる。そのため、各巻線間の寄生容量Ｃｓは、高周波・高速スイッチング動作において、トランスの１次−２次間を流れるノイズ電流が増大し、寄生容量の短絡損失や、高周波ＥＭＩノイズ発生の要因となる。図１（Ａ）に示したトランス４のように、複数のコイルパターン７が平行に配置されたコイルは、コイルボビンに巻線した巻線型のコイルに比べて巻線間の寄生容量Ｃｓが大きい問題がある。例えば、巻線型のコイルに比べて１０倍程度の寄生容量を備える。
【００１３】
（ｆ）その他の問題として、スイッチング電源の回路をマザーボード上に形成した方が従来例の一体型スイッチング電源モジュール１を購入するより安価な場合には、マザーボード上にスイッチング電源回路を構成するが、そのような場合、スイッチング電源を専門としない技術者が設計することがある。スイッチング電源の設計には、電力変換回路や制御回路以外にも保護回路や熱設計、ノイズ対策等の技術が必要であり、絶縁型スイッチング電源ではさらにトランスの設計が必要となり、同期整流器の最適なタイミングでの駆動も難易度が高い。したがって、専門外の技術者では、高効率、高速応答性を備える高機能なスイッチング電源を設計するのは困難であるという問題が生ずる。
【００１４】
この発明の目的は、上述の各種課題を解決した複合トランスモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明の複合トランスモジュールは、上述の各種課題を決するために次のように構成する。
（１）１組の嵌め合わされたコアと、１次−２次間で電力を伝送する電力伝送トランス部と、当該電力伝送トランス部とは実質的に独立して１次−２次間で信号を伝送する信号伝送トランス部と、を備え、
前記信号伝送トランス部は、前記コアの磁脚を貫通させた多層基板及び当該多層基板に形成されたコイルパターンで構成され、信号伝送トランス部の入出力信号を処理する信号処理回路部が前記多層基板に実装され、前記複合トランスと信号処理回路部とがモジュールとして一体形成されたことを特徴とする。
【００１６】
（２）例えば前記信号処理回路部は、トランスの１次側に設けられた１次信号処理回路と、トランスの２次側に設けられた２次信号処理回路とで構成される。
【００１７】
（３）例えば前記コアは、中脚部及び外脚部を含む少なくとも４本以上の磁脚を有する。
【００１８】
（４）例えば前記コアの中脚部の外周に電力伝送トランス部の１次コイル及び２次コイルが巻回され、前記電力伝送トランス部の外側に少なくとも３本以上の外脚部が形成されている。
【００１９】
（５）例えば前記電力伝送トランス部の１次コイル及び２次コイルは、前記中脚が貫通するボビンに巻回された銅線で構成され、前記ボビンに前記多層基板が接合される。
【００２０】
（６）例えば前記電力伝送トランス部の１次コイル及び２次コイルは、前記多層基板に形成された、前記中脚の周囲を巻回するコイルパターンで構成されたものである。
【００２１】
（７）例えば前記多層基板に、前記中脚の周囲を巻回する信号処理回路電源用のコイルパターンが形成され、前記信号処理回路電源用のコイルパターンに誘起される電圧を整流平滑して前記信号処理回路へ電源電圧を供給する整流平滑回路が備えられている。
【００２２】
（８）例えば前記電力伝送トランス部の１次コイルへの印加電圧をスイッチングする１次電力スイッチを制御する回路を備えて、前記複合トランスモジュールが絶縁型スイッチング電源の一部を構成する。
【００２３】
（９）例えば前記２次信号処理回路は、前記絶縁型スイッチング電源の出力電圧又は出力電流との相関性のある信号を２次側から１次側に送信する機能を備え、前記１次信号処理回路は、前記出力電圧又は出力電流との相関性のある信号を受信し、前記出力電圧又は出力電流が目標値に漸近するように１次電力スイッチの駆動信号幅を制御するパルス幅制御機能と、前記１次電力スイッチの駆動信号を出力する手段とを備える。
【００２４】
（１０）例えば前記絶縁型スイッチング電源回路は、１次側に前記１次電力スイッチとは駆動信号の基準電位が異なるハイサイド電力スイッチを備え、前記１次信号処理回路は、前記１次電力スイッチの駆動タイミングと関連した前記ハイサイド電力スイッチの駆動信号をモジュールから出力する手段を備える。
【００２５】
（１１）例えば１次信号処理回路は同期整流器の駆動タイミングと関連する信号を１次側から２次側に送信する機能を備え、２次信号処理回路は前記同期整流器の駆動タイミングと関連する信号を受信して、同期整流器の駆動信号を形成してモジュールから出力することを特徴とする。
【００２６】
（１２）例えば、前記信号処理回路は、前記電力伝送トランス部の１次コイル又は２次コイルの過電流状態、前記電力伝送トランス部の過熱状態、絶縁型スイッチング電源の入力電圧の低電圧状態、絶縁型スイッチング電源の入力電圧の過電圧状態、絶縁型スイッチング電源の出力電圧の低電圧状態、絶縁型スイッチング電源の出力電圧の過電圧状態の少なくとも何れかの異常状態を検出する検出回路を備え、
前記検出回路が異常動作を検出すると、前記１次電力スイッチのデューティの低減、スイッチング動作の停止、又はヒカップ動作、の何れかを行うことで前記絶縁型スイッチング電源を保護する異常動作保護手段を備える。
【発明の効果】
【００２７】
この発明によれば、次のような効果を奏する。
トランスに巻線型コイルを用いることで積層型コイルに比べて占積率を大きくすることができるため、直流抵抗を低減し、コイルの導通損失を低減することが容易であり、それに伴うトランスのコストアップも抑えることができる。直流抵抗による導通損失が主体となる用途では、コイル部を巻線で形成した方が低損失化に有利である。
【００２８】
巻線型コイルには積層型コイルのようなパターンの制約がないため、巻数を極端に大きく、または小さくすることも可能であり、大きな昇圧比又は降圧比を実現することができ、設計上の自由度が高い。
【００２９】
巻線型コイルでは、積層型コイルに比べて、巻線間の寄生容量が小さいため、高周波・高速スイッチング動作において、トランスの１次−２次間を流れるノイズ電流や寄生容量の短絡損失を低減することができ、高周波ＥＭＩノイズ抑制や効率といったスイッチング電源モジュールの特性を改善できる。
【００３０】
複合トランスモジュールとマザーボードとはそれぞれ別の回路基板で構成することができる。そのため、回路構成部品が実装されるマザーボードに、例えば低コストの紙フェノール基板や、積層数の少ないガラスエポキシ基板を用いれば、基板コストが低くなり、スイッチング電源全体としての製造コストが低減できる。また、電力変換回路部品の放熱性を重視する場合は、アルミ基板などの高放熱性基板をマザーボードに用いて電力変換回路部品を実装し、マザーボードをヒートシンクに密着させる放熱方法を採ることもできる。
【００３１】
スイッチング電源の回路をマザーボード上に形成した方が従来例の一体型スイッチング電源モジュールを購入するより安価な場合においても、トランスの代わりに前記複合トランスモジュールを電源専門のベンダーから購入してマザーボードに実装し、前記複合トランスモジュールの周辺に電力変換回路部品や入出力フィルタ部品を実装すれば、高効率・高速応答といった高機能のスイッチング電源を簡単且つ安価に構成できる。マザーボードの設計者は、高度な専門技術を必要とする高速応答制御回路、同期整流器駆動回路、保護回路の設計やトランスの設計を省くことができ、前記マザーボードに電力変換回路部品や平滑回路を実装して熱設計を行うだけでよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１（Ａ）は、特許文献１に開示されているスイッチング電源モジュールの一例を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る複合トランスモジュール１２の分解斜視図である。
【図３】図３（Ａ），図３（Ｂ）は、多層基板１３の異なる二つの面（層）での平面図である。
【図４】図４（Ａ）は信号伝送トランス部の磁路、図４（Ｂ）は電力伝送トランス部の磁路をそれぞれ示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る複合トランスモジュールのトランス部分の等価回路図である。
【図６】第２の実施形態に係る複合トランスモジュール２４の分解斜視図である。
【図７】図７（Ａ），図７（Ｂ）は、多層基板１３の異なる二つの面（層）での平面図である。
【図８】図８（Ａ）は信号伝送トランス部の磁路、図８（Ｂ）は電力伝送トランス部の磁路をそれぞれ示す図である。
【図９】第２の実施形態に係る、複合トランスモジュール２４を備えたスイッチング電源モジュールの斜視図である。
【図１０】スイッチング電源モジュール３０１の回路図である。
【図１１】スイッチング電源モジュール３０１の各部の波形図である。
【図１２】第３の実施形態に係る、複合トランスモジュールを備えたスイッチング電源モジュール３０２の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
《第１の実施形態》
第１の実施形態に係る複合トランスモジュールについて図２〜図５を参照して説明する。
図２は第１の実施形態に係る複合トランスモジュール１２の分解斜視図である。複合トランスモジュール１２は、それぞれＥ型の１組のコア１８Ｔ，１８Ｂ、ボビン２０、ボビン２０に設けられた電力伝送トランス部１４、及び多層基板１３を備えている。
【００３４】
多層基板１３は、１次−２次間で信号を伝送する信号伝送トランス部１５Ｌ，１５Ｒ、１次信号処理回路１７、及び２次信号処理回路２２を有する。また、多層基板１３にはコア１８Ｔ，１８Ｂのコア脚を挿通させるコア脚挿通孔１９Ｃ，１９Ｌａ，１９Ｌｂ，１９Ｒａ，１９Ｒｂが形成されている。さらに、多層基板１３には、ボビン２０の複数の接続端子２３を多層基板１３に実装するための複数の接続端子挿通孔２１が形成されている。この多層基板１３にボビン２０を実装した状態で、多層基板１３の下面に突出するボビン２０の接続端子２３は、複合トランスモジュール１２をマザーボードへ実装するための接続端子でもある。
【００３５】
電力伝送トランス部１４の１次コイルと２次コイルは銅線の巻線であり、互いに絶縁状態でボビン２０に巻回されている。ボビン２０の孔Ｈにはコア１８Ｔ，１８Ｂの中脚１８ＴＣ，１８ＢＣが挿通される。
【００３６】
信号伝送トランス部１５Ｌは、コア１８Ｂの外脚１８ＢＬａ，１８ＢＬｂが挿通するコア脚挿通孔１９Ｌａ，１９Ｌｂの周囲に形成されている。同様に、信号伝送トランス部１５Ｒは、コア１８Ｂの外脚１８ＢＲａ，１８ＢＲｂが挿通するコア脚挿通孔１９Ｒａ，１９Ｒｂの周囲に形成されている。
【００３７】
１次信号処理回路１７はトランスの１次側に設けられていて、２次信号処理回路２２はトランスの２次側に設けられている。多層基板１３にはコア１８Ｂの中脚１８ＢＣが挿通するコア脚挿通孔１９Ｃの周囲を巻回する、信号処理回路電源用のコイルパターンが形成されている。多層基板１３には、信号処理回路電源用のコイルパターンの出力を整流平滑した電力で前記信号処理回路１７，２２を駆動する整流平滑回路が設けられている。
【００３８】
複合トランスモジュール１２は、電力伝送トランス部１４が設けられたボビン２０が多層基板１３に実装され、コア１８Ｔの中脚１８ＴＣがボビン２０の孔Ｈに挿入され、多層基板１３のコア脚挿通孔１９Ｃ，１９Ｌａ，１９Ｌｂ，１９Ｒａ，１９Ｒｂにコア１８Ｂが挿入され、さらに、コア１８Ｔと１８Ｂとを接合状態で固定するコア固定枠（不図示）が取り付けられることによって構成される。
【００３９】
図３（Ａ），図３（Ｂ）は、多層基板１３の異なる二つの面（層）での平面図である。また、図４（Ａ）は信号伝送トランス部の磁路、図４（Ｂ）は電力伝送トランス部の磁路を示している。図３（Ａ），図３（Ｂ）には、コア１８Ｂの外脚１８ＢＬａ，１８ＢＬｂ，１８ＢＲａ，１８ＢＲｂの断面が表れている。
【００４０】
図３（Ａ）に表れている、多層基板１３の面（層）には、外脚１８ＢＬｂと外脚１８ＢＬａの周囲に反対方向に１ターンずつ巻かれたコイル１０２ａ，１０２ｃがビア電極１０２ｂを介して直列接続されている。外脚１８ＢＬｂと外脚１８ＢＬａはコアの中脚からの距離が等しく、断面積も同じであるため、電力伝送トランスによって外脚１８ＢＬｂ，１８ＢＬａを透過する磁束の変化によってコイル１０２ａ，１０２ｃに誘起される電圧は互いに逆極性で且つ同一電圧値であるので相殺される。このことによって、コイル１０２ａ，１０２ｃの出力端ａ−ｂには電力伝送トランスによる電圧が現れない。
【００４１】
また、図３（Ｂ）に表れている、多層基板１３の面（層）には、外脚１８ＢＬｂと外脚１８ＢＬａの周囲に反対方向に１ターンずつ巻かれたコイル１０４ａ，１０４ｃがビア電極１０４ｂを介して直列接続されている。外脚１８ＢＬｂと外脚１８ＢＬａはコアの中脚からの距離が等しく、断面積も同じであるため、電力伝送トランスによって外脚１８ＢＬｂ，１８ＢＬａを透過する磁束の変化によってコイル１０４ａ，１０４ｃに誘起される電圧は互いに逆極性で且つ同一電圧値であるので相殺される。このことによって、コイル１０４ａ，１０４ｃの出力端ｃ−ｄには電力伝送トランスによる電圧が現れない。
【００４２】
一方、前記コイル１０２ａ，１０２ｃとコイル１０４ａ，１０４ｃは外脚１８ＢＬｂ，１８ＢＬａを介して磁気的に結合しているので、コイル１０２ａ，１０２ｃを例えば１次コイル、コイル１０４ａ，１０４ｃを２次コイルとする信号伝送トランスとして作用する。
【００４３】
以上に述べたことは、もう一方の外脚１８ＢＲｂ，１８ＢＲａについてもあてはまる。すなわち、図３（Ａ）に表れている、多層基板１３の面（層）には、外脚１８ＢＲｂと外脚１８ＢＲａの周囲に反対方向に１ターンずつ巻かれたコイル１０５ａ，１０５ｃがビア電極１０５ｂを介して直列接続されている。外脚１８ＢＲｂと外脚１８ＢＲａはコアの中脚からの距離が等しく、断面積も同じであるため、電力伝送トランスによって外脚１８ＢＲｂ，１８ＢＲａを透過する磁束の変化によってコイル１０５ａ，１０５ｃに誘起される電圧は互いに逆極性で且つ同一電圧値であるので相殺される。このことによって、コイル１０５ａ，１０５ｃの出力端ｋ−ｍには電力伝送トランスによる電圧が現れない。
【００４４】
また、図３（Ｂ）に表れている、多層基板１３の面（層）には、外脚１８ＢＲｂと外脚１８ＢＲａの周囲に反対方向に１ターンずつ巻かれたコイル１０６ａ，１０６ｃがビア電極１０６ｂを介して直列接続されている。外脚１８ＢＲｂと外脚１８ＢＲａはコアの中脚からの距離が等しく、断面積も同じであるため、電力伝送トランスによって外脚１８ＢＲｂ，１８ＢＲａを透過する磁束の変化によってコイル１０６ａ，１０６ｃに誘起される電圧は互いに逆極性で且つ同一電圧値であるので相殺される。このことによって、コイル１０６ａ，１０６ｃの出力端ｉ−ｊには電力伝送トランスによる電圧が現れない。
【００４５】
一方、前記コイル１０５ａ，１０５ｃとコイル１０６ａ，１０６ｃは外脚１８ＢＲｂ，１８ＢＲａを介して磁気的に結合しているので、コイル１０５ａ，１０５ｃを例えば１次コイル、コイル１０６ａ，１０６ｃを２次コイルとする信号伝送トランスとして作用する。
【００４６】
図５は、第１の実施形態に係る複合トランスモジュールのトランス部分の等価回路図である。このように、第１の実施形態では、一つの電力伝送トランス部１４、二つの信号伝送トランス１５Ｌ，１５Ｒを備えた複合トランスモジュールとして利用できる。
【００４７】
前記多層基板１３に構成されている２次信号処理回路２２は、例えば電力伝送トランス部１４の２次側の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、信号伝送トランス部１５を利用して電力伝送トランス部の１次側または２次側を制御する制御回路とを備えている。このことにより、入力電圧や出力電流の過渡変動に対して高速応答する、出力電圧の安定化制御を実現できる。
【００４８】
また、複合トランスモジュール１２に、信号伝送トランス部１５を介して最適な同期整流器の駆動タイミングを指示する機能を備え、複合トランスモジュール１２から１次電力スイッチ素子のゲート駆動信号と同期整流器のゲート駆動信号を出力するようにしておけば、電力変換回路部品を前記複合トランスモジュール１２の周辺に実装するだけで、最適なタイミングで同期整流器を駆動することができ、高効率なスイッチング電源装置を容易に構成できる。
【００４９】
また、信号処理回路１７、２２に電力伝送トランス部１４の過電流状態や過熱状態などの異常動作を検出する機能と異常動作を検出した場合に１次電力スイッチ素子にスイッチング動作を停止させる指示を出す機能を備えておくことで保護機能を備えてもよい。
【００５０】
第１の実施形態において、複合トランスモジュール１２の構成要素である電力伝送トランス部１４の占積率を大きくすれば、直流抵抗、交流抵抗を低減し、コイルの導通損失を低減できるとともに、面接触によるコイルの放熱性を高めることができる。
【００５１】
また、第１の実施形態では電力伝送用トランス部に巻線型コイルを用いたので、巻線間の寄生容量が小さく、高周波・高速スイッチング動作時の、トランスの１次−２次間を流れるノイズ電流や寄生容量の短絡損失を低減することができ、高周波ＥＭＩノイズ抑制や効率といったスイッチング電源の特性を改善することができる。また、巻線の巻数を変えることが容易であるため、複合トランスモジュールを購入して、マザーボードに実装し、スイッチング電源を設計する設計者の意図する昇圧比、もしくは降圧比を作り出すことが容易であり、高速応答制御回路、同期整流器駆動回路、保護回路の設計やトランスの設計を省くことができる。そのため、スイッチング電源の設計に要する工数とコストを削減できる。
【００５２】
《第２の実施形態》
第２の実施形態に係る複合トランスモジュールについて図６〜図１１を参照して説明する。
図６は第２の実施形態に係る複合トランスモジュール２４の分解斜視図である。複合トランスモジュール２４は、Ｉ型のコア１８Ｔ、Ｅ型のコア１８Ｂ、多層基板１３、及び放熱シート２５を備えている。
【００５３】
第２の実施形態では、電力伝送トランス部１４としてボビンに銅線を巻いた巻線型トランスではなく、多層基板１３に１次コイルと２次コイルが導体パターンで形成された積層型のトランスを用いている。この第２の実施形態例では、第１の実施形態例と同一名称部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
【００５４】
多層基板１３の裏面とコア１８Ｂとの間に放熱シート２５を挟み込むことで、複合トランスモジュール２４の放熱効果を高めている。また、多層基板１３には、複合トランスモジュール２４をマザーボードに実装するための接続端子２６を備えている。
【００５５】
図７（Ａ），図７（Ｂ）は、多層基板１３の異なる二つの面（層）での平面図である。また、図８（Ａ）は信号伝送トランス部の磁路、図８（Ｂ）は電力伝送トランス部の磁路を示している。図７（Ａ），図７（Ｂ）には、コア１８Ｂの中脚１８ＢＣ、外脚１８ＢＬａ，１８ＢＬｂ，１８ＢＲａ，１８ＢＲｂの断面が表れている。
【００５６】
図７（Ａ）に表れている、多層基板１３の面（層）には、中脚１８ＢＣが挿通されるコア挿通孔の周囲にコイル１０１ａが形成されている。コイル１０１ａの両端は出力端ｅ−ｆに引き出されている。
【００５７】
図７（Ｂ）に表れている、多層基板１３の面（層）には、中脚１８ＢＣが挿通されるコア挿通孔の周囲にコイル１０３ａが形成されている。コイル１０３ａの両端は出力端ｇ−ｈに引き出されている。
【００５８】
前記コイル１０１ａとコイル１０３ａは中脚１８ＢＣを介して磁気的に結合しているので、コイル１０１ａを例えば１次コイル、コイル１０３ａを２次コイルとする電力伝送トランスとして作用する。
【００５９】
図９は第２の実施形態に係る複合トランスモジュール２４を備えたスイッチング電源モジュールの斜視図である。図８に示した複合トランスモジュール２４が高放熱性基板２７に実装されてスイッチング電源モジュール３０１が構成されている。高放熱性基板２７には、スイッチング電源回路を構成する上で必要なスイッチ素子２８や入出力フィルタ２９などの回路構成部品が実装されている。複合トランスモジュール２４は、その接続端子２６によって高放熱性基板２７の表面に実装される。また、高放熱性基板２７には、スイッチング電源モジュール３０１をマザーボードに接続するための複数の接続端子３１を備えている。
【００６０】
図１０はスイッチング電源モジュール３０１の回路図、図１１はその各部の波形図である。
このスイッチング電源モジュール３０１には、第２の実施形態で示した構造の複合トランスモジュール２４によって、図１０に示す第１の信号伝送トランス部１５Ｌ、第２の信号伝送トランス部１５Ｒ、電力伝送トランス部１４を構成している。第１の信号伝送トランス部１５Ｌは１次コイル１５Ｌｐと２次コイル１５Ｌｓを含み、第２の信号伝送トランス部１５Ｒは１次コイル１５Ｒｐと２次コイル１５Ｒｓを含み、電力伝送トランス部１４は１次コイル１４ｐ、２次コイル１４ｓ、および補助コイル１４ｔを含んでいる。
【００６１】
ここで、直流入力電源の＋入力端子１１５、直流入力電源の−入力端子１１６、平滑コンデンサ１１７，１２２、電力スイッチ１１８、同期整流器１１９，１２０、チョークコイル１２１、絶縁型スイッチング電源の＋出力端子１２３、絶縁型スイッチング電源の−出力端子１２４によって電力変換回路を構成している。
【００６２】
また、マルチバイブレータ１２５、抵抗１２６，１２８，１３５，１４２，１４６，１４８，１４９、ダイオード１２７，１３３，１３４，１３９，１４４、インバータ１２９，１３０、コンデンサ１３１，１３８，１４３，１４５、ＡＮＤゲート１３２、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３６，１３７、ＮＯＲゲート１４０、コンパレータ１４１、基準電圧源１４７によって制御回路を構成している。
【００６３】
この絶縁型スイッチング電源は、一石共振リセットフォワードコンバータである。＋入力端子１１５，−入力端子１１６の間に加わる直流入力電圧を、平滑コンデンサ１１７で平滑した後、電力伝送トランス部１４の１次コイル１４ｐを介して接続した電力スイッチ１１８でスイッチングさせて交流に変換する。
【００６４】
図１０では表れていないが、多層基板の中脚部の周囲を巻回する位置に、信号処理回路に対する電源用のコイルパターンが形成されていて、この電源用のコイルパターンに誘起される電圧を整流平滑して信号処理回路へ電源電圧を供給する整流平滑回路を備えている。
【００６５】
転流用の同期整流器１２０を制御するための構成（補助コイル１４ｔ、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３７、第１の信号伝送トランス部１５Ｌ，ダイオード１３３）は特開２０００−２６２０５１に開示されているように公知である。これは転流用の同期整流器１２０をオフさせるためのＭＯＳ−ＦＥＴ１３７を制御する信号の伝送にパルストランスを１つ用いるものであり、ここでは第１の信号伝送トランス部１５Ｌをパルストランスとして用いている。
【００６６】
なお、電力伝送トランス部１４は、１次コイル１４ｐ、２次コイル１４ｓ以外に補助コイル１４ｔを備えているが、この補助コイル１４ｔは、図７に示したコイル１０１ａ，１０３ａ以外に、これらと同様にして別のコイル配線を設けたものである。
【００６７】
ところで、１次側のスイッチング素子である電力スイッチ１１８のオン・オフ制御は１次側に設けた制御回路で行う。この際の出力電圧の検出および制御方法には、トランスに設けた補助巻線の電圧を利用する間接制御型や２次側に出力電圧検出回路を設けてフォトカプラを介して１次側にフィードバックする直接制御型がある。間接制御型は出力電圧の検出精度が良くないという問題がある。直接制御型はフォトカプラを使うので使用温度条件が限られるという問題がある。さらに両者ともに、出力電圧の変動に対する応答性が悪いという問題がある。
【００６８】
一方、応答性の良いスイッチング電源装置としてヒステリシス制御のスイッチング電源装置がある。
ヒステリシス制御は出力電圧と基準電圧をコンパレータで比較するので２次側に制御回路を備える必要があるが、２次側に電圧の発生していない起動時にその制御回路を動作させる電源が別途必要になるという問題がある。
【００６９】
上記各問題の解決策として、起動時におけるソフトスタート時には１次側がスイッチング素子のオンオフタイミングを規定しつつ徐々にパルス幅を広げ、出力電圧が目標値に到達するとスイッチング素子のオフタイミングの信号を、２次側からパルストランスを介して１次側に伝達してスイッチング素子をオフさせ、スイッチング素子のオンタイミングは１次側制御回路が固定周期で規定するという制御方法（オンタイミングの信号を２次側から１次側に伝送し、オフタイミングを１次側制御回路が規定しても良い。）を本出願人は国際公開ＷＯ２００７／０１８２２７にて出願している。これはヒステリシス制御を絶縁型に適用したコンバータであるために応答性が良く、しかも起動時は２次側からの信号がなくても動作するので２次側に制御回路の起動時用の電源が不要になる。
【００７０】
図１０に示す例では、２次側から出力電圧と基準電圧との比較に基づいた電力スイッチ１１８のオフタイミング信号を第２の信号伝送トランス部１５Ｒを介して１次側に伝達するように構成している。
【００７１】
図１１において、（ａ）は電力スイッチ１１８のドレイン電圧、（ｂ）は電力スイッチ１１８のドレイン電流、（ｃ）は電力スイッチ１１８のゲート電圧、（ｄ）はマルチバイブレータ１２５の出力電圧、（ｅ）は第２信号伝送トランス部１５Ｒの１次コイル１５Ｒｐの電圧、（ｆ）はＡＮＤゲート１３２の出力電圧、（ｇ）は第１信号伝送トランス部１５Ｌの２次コイル１５Ｌｓの電圧、（ｈ）は同期整流器１２０のゲート電圧、（ｉ）はコンパレータ１４１の一方の入力電圧、（ｊ）はコンパレータ１４１の他方の入力電圧である。
【００７２】
以下、この図１１も参照して回路動作について説明する。
電力スイッチ１１８のオン期間に、前記交流を電力伝送トランス部１４が、その１次コイル１４ｐから２次コイル１４ｓへ伝送し、整流側同期整流器１１９、転流側同期整流器１２０で整流した後、チョークコイル１２１、平滑コンデンサ１２２で構成する出力フィルタで平滑することで、交流を直流に変換して、＋出力１２３，−出力１２４から直流電圧を出力する。
【００７３】
電力スイッチ１１８のオフ後、電力伝送トランス部１４の励磁インダクタンスと電力スイッチ１１８の等価的な並列寄生容量とがＬＣ共振してトランスがリセットされる（図１１（ａ）（ｂ）参照)。
【００７４】
トランスのリセット完了後の電力スイッチ１１８のオフ期間においては、トランス励磁電流が電力伝送トランス部１４の２次コイル１４ｓ→同期整流器１２０→同期整流器１１９の寄生ダイオードのループで還流するので、電力伝送トランス部１４の両端電圧がゼロボルトにクランプされ、電力スイッチ１１８のドレイン電圧は入力電圧にクランプされる。
上記のサイクルを繰り返して電力変換を行う。
【００７５】
上記制御回路内のマルチバイブレータ１２５は固定周波数で発振動作する（図１１（ｄ）参照）。マルチバイブレータ１２５のオンタイミングにはＭＯＳ−ＦＥＴ１３６のドレイン電圧もハイレベルであることから、マルチバイブレータ１２５のオンと同時にＡＮＤゲート１３２の出力もハイレベルとなる（図１１（ｆ）参照）。
【００７６】
ＡＮＤゲート１３２がオンすると、第１の信号伝送トランス部１５Ｌの１次コイル１５Ｌｐを通して電力スイッチ１１８のゲートが充電される（図１１（ｃ）参照）。このとき発生するパルス信号が第１の信号伝送トランス部１５Ｌの１次コイル１５Ｌｐから２次コイル１５Ｌｓに伝送されＭＯＳ−ＦＥＴ１３７がオンする（図１１（ｇ）参照)。ＭＯＳ−ＦＥＴ１３７がオンすると、転流側同期整流器１２０のゲート蓄積電荷が放電されてオフする（図１１（ｈ）参照)。
【００７７】
電力スイッチ１１８は、そのゲート充電経路に第１の信号伝送トランス部１５Ｌの１次コイル１５Ｌｐがあることで、一定時間の遅れをともなってオンする。この動作により、電力スイッチ１１８のオン直前に転流側同期整流器１２０がオフするので、転流側同期整流器１２０のターンオフ遅れを原因とする短絡電流が発生せず、高効率の電力変換動作が可能になる。
【００７８】
上記制御回路は、入力電圧、出力電流の過渡変化に対して高速応答させるために、PID制御ではなく、コンパレータによるヒステリシス制御を行う。
【００７９】
コンパレータ１４１の反転入力には出力電圧を抵抗１４８，１４９で分圧した電圧を入力し、その非反転入力には、基準電圧源１４７の電圧を抵抗１４６を介して入力している。コンパレータ１４１はこの両者を比較する。
【００８０】
出力電圧にはリップル電圧が重畳されていて、コンパレータ１４１の非反転入力に入力する電圧には抵抗１４２，１４６、コンデンサ１４５によって、上記リップル電圧とは逆の傾きのランプ電圧が重畳されている（図１１（ｉ）参照）。
【００８１】
電力スイッチ１１８のオン期間の途中でコンパレータ１４１の反転入力電圧が非反転入力電圧を上回ると、コンパレータ１４１の出力電圧がローレベルになり、ＮＯＲゲート１４０に入力される（図１１（ｊ）参照）。
【００８２】
ＮＯＲゲート１４０のもう一方の入力は電力スイッチ１１８のオン期間にローレベルになるので、ＮＯＲゲート１４０の出力はローレベルからハイレベルになり、コンデンサ１３８を介して第２の信号伝送トランス部１５Ｒの１次コイル１５Ｒｐに電流が流れてパルス信号が発生する。このパルス信号は第２の信号伝送トランス部１５Ｒの１次コイル１５Ｒｐから２次コイル１５Ｒｓに伝送され、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３６がオンする（図１１（ｅ）参照)。
【００８３】
ＭＯＳ−ＦＥＴ１３６のドレインには、インバータ１２９のオン期間（マルチバイブレータ１２５のオフ期間）にダイオード１３４、抵抗１３５を通して電荷が蓄積されているが、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３６のオンによって、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３６のドレインはハイレベルからローレベルになる。ＭＯＳ−ＦＥＴ１３６のドレインがローレベルになると、ＡＮＤゲート１３２の出力もローレベルになり、ダイオード１３３を介して電力スイッチ１１８のゲート蓄積電荷が放電されて電力スイッチ１１８がオフする。
【００８４】
このようにして、電力スイッチ１１８をオフさせるパルス信号のタイミングを制御することで、電力スイッチ１１８のオン期間を制御する。電力スイッチ１１８のオフ期間の長さは、マルチバイブレータ１２５の発振周期から電力スイッチ１１８のオン期間を引いた値になるので、実質的に２次側の回路が主導してＰＷＭ制御が行われ、出力電圧が安定化される。この制御方法はPID制御のように誤差アンプやフォトカプラに起因する位相遅れがなく、入力電圧、出力電流の過渡変動に起因する出力電圧変動に対して、変動が発生した周期に直ちに応答するパルスバイパルス動作が可能となる。
【００８５】
このように、複合トランスモジュール２４を、導体パターンで形成された積層型トランスで構成することで、スイッチング電源を薄型化できる。高速応答制御回路、同期整流器駆動回路、保護回路の設計やトランスの設計を省くことができ、スイッチング電源の設計に要する工数とコストを削減することができる点は第１の実施形態と同じである。
【００８６】
複合トランスモジュール２４を高放熱性基板２７に実装したスイッチング電源モジュール３０１において、特に発熱の大きな電力変換回路の回路構成部品の放熱性を重視する場合は、高放熱性基板２７としてアルミ基板などの高放熱性基板を用い、その高放熱性基板２７に前記電力変換回路部品を実装し、高放熱性基板２７をヒートシンクに密着させる。この構造によれば高い放熱性が得られる。
【００８７】
なお、スイッチング電源の出力電圧ではなく、出力電流との相関性のある信号を２次側から１次側に送信する機能を備え、１次信号処理回路が出力電流との相関性のある信号を受信し、出力電流が目標値に漸近するように１次電力スイッチの駆動信号幅を制御するパルス幅制御機能を備えてもよい。
【００８８】
また、電力伝送トランス部１４の１次コイル又は２次コイルの過電流状態、電力伝送トランス部１４の過熱状態、スイッチング電源の入力電圧の低電圧状態・過電圧状態、スイッチング電源の出力電圧の低電圧状態・過電圧状態の少なくとも何れかの異常状態を検出する検出回路を備え、異常動作を検出すると、１次電力スイッチのデューティの低減、スイッチング動作の停止、又はヒカップ動作、の何れかを行うことでスイッチング電源を保護する異常動作保護手段を備えてもよい。
【００８９】
《第３の実施形態》
図１２は第３の実施形態に係るスイッチング電源モジュール３０２の回路図である。
このスイッチング電源モジュール３０２には、第２の実施形態で示した構造の複合トランスモジュール２４と基本的に同様の構成によって、図１２に示す第１の信号伝送トランス部２０９、第２の信号伝送トランス部２１０、電力伝送トランス部２０８を構成している。第１の信号伝送トランス部２０９は１次コイル２０９Ａと２次コイル２０９Ｂを含み、第２の信号伝送トランス部２１０は１次コイル２１０Ａと２次コイル２１０Ｂを含み、電力伝送トランス部２０８は１次コイル２０８Ａ、２次コイル２０８Ｂ、および補助コイル２０８Ｃを含んでいる。
【００９０】
このスイッチング電源モジュール３０２は、いわゆるダブルエンド絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（ハーフブリッジコンバータ）を構成している。１次コイル２０８Ａおよび２次コイル２０８Ｂを有する電力伝送トランス部２０８、この電力伝送トランス２０８の１次側に接続される第１の電力スイッチ２０４および第２の電力スイッチ（ハイサイド電力スイッチ）２０５、第１・第２の電力スイッチ２０４，２０５をスイッチング制御する１次側制御回路２８０と、電力伝送トランス部２０８の２次側に接続される第１の同期整流器２１１、第２の同期整流器２１２、チョークコイル２１３を備えている。
【００９１】
また、１次側制御回路２８０からの信号に基づいて第１の電力スイッチ２０４のターンオンおよびターンオフのタイミングにほぼ対応する第１のターンオフエッジ信号および第１のターンオンエッジ信号を発生する第１のエッジ信号発生回路２７１と、１次側制御回路２７０からの信号に基づいて第２の電力スイッチ２０５のターンオンおよびターンオフのタイミングにほぼ対応する第２のターンオフエッジ信号および第２のターンオンエッジ信号を発生する第２のエッジ信号発生回路２７２を備えている。
【００９２】
また、第１のターンオフエッジ信号および第１のターンオンエッジ信号を２次側へ伝送する第１の信号伝送トランス部２０９と、第２のターンオフエッジ信号および第２のターンオンエッジ信号を２次側へ伝送する第２の信号伝送トランス部２１０と、第１の信号伝送トランス部２０９によって伝送された第１のターンオフエッジ信号で第１の同期整流器２１１をターンオフし、第１の信号伝送トランス部２０９によって伝送された第１のターンオンエッジ信号で第１の同期整流器２１１をターンオンする第１の同期整流器制御回路２７３を備えている。さらに、第２の信号伝送トランス部２１０によって伝送された第２のターンオフエッジ信号で第２の同期整流器２１２をターンオフし、第２の信号伝送トランス部２１０によって伝送された第２のターンオンエッジ信号で第２の同期整流器２１２をターンオンする第２の同期整流器制御回路２７４を備えている。
【００９３】
入力直流電源２０１のライン間には第１・第２の電力スイッチ２０４，２０５およびコンデンサ２０６，２０７の直列回路をそれぞれ接続していて、第１・第２の電力スイッチ２０４，２０５の接続点とコンデンサ２０６，２０７の接続点との間に電力伝送トランス部２０８の１次コイル２０８Ａを接続している。
【００９４】
電力伝送トランス部２０８の２次コイル２０８Ｂ、２０８Ｃの接続点にはチョークコイル２１３の一端を接続し、チョークコイル２１３の他端と２次側グランドとに間に出力平滑コンデンサ２１４を接続している。
【００９５】
電力伝送トランス部２０８の２次コイル２０８Ｂの一端と２次側グランドとの間には第１の同期整流器２１１を接続している。また、電力伝送トランス部２０８の２次コイル２０８Ｃの一端と２次側グランドとの間には第２の同期整流器２１２を接続している。
【００９６】
このスイッチング電源モジュール３０２の入力には入力直流電源２０１が接続され、出力には負荷２１５が接続される。また、１次側制御回路電源入力部２１６には制御電源電圧が印加される。
【００９７】
第１のエッジ信号発生回路２７１は、ショットキーバリアダイオード（以下、「ＳＢＤ」）２１９，２２０、およびコンデンサ２２２で構成していて、１次側制御回路電源入力部２１６と１次側のグランドとの間に接続している。同様に、第２のエッジ信号発生回路２７２は、ＳＢＤ２１７，２１８、およびコンデンサ２２１で構成していて、１次側制御回路電源入力部２１６と１次側のグランドとの間に接続している。
【００９８】
ＰＷＭ制御回路２０２の第１のＰＷＭ信号出力端子２Ａと第１のエッジ信号発生回路２７１との間には第１の信号伝送トランス部２０９の１次コイル２０９Ａを接続している。同様に、ＰＷＭ制御回路２０２の第２のＰＷＭ信号出力端子２Ｂと第２のエッジ信号発生回路２７２との間には第２の信号伝送トランス部２１０の１次コイル２１０Ａを接続している。
【００９９】
第１の同期整流器制御回路２７３は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２２４、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２２５、ダイオード（ＰＮダイオード）２２６，２２７、ツェナーダイオード２２９、抵抗２２８を備えている。同様に、第２の同期整流器制御回路２７４は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２３５、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２３６、ダイオード（ＰＮダイオード）２３２，２３３、ツェナーダイオード２３０、抵抗２３１を備えている。
【０１００】
ＦＥＴ２２４、ＦＥＴ２２５、抵抗２２３の直列回路は２次側制御回路電源入力部２３７と２次側グランドとの間に接続し、ＦＥＴ２２４とＦＥＴ２２５の接続点はＮチャネルＭＯＳＦＥＴである第１の同期整流器２１１のゲートに接続している。同様にＦＥＴ２３５、ＦＥＴ２３６、抵抗２３４の直列回路は２次側制御回路電源入力部２３７と２次側グランドとの間に接続し、ＦＥＴ２３５とＦＥＴ２３６の接続点はＮチャネルＭＯＳＦＥＴである第２の同期整流器２１２のゲートに接続している。
【０１０１】
また、第１の同期整流器制御回路２７３のダイオード２２６，２２７の接続点とＦＥＴ２２４，２２５の接続点との間に第１の信号伝送トランス部２０９の２次コイル２０９Ｂを接続している。同様に、第２の同期整流器制御回路２７４のダイオード２３２，２３３の接続点とＦＥＴ２３５，２３６の接続点との間に第２の信号伝送トランス部２１０の２次コイル２１０Ｂを接続している。
【０１０２】
前記１次側制御回路２８０は、ハイサイドドライバＩＣを用いることなく、基準電位（ソース）がグランドと非接続の第２の電力スイッチ２０５を第２の信号伝送トランス部２１０を用いて駆動するように構成している。
【０１０３】
第２の電力スイッチ２０５の駆動用電力を確保するために、コンデンサ２５６及びダイオード２５５からなるブートストラップ回路２５４を設けている。このブートストラップ回路２５４の出力部と１次側グランドとの間に、ＦＥＴ２５８、ＦＥＴ２５９、抵抗２５７の直列回路を接続し、ＦＥＴ２５８とＦＥＴ２５９の接続点は第２の電力スイッチ２０５のゲートに接続している。ＦＥＴ２５８とＦＥＴ２５９のゲートにはダイオード２６０，２６１、ツェナーダイオード２６３、抵抗２６２からなる回路を接続している。そして、ダイオード２６０，２６１の接続点とＦＥＴ２５８，２５９の接続点との間に第２の信号伝送トランス部２１０の３次コイル２１０Ｃを接続している。
【０１０４】
また、抵抗２６４とＳＢＤ２６５による第１の電力スイッチ側遅延回路２７８をＰＷＭ制御回路２０２の第１のＰＷＭ信号出力端子２０２Ａと第１の電力スイッチ２０４のゲートとの間に設けている。
【０１０５】
図１２において、電力スイッチ２０４，２０５、コンデンサ２０６，２０７、同期整流器２１１，２１２、チョークコイル２１３、出力平滑コンデンサ２１４、入力直流電源２０１、及び負荷２１５以外が複合トランスモジュールで構成されている。
【０１０６】
このスイッチング電源モジュール３０２の動作は次のとおりである。先ず、第２の信号伝送トランス部２１０の３次コイルから出力される第２のターンオフエッジ信号はダイオード２６０を通してＦＥＴ２５８のゲートに印加され、ＦＥＴ２５８がターンオンし、第２の電力スイッチ２０５のゲートに電荷が充電されて第２の電力スイッチ２０５がターンオンされる。その後、第２のターンオンエッジ信号は、ダイオード２６１を通してＦＥＴ２５９のゲートに印加されてＦＥＴ２５９がターンオンし、第２の電力スイッチ２０５のゲートの電荷が放電され、第２の電力スイッチ２０５がターンオフされる。
【０１０７】
第２の信号伝送トランス部２１０の極性に応じて、電力スイッチ２０５はＰＷＭ制御回路２０２が出力した第２のＰＷＭ信号と同じタイミングで駆動され、第２の同期整流器２１２は反転したタイミングで駆動されるため、第２の電力スイッチ２０５と第２の同期整流器２１２とはほぼ相補的なタイミングで駆動される。同様にして、第１の電力スイッチ２０４と第１の同期整流器２１１がほぼ相補的なタイミングで駆動される。なお、第２の電力スイッチ２０５のゲートの充電電流は抵抗２５７で制限される。このことにより、第２の遅延時間が確保される。また、第１の電力スイッチ側遅延回路２７８で電力スイッチ２０４のゲート充電電流が制限される。このことによって第１の遅延時間が確保される。
【０１０８】
《他の実施形態》
この発明は以上に示した実施形態に限らず様々な実施形態を採り得る。例えば、複合トランスのコア形状は様々な応用形態があり、コア１８の中脚、外脚の断面は、円形や楕円形などの他の形状でもよい。また、特開平１１−３４００５８のように同心円状に複数のトランスを構成してもよい。
【０１０９】
なお、この発明は以上に示した実施形態に限らず様々な実施形態を採り得る。例えば、各実施形態では中脚、外脚の断面を共に長方形や円形以外に楕円形など他の形状でもよい。
【０１１０】
また、コアは５本脚のコアに限らず、４本脚のコアを用いて一つの電力伝送トランス部一つの信号伝送トランス部を設けてもよい。
また、コアの中脚の接合部に磁気ギャップを設けて、電力伝送トランス部の直流重畳特性を改善してもよい。
【０１１１】
また、コア１８を嵌め合わせる方法は、コア留め用の金具を用いてもよいし、プラスチック等、他の材質でコア留め用の部品を形成してもよい。コア留め用の部品を使用せず、接着剤によってコア同士を接着してもよい。
【０１１２】
また、電力伝送トランス部を形成するコイルは、プリント基板に導体パターンを形成してもよいし、線材をボビンに巻いて形成しても良く、ボビンに銅箔を絶縁シートを介して巻回しても良く、それ以外の公知のコイル形成方法も問題なく適用できる。
【０１１３】
また、この発明のスイッチング電源モジュールにおいて、信号伝送トランス１５は、同期整流器の駆動や、出力電圧、出力電流の制御、あるいは電力伝送コイル部の過電流状態、過熱状態、スイッチング電源の入力電圧の低電圧状態、過電圧状態、スイッチング電源の出力電圧の低電圧状態、又は過電圧状態などの異常動作を検出してスイッチング電源を保護する各種保護回路での利用以外に、他の用途にも応用可能である。また、例えばデジタル信号の伝送に用いてもよい。
【符号の説明】
【０１１４】
１２…複合トランスモジュール
１３…多層基板
１４…電力伝送トランス部
１４ｔ…補助コイル
１４ｐ…１次コイル
１５Ｌ，１５Ｒ…信号伝送トランス部
１４ｓ…２次コイル
１５Ｌｐ…１次コイル
１５Ｒｐ…１次コイル
１６…複合トランス
１５Ｌｓ…２次コイル
１５Ｒｓ…２次コイル
１７…１次信号処理回路
１８ＢＬａ，１８ＢＬｂ，１８ＢＲａ，１８ＢＲｂ…外脚
１８Ｔ，１８Ｂ…コア
１８ＴＣ，１８ＢＣ…中脚
１９Ｃ，１９Ｌａ，１９Ｌｂ，１９Ｒａ，１９Ｒｂ…コア脚挿通孔
２０…ボビン
２１…接続端子挿通孔
２３…接続端子
２２…２次信号処理回路
２４…複合トランスモジュール
２５…放熱シート
２６…接続端子
２７…高放熱性基板
２８…スイッチ素子
２９…入出力フィルタ
３１…接続端子
１０１ａ，１０３ａ…コイル
１０２ａ，１０２ｃ…コイル
１０２ｂ…ビア電極
１０３ａ…コイル
１０４ａ，１０４ｃ…コイル
１０４ｂ…ビア電極
１１５…入力端子
１１７，１２２…平滑コンデンサ
１１８…電力スイッチ
１１９…整流側同期整流器
１２０…転流側同期整流器
１２１…チョークコイル
１０５ａ，１０５ｃ…コイル
１０５ｂ…ビア電極
１２３…出力端子
１０６ａ，１０６ｃ…コイル
１０６ｂ…ビア電極
１２４…出力端子
１２５…マルチバイブレータ
１２９，１３０…インバータ
１３２…ＡＮＤゲート
１３６，１３７…ＭＯＳ−ＦＥＴ
３０１，３０２…スイッチング電源モジュール
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力伝送トランス部及び信号伝送トランス部を備えたトランスと、信号処理回路部とがモジュールとして一体形成された、複合トランスモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
多層基板に形成された導体パターンをコイルとするトランスと、スイッチング電源回路とが一体化されたスイッチング電源モジュールが特許文献１に開示されている。
【０００３】
図１（Ａ）は、特許文献１に関するスイッチング電源モジュールの一例を示す図である。このスイッチング電源モジュール１は、その回路基板２にスイッチング電源回路３が構成されている。スイッチング電源回路３は、トランス４と複数の回路構成部品５と、回路基板２に形成された配線パターン（不図示）とで構成されている。回路構成部品５は、ＩＣチップ、コンデンサ素子、スイッチング素子、整流素子等である。その他に、このスイッチング電源モジュール１をマザーボードに接続するための接続用端子６が設けられている。
【０００４】
トランス４は、回路基板２に形成されたコイルパターン７と、１対のコア８とで構成されている。回路基板２は複数の導体層が積層形成された積層体であり、１次コイルとなるコイルパターン及び２次コイルとなるコイルパターンが回路基板２に形成され、それら複数のコイルパターンがほぼ同軸関係に積層されている。
【０００５】
回路基板２のコイルパターン７の形成領域にはコア脚挿通孔９が開けられている。コア８のコア脚がコア脚挿通孔９に挿入され、１対のコア８が組み合わされて、コイルパターン７に装着されている。図１に示すように、それら１対のコア８は、コイルパターン７の一部分を回路基板２の表裏両側から挟み込む形で装着されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３４１４３８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
多層基板に形成された導体パターンをコイルとするトランスと、スイッチング電源回路とが一体化されたスイッチング電源モジュール１には次に述べるような問題がある。
【０００８】
（ａ）トランス４のコイルパターン７における直流抵抗、交流抵抗を低減し、コイルの導通損失を低減するには、回路基板の積層数を多くする必要がある。トランスの１次−２次間の結合度を強くする上でも、多層基板の積層数を増してサンドイッチ構造にすることが有効である。一方、多層基板の積層数を増すと、それにほぼ比例して基板のコストも増加する。コイルパターン７の内層は、コイルパターンを形成するのに使用されているが、回路構成部品５が実装された直下の内層は必ずしも有効利用できない。特に、大型の回路構成部品を多く必要とするスイッチング電源回路では、スイッチング電源回路全体を高価な多層基板に実装することは、コスト削減の観点からは非効率的である。
【０００９】
（ｂ）一体型スイッチング電源モジュール１に実装された回路構成部品５のマザーボードに対する熱抵抗が大きいので、回路構成部品５の放熱性に問題が生じる場合がある。一体型スイッチング電源モジュール１が部品の発熱を、主にマザーボードに放熱する構造の場合、伝熱経路としては、回路基板２から接続用端子６を介してマザーボードへ放熱する経路が支配的である。しかし、この一体型スイッチング電源モジュール１を構成する回路基板２の基材は熱抵抗が比較的大きく、回路構成部品５とマザーボードとの伝熱経路の距離も長いことから、回路構成部品５の放熱性が悪い。特に、この一体型スイッチング電源モジュール１が扱う電力が大きい場合には、トランスのコイルパターン７やスイッチング素子などの回路構成部品５の発熱が非常に大きくなり、一体型スイッチング電源モジュール１の効率が低下したり、一体型スイッチング電源モジュール１の使用温度範囲を狭めたりすることになる。
【００１０】
（ｃ）一体型スイッチング電源モジュール１の回路基板２を構成する多層基板では、各両面基板間の絶縁部分に一定値以上の厚さのプリプレグを挟んで積層しないと、絶縁部分にボイドが生じて信頼性が確保できない。そのため、コイルパターン７を形成する導体層の厚さに対する絶縁層の厚さの比率を大きくする必要がある。トランスコイルの直流抵抗を低減するには、コアの窓枠の中に、コイル導体部が占める比率（占積率）を高くする必要があるが、多層基板で形成したプリントコイルは、薄型構造であるため表皮効果の影響が小さく高周波のスイッチング動作において導通損失を低減できる利点があるものの、前述の理由により、巻線で形成したコイルより占積率が劣る傾向があり、コイルの直流抵抗を十分に低くできないという問題がある。
【００１１】
（ｄ）更に、多層基板に導体パターンで形成した積層コイルから成るトランスでは、基板の信頼性を確保するための最小パターン幅及び最小パターン間隔が規定され、かつ、積層数が多層基板のコストに大きく影響することから、巻き数の極端に多い（例えば１００ターン以上の）コイルを形成することが難しい。このため、昇圧比又は降圧比が極端に大きいスイッチング電源では、基板の導体パターンでコイルを形成するプリントコイルでトランスを形成することは困難である。
【００１２】
（ｅ）トランスの特性に関しては、次に述べる問題がある。図１（Ｂ）はトランスの巻線構造の一例を示す断面図である。一般的に、図１（Ｂ）のような１次コイル巻線１０と２次コイル巻線１１を繰り返し積層した構造のトランスでは、各巻線間に図１（Ｂ）に示す寄生容量Ｃｓが生じる。この各巻線間の寄生容量Ｃｓの合成容量が、１次コイルと２次コイルの間に接続されたのと等しくなる。そのため、各巻線間の寄生容量Ｃｓは、高周波・高速スイッチング動作において、トランスの１次−２次間を流れるノイズ電流が増大し、寄生容量の短絡損失や、高周波ＥＭＩノイズ発生の要因となる。図１（Ａ）に示したトランス４のように、複数のコイルパターン７が平行に配置されたコイルは、コイルボビンに巻線した巻線型のコイルに比べて巻線間の寄生容量Ｃｓが大きい問題がある。例えば、巻線型のコイルに比べて１０倍程度の寄生容量を備える。
【００１３】
（ｆ）その他の問題として、スイッチング電源の回路をマザーボード上に形成した方が従来例の一体型スイッチング電源モジュール１を購入するより安価な場合には、マザーボード上にスイッチング電源回路を構成するが、そのような場合、スイッチング電源を専門としない技術者が設計することがある。スイッチング電源の設計には、電力変換回路や制御回路以外にも保護回路や熱設計、ノイズ対策等の技術が必要であり、絶縁型スイッチング電源ではさらにトランスの設計が必要となり、同期整流器の最適なタイミングでの駆動も難易度が高い。したがって、専門外の技術者では、高効率、高速応答性を備える高機能なスイッチング電源を設計するのは困難であるという問題が生ずる。
【００１４】
この発明の目的は、上述の各種課題を解決した複合トランスモジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
この発明の複合トランスモジュールは、上述の各種課題を決するために次のように構成する。
（１）１組の嵌め合わされたコアと、１次−２次間で電力を伝送する電力伝送トランス部と、当該電力伝送トランス部とは実質的に独立して１次−２次間で信号を伝送する信号伝送トランス部と、を備え、
前記信号伝送トランス部は、前記コアの磁脚を貫通させた多層基板及び当該多層基板に形成されたコイルパターンで構成され、信号伝送トランス部の入出力信号を処理する信号処理回路部が前記多層基板に実装され、前記複合トランスと信号処理回路部とがモジュールとして一体形成されたことを特徴とする。
【００１６】
（２）例えば前記信号処理回路部は、トランスの１次側に設けられた１次信号処理回路と、トランスの２次側に設けられた２次信号処理回路とで構成される。
【００１７】
（３）例えば前記コアは、中脚部及び外脚部を含む少なくとも４本以上の磁脚を有する。
【００１８】
（４）例えば前記コアの中脚部の外周に電力伝送トランス部の１次コイル及び２次コイルが巻回され、前記電力伝送トランス部の外側に少なくとも３本以上の外脚部が形成されている。
【００１９】
（５）例えば前記電力伝送トランス部の１次コイル及び２次コイルは、前記中脚が貫通するボビンに巻回された銅線で構成され、前記ボビンに前記多層基板が接合される。
【００２０】
（６）例えば前記電力伝送トランス部の１次コイル及び２次コイルは、前記多層基板に形成された、前記中脚の周囲を巻回するコイルパターンで構成されたものである。
【００２１】
（７）例えば前記多層基板に、前記中脚の周囲を巻回する信号処理回路電源用のコイルパターンが形成され、前記信号処理回路電源用のコイルパターンに誘起される電圧を整流平滑して前記信号処理回路へ電源電圧を供給する整流平滑回路が備えられている。
【００２２】
（８）例えば前記電力伝送トランス部の１次コイルへの印加電圧をスイッチングする１次電力スイッチを制御する回路を備えて、前記複合トランスモジュールが絶縁型スイッチング電源の一部を構成する。
【００２３】
（９）例えば前記２次信号処理回路は、前記絶縁型スイッチング電源の出力電圧又は出力電流との相関性のある信号を２次側から１次側に送信する機能を備え、前記１次信号処理回路は、前記出力電圧又は出力電流との相関性のある信号を受信し、前記出力電圧又は出力電流が目標値に漸近するように１次電力スイッチの駆動信号幅を制御するパルス幅制御機能と、前記１次電力スイッチの駆動信号を出力する手段とを備える。
【００２４】
（１０）例えば前記絶縁型スイッチング電源回路は、１次側に前記１次電力スイッチとは駆動信号の基準電位が異なるハイサイド電力スイッチを備え、前記１次信号処理回路は、前記１次電力スイッチの駆動タイミングと関連した前記ハイサイド電力スイッチの駆動信号をモジュールから出力する手段を備える。
【００２５】
（１１）例えば１次信号処理回路は同期整流器の駆動タイミングと関連する信号を１次側から２次側に送信する機能を備え、２次信号処理回路は前記同期整流器の駆動タイミングと関連する信号を受信して、同期整流器の駆動信号を形成してモジュールから出力することを特徴とする。
【００２６】
（１２）例えば、前記信号処理回路は、前記電力伝送トランス部の１次コイル又は２次コイルの過電流状態、前記電力伝送トランス部の過熱状態、絶縁型スイッチング電源の入力電圧の低電圧状態、絶縁型スイッチング電源の入力電圧の過電圧状態、絶縁型スイッチング電源の出力電圧の低電圧状態、絶縁型スイッチング電源の出力電圧の過電圧状態の少なくとも何れかの異常状態を検出する検出回路を備え、
前記検出回路が異常動作を検出すると、前記１次電力スイッチのデューティの低減、スイッチング動作の停止、又はヒカップ動作、の何れかを行うことで前記絶縁型スイッチング電源を保護する異常動作保護手段を備える。
【発明の効果】
【００２７】
この発明によれば、次のような効果を奏する。
トランスに巻線型コイルを用いることで積層型コイルに比べて占積率を大きくすることができるため、直流抵抗を低減し、コイルの導通損失を低減することが容易であり、それに伴うトランスのコストアップも抑えることができる。直流抵抗による導通損失が主体となる用途では、コイル部を巻線で形成した方が低損失化に有利である。
【００２８】
巻線型コイルには積層型コイルのようなパターンの制約がないため、巻数を極端に大きく、または小さくすることも可能であり、大きな昇圧比又は降圧比を実現することができ、設計上の自由度が高い。
【００２９】
巻線型コイルでは、積層型コイルに比べて、巻線間の寄生容量が小さいため、高周波・高速スイッチング動作において、トランスの１次−２次間を流れるノイズ電流や寄生容量の短絡損失を低減することができ、高周波ＥＭＩノイズ抑制や効率といったスイッチング電源モジュールの特性を改善できる。
【００３０】
複合トランスモジュールとマザーボードとはそれぞれ別の回路基板で構成することができる。そのため、回路構成部品が実装されるマザーボードに、例えば低コストの紙フェノール基板や、積層数の少ないガラスエポキシ基板を用いれば、基板コストが低くなり、スイッチング電源全体としての製造コストが低減できる。また、電力変換回路部品の放熱性を重視する場合は、アルミ基板などの高放熱性基板をマザーボードに用いて電力変換回路部品を実装し、マザーボードをヒートシンクに密着させる放熱方法を採ることもできる。
【００３１】
スイッチング電源の回路をマザーボード上に形成した方が従来例の一体型スイッチング電源モジュールを購入するより安価な場合においても、トランスの代わりに前記複合トランスモジュールを電源専門のベンダーから購入してマザーボードに実装し、前記複合トランスモジュールの周辺に電力変換回路部品や入出力フィルタ部品を実装すれば、高効率・高速応答といった高機能のスイッチング電源を簡単且つ安価に構成できる。マザーボードの設計者は、高度な専門技術を必要とする高速応答制御回路、同期整流器駆動回路、保護回路の設計やトランスの設計を省くことができ、前記マザーボードに電力変換回路部品や平滑回路を実装して熱設計を行うだけでよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１（Ａ）は、特許文献１に開示されているスイッチング電源モジュールの一例を示す図である。
【図２】第１の実施形態に係る複合トランスモジュール１２の分解斜視図である。
【図３】図３（Ａ），図３（Ｂ）は、多層基板１３の異なる二つの面（層）での平面図である。
【図４】図４（Ａ）は信号伝送トランス部の磁路、図４（Ｂ）は電力伝送トランス部の磁路をそれぞれ示す図である。
【図５】第１の実施形態に係る複合トランスモジュールのトランス部分の等価回路図である。
【図６】第２の実施形態に係る複合トランスモジュール２４の分解斜視図である。
【図７】図７（Ａ），図７（Ｂ）は、多層基板１３の異なる二つの面（層）での平面図である。
【図８】図８（Ａ）は信号伝送トランス部の磁路、図８（Ｂ）は電力伝送トランス部の磁路をそれぞれ示す図である。
【図９】第２の実施形態に係る、複合トランスモジュール２４を備えたスイッチング電源モジュールの斜視図である。
【図１０】スイッチング電源モジュール３０１の回路図である。
【図１１】スイッチング電源モジュール３０１の各部の波形図である。
【図１２】第３の実施形態に係る、複合トランスモジュールを備えたスイッチング電源モジュール３０２の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
《第１の実施形態》
第１の実施形態に係る複合トランスモジュールについて図２〜図５を参照して説明する。
図２は第１の実施形態に係る複合トランスモジュール１２の分解斜視図である。複合トランスモジュール１２は、それぞれＥ型の１組のコア１８Ｔ，１８Ｂ、ボビン２０、ボビン２０に設けられた電力伝送トランス部１４、及び多層基板１３を備えている。
【００３４】
多層基板１３は、１次−２次間で信号を伝送する信号伝送トランス部１５Ｌ，１５Ｒ、１次信号処理回路１７、及び２次信号処理回路２２を有する。また、多層基板１３にはコア１８Ｔ，１８Ｂのコア脚を挿通させるコア脚挿通孔１９Ｃ，１９Ｌａ，１９Ｌｂ，１９Ｒａ，１９Ｒｂが形成されている。さらに、多層基板１３には、ボビン２０の複数の接続端子２３を多層基板１３に実装するための複数の接続端子挿通孔２１が形成されている。この多層基板１３にボビン２０を実装した状態で、多層基板１３の下面に突出するボビン２０の接続端子２３は、複合トランスモジュール１２をマザーボードへ実装するための接続端子でもある。
【００３５】
電力伝送トランス部１４の１次コイルと２次コイルは銅線の巻線であり、互いに絶縁状態でボビン２０に巻回されている。ボビン２０の孔Ｈにはコア１８Ｔ，１８Ｂの中脚１８ＴＣ，１８ＢＣが挿通される。
【００３６】
信号伝送トランス部１５Ｌは、コア１８Ｂの外脚１８ＢＬａ，１８ＢＬｂが挿通するコア脚挿通孔１９Ｌａ，１９Ｌｂの周囲に形成されている。同様に、信号伝送トランス部１５Ｒは、コア１８Ｂの外脚１８ＢＲａ，１８ＢＲｂが挿通するコア脚挿通孔１９Ｒａ，１９Ｒｂの周囲に形成されている。
【００３７】
１次信号処理回路１７はトランスの１次側に設けられていて、２次信号処理回路２２はトランスの２次側に設けられている。多層基板１３にはコア１８Ｂの中脚１８ＢＣが挿通するコア脚挿通孔１９Ｃの周囲を巻回する、信号処理回路電源用のコイルパターンが形成されている。多層基板１３には、信号処理回路電源用のコイルパターンの出力を整流平滑した電力で前記信号処理回路１７，２２を駆動する整流平滑回路が設けられている。
【００３８】
複合トランスモジュール１２は、電力伝送トランス部１４が設けられたボビン２０が多層基板１３に実装され、コア１８Ｔの中脚１８ＴＣがボビン２０の孔Ｈに挿入され、多層基板１３のコア脚挿通孔１９Ｃ，１９Ｌａ，１９Ｌｂ，１９Ｒａ，１９Ｒｂにコア１８Ｂが挿入され、さらに、コア１８Ｔと１８Ｂとを接合状態で固定するコア固定枠（不図示）が取り付けられることによって構成される。
【００３９】
図３（Ａ），図３（Ｂ）は、多層基板１３の異なる二つの面（層）での平面図である。また、図４（Ａ）は信号伝送トランス部の磁路、図４（Ｂ）は電力伝送トランス部の磁路を示している。図３（Ａ），図３（Ｂ）には、コア１８Ｂの外脚１８ＢＬａ，１８ＢＬｂ，１８ＢＲａ，１８ＢＲｂの断面が表れている。
【００４０】
図３（Ａ）に表れている、多層基板１３の面（層）には、外脚１８ＢＬｂと外脚１８ＢＬａの周囲に反対方向に１ターンずつ巻かれたコイル１０２ａ，１０２ｃがビア電極１０２ｂを介して直列接続されている。外脚１８ＢＬｂと外脚１８ＢＬａはコアの中脚からの距離が等しく、断面積も同じであるため、電力伝送トランスによって外脚１８ＢＬｂ，１８ＢＬａを透過する磁束の変化によってコイル１０２ａ，１０２ｃに誘起される電圧は互いに逆極性で且つ同一電圧値であるので相殺される。このことによって、コイル１０２ａ，１０２ｃの出力端ａ−ｂには電力伝送トランスによる電圧が現れない。
【００４１】
また、図３（Ｂ）に表れている、多層基板１３の面（層）には、外脚１８ＢＬｂと外脚１８ＢＬａの周囲に反対方向に１ターンずつ巻かれたコイル１０４ａ，１０４ｃがビア電極１０４ｂを介して直列接続されている。外脚１８ＢＬｂと外脚１８ＢＬａはコアの中脚からの距離が等しく、断面積も同じであるため、電力伝送トランスによって外脚１８ＢＬｂ，１８ＢＬａを透過する磁束の変化によってコイル１０４ａ，１０４ｃに誘起される電圧は互いに逆極性で且つ同一電圧値であるので相殺される。このことによって、コイル１０４ａ，１０４ｃの出力端ｃ−ｄには電力伝送トランスによる電圧が現れない。
【００４２】
一方、前記コイル１０２ａ，１０２ｃとコイル１０４ａ，１０４ｃは外脚１８ＢＬｂ，１８ＢＬａを介して磁気的に結合しているので、コイル１０２ａ，１０２ｃを例えば１次コイル、コイル１０４ａ，１０４ｃを２次コイルとする信号伝送トランスとして作用する。
【００４３】
以上に述べたことは、もう一方の外脚１８ＢＲｂ，１８ＢＲａについてもあてはまる。すなわち、図３（Ａ）に表れている、多層基板１３の面（層）には、外脚１８ＢＲｂと外脚１８ＢＲａの周囲に反対方向に１ターンずつ巻かれたコイル１０５ａ，１０５ｃがビア電極１０５ｂを介して直列接続されている。外脚１８ＢＲｂと外脚１８ＢＲａはコアの中脚からの距離が等しく、断面積も同じであるため、電力伝送トランスによって外脚１８ＢＲｂ，１８ＢＲａを透過する磁束の変化によってコイル１０５ａ，１０５ｃに誘起される電圧は互いに逆極性で且つ同一電圧値であるので相殺される。このことによって、コイル１０５ａ，１０５ｃの出力端ｋ−ｍには電力伝送トランスによる電圧が現れない。
【００４４】
また、図３（Ｂ）に表れている、多層基板１３の面（層）には、外脚１８ＢＲｂと外脚１８ＢＲａの周囲に反対方向に１ターンずつ巻かれたコイル１０６ａ，１０６ｃがビア電極１０６ｂを介して直列接続されている。外脚１８ＢＲｂと外脚１８ＢＲａはコアの中脚からの距離が等しく、断面積も同じであるため、電力伝送トランスによって外脚１８ＢＲｂ，１８ＢＲａを透過する磁束の変化によってコイル１０６ａ，１０６ｃに誘起される電圧は互いに逆極性で且つ同一電圧値であるので相殺される。このことによって、コイル１０６ａ，１０６ｃの出力端ｉ−ｊには電力伝送トランスによる電圧が現れない。
【００４５】
一方、前記コイル１０５ａ，１０５ｃとコイル１０６ａ，１０６ｃは外脚１８ＢＲｂ，１８ＢＲａを介して磁気的に結合しているので、コイル１０５ａ，１０５ｃを例えば１次コイル、コイル１０６ａ，１０６ｃを２次コイルとする信号伝送トランスとして作用する。
【００４６】
図５は、第１の実施形態に係る複合トランスモジュールのトランス部分の等価回路図である。このように、第１の実施形態では、一つの電力伝送トランス部１４、二つの信号伝送トランス１５Ｌ，１５Ｒを備えた複合トランスモジュールとして利用できる。
【００４７】
前記多層基板１３に構成されている２次信号処理回路２２は、例えば電力伝送トランス部１４の２次側の出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、信号伝送トランス部１５を利用して電力伝送トランス部の１次側または２次側を制御する制御回路とを備えている。このことにより、入力電圧や出力電流の過渡変動に対して高速応答する、出力電圧の安定化制御を実現できる。
【００４８】
また、複合トランスモジュール１２に、信号伝送トランス部１５を介して最適な同期整流器の駆動タイミングを指示する機能を備え、複合トランスモジュール１２から１次電力スイッチ素子のゲート駆動信号と同期整流器のゲート駆動信号を出力するようにしておけば、電力変換回路部品を前記複合トランスモジュール１２の周辺に実装するだけで、最適なタイミングで同期整流器を駆動することができ、高効率なスイッチング電源装置を容易に構成できる。
【００４９】
また、信号処理回路１７、２２に電力伝送トランス部１４の過電流状態や過熱状態などの異常動作を検出する機能と異常動作を検出した場合に１次電力スイッチ素子にスイッチング動作を停止させる指示を出す機能を備えておくことで保護機能を備えてもよい。
【００５０】
第１の実施形態において、複合トランスモジュール１２の構成要素である電力伝送トランス部１４の占積率を大きくすれば、直流抵抗、交流抵抗を低減し、コイルの導通損失を低減できるとともに、面接触によるコイルの放熱性を高めることができる。
【００５１】
また、第１の実施形態では電力伝送用トランス部に巻線型コイルを用いたので、巻線間の寄生容量が小さく、高周波・高速スイッチング動作時の、トランスの１次−２次間を流れるノイズ電流や寄生容量の短絡損失を低減することができ、高周波ＥＭＩノイズ抑制や効率といったスイッチング電源の特性を改善することができる。また、巻線の巻数を変えることが容易であるため、複合トランスモジュールを購入して、マザーボードに実装し、スイッチング電源を設計する設計者の意図する昇圧比、もしくは降圧比を作り出すことが容易であり、高速応答制御回路、同期整流器駆動回路、保護回路の設計やトランスの設計を省くことができる。そのため、スイッチング電源の設計に要する工数とコストを削減できる。
【００５２】
《第２の実施形態》
第２の実施形態に係る複合トランスモジュールについて図６〜図１１を参照して説明する。
図６は第２の実施形態に係る複合トランスモジュール２４の分解斜視図である。複合トランスモジュール２４は、Ｉ型のコア１８Ｔ、Ｅ型のコア１８Ｂ、多層基板１３、及び放熱シート２５を備えている。
【００５３】
第２の実施形態では、電力伝送トランス部１４としてボビンに銅線を巻いた巻線型トランスではなく、多層基板１３に１次コイルと２次コイルが導体パターンで形成された積層型のトランスを用いている。この第２の実施形態例では、第１の実施形態例と同一名称部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。
【００５４】
多層基板１３の裏面とコア１８Ｂとの間に放熱シート２５を挟み込むことで、複合トランスモジュール２４の放熱効果を高めている。また、多層基板１３には、複合トランスモジュール２４をマザーボードに実装するための接続端子２６を備えている。
【００５５】
図７（Ａ），図７（Ｂ）は、多層基板１３の異なる二つの面（層）での平面図である。また、図８（Ａ）は信号伝送トランス部の磁路、図８（Ｂ）は電力伝送トランス部の磁路を示している。図７（Ａ），図７（Ｂ）には、コア１８Ｂの中脚１８ＢＣ、外脚１８ＢＬａ，１８ＢＬｂ，１８ＢＲａ，１８ＢＲｂの断面が表れている。
【００５６】
図７（Ａ）に表れている、多層基板１３の面（層）には、中脚１８ＢＣが挿通されるコア挿通孔の周囲にコイル１０１ａが形成されている。コイル１０１ａの両端は出力端ｅ−ｆに引き出されている。
【００５７】
図７（Ｂ）に表れている、多層基板１３の面（層）には、中脚１８ＢＣが挿通されるコア挿通孔の周囲にコイル１０３ａが形成されている。コイル１０３ａの両端は出力端ｇ−ｈに引き出されている。
【００５８】
前記コイル１０１ａとコイル１０３ａは中脚１８ＢＣを介して磁気的に結合しているので、コイル１０１ａを例えば１次コイル、コイル１０３ａを２次コイルとする電力伝送トランスとして作用する。
【００５９】
図９は第２の実施形態に係る複合トランスモジュール２４を備えたスイッチング電源モジュールの斜視図である。図８に示した複合トランスモジュール２４が高放熱性基板２７に実装されてスイッチング電源モジュール３０１が構成されている。高放熱性基板２７には、スイッチング電源回路を構成する上で必要なスイッチ素子２８や入出力フィルタ２９などの回路構成部品が実装されている。複合トランスモジュール２４は、その接続端子２６によって高放熱性基板２７の表面に実装される。また、高放熱性基板２７には、スイッチング電源モジュール３０１をマザーボードに接続するための複数の接続端子３１を備えている。
【００６０】
図１０はスイッチング電源モジュール３０１の回路図、図１１はその各部の波形図である。
このスイッチング電源モジュール３０１には、第２の実施形態で示した構造の複合トランスモジュール２４によって、図１０に示す第１の信号伝送トランス部１５Ｌ、第２の信号伝送トランス部１５Ｒ、電力伝送トランス部１４を構成している。第１の信号伝送トランス部１５Ｌは１次コイル１５Ｌｐと２次コイル１５Ｌｓを含み、第２の信号伝送トランス部１５Ｒは１次コイル１５Ｒｐと２次コイル１５Ｒｓを含み、電力伝送トランス部１４は１次コイル１４ｐ、２次コイル１４ｓ、および補助コイル１４ｔを含んでいる。
【００６１】
ここで、直流入力電源の＋入力端子１１５、直流入力電源の−入力端子１１６、平滑コンデンサ１１７，１２２、電力スイッチ１１８、同期整流器１１９，１２０、チョークコイル１２１、絶縁型スイッチング電源の＋出力端子１２３、絶縁型スイッチング電源の−出力端子１２４によって電力変換回路を構成している。
【００６２】
また、マルチバイブレータ１２５、抵抗１２６，１２８，１３５，１４２，１４６，１４８，１４９、ダイオード１２７，１３３，１３４，１３９，１４４、インバータ１２９，１３０、コンデンサ１３１，１３８，１４３，１４５、ＡＮＤゲート１３２、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３６，１３７、ＮＯＲゲート１４０、コンパレータ１４１、基準電圧源１４７によって制御回路を構成している。
【００６３】
この絶縁型スイッチング電源は、一石共振リセットフォワードコンバータである。＋入力端子１１５，−入力端子１１６の間に加わる直流入力電圧を、平滑コンデンサ１１７で平滑した後、電力伝送トランス部１４の１次コイル１４ｐを介して接続した電力スイッチ１１８でスイッチングさせて交流に変換する。
【００６４】
図１０では表れていないが、多層基板の中脚部の周囲を巻回する位置に、信号処理回路に対する電源用のコイルパターンが形成されていて、この電源用のコイルパターンに誘起される電圧を整流平滑して信号処理回路へ電源電圧を供給する整流平滑回路を備えている。
【００６５】
転流用の同期整流器１２０を制御するための構成（補助コイル１４ｔ、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３７、第１の信号伝送トランス部１５Ｌ，ダイオード１３３）は特開２０００−２６２０５１に開示されているように公知である。これは転流用の同期整流器１２０をオフさせるためのＭＯＳ−ＦＥＴ１３７を制御する信号の伝送にパルストランスを１つ用いるものであり、ここでは第１の信号伝送トランス部１５Ｌをパルストランスとして用いている。
【００６６】
なお、電力伝送トランス部１４は、１次コイル１４ｐ、２次コイル１４ｓ以外に補助コイル１４ｔを備えているが、この補助コイル１４ｔは、図７に示したコイル１０１ａ，１０３ａ以外に、これらと同様にして別のコイル配線を設けたものである。
【００６７】
ところで、１次側のスイッチング素子である電力スイッチ１１８のオン・オフ制御は１次側に設けた制御回路で行う。この際の出力電圧の検出および制御方法には、トランスに設けた補助巻線の電圧を利用する間接制御型や２次側に出力電圧検出回路を設けてフォトカプラを介して１次側にフィードバックする直接制御型がある。間接制御型は出力電圧の検出精度が良くないという問題がある。直接制御型はフォトカプラを使うので使用温度条件が限られるという問題がある。さらに両者ともに、出力電圧の変動に対する応答性が悪いという問題がある。
【００６８】
一方、応答性の良いスイッチング電源装置としてヒステリシス制御のスイッチング電源装置がある。
ヒステリシス制御は出力電圧と基準電圧をコンパレータで比較するので２次側に制御回路を備える必要があるが、２次側に電圧の発生していない起動時にその制御回路を動作させる電源が別途必要になるという問題がある。
【００６９】
上記各問題の解決策として、起動時におけるソフトスタート時には１次側がスイッチング素子のオンオフタイミングを規定しつつ徐々にパルス幅を広げ、出力電圧が目標値に到達するとスイッチング素子のオフタイミングの信号を、２次側からパルストランスを介して１次側に伝達してスイッチング素子をオフさせ、スイッチング素子のオンタイミングは１次側制御回路が固定周期で規定するという制御方法（オンタイミングの信号を２次側から１次側に伝送し、オフタイミングを１次側制御回路が規定しても良い。）を本出願人は国際公開ＷＯ２００７／０１８２２７にて出願している。これはヒステリシス制御を絶縁型に適用したコンバータであるために応答性が良く、しかも起動時は２次側からの信号がなくても動作するので２次側に制御回路の起動時用の電源が不要になる。
【００７０】
図１０に示す例では、２次側から出力電圧と基準電圧との比較に基づいた電力スイッチ１１８のオフタイミング信号を第２の信号伝送トランス部１５Ｒを介して１次側に伝達するように構成している。
【００７１】
図１１において、（ａ）は電力スイッチ１１８のドレイン電圧、（ｂ）は電力スイッチ１１８のドレイン電流、（ｃ）は電力スイッチ１１８のゲート電圧、（ｄ）はマルチバイブレータ１２５の出力電圧、（ｅ）は第２信号伝送トランス部１５Ｒの１次コイル１５Ｒｐの電圧、（ｆ）はＡＮＤゲート１３２の出力電圧、（ｇ）は第１信号伝送トランス部１５Ｌの２次コイル１５Ｌｓの電圧、（ｈ）は同期整流器１２０のゲート電圧、（ｉ）はコンパレータ１４１の一方の入力電圧、（ｊ）はコンパレータ１４１の他方の入力電圧である。
【００７２】
以下、この図１１も参照して回路動作について説明する。
電力スイッチ１１８のオン期間に、前記交流を電力伝送トランス部１４が、その１次コイル１４ｐから２次コイル１４ｓへ伝送し、整流側同期整流器１１９、転流側同期整流器１２０で整流した後、チョークコイル１２１、平滑コンデンサ１２２で構成する出力フィルタで平滑することで、交流を直流に変換して、＋出力１２３，−出力１２４から直流電圧を出力する。
【００７３】
電力スイッチ１１８のオフ後、電力伝送トランス部１４の励磁インダクタンスと電力スイッチ１１８の等価的な並列寄生容量とがＬＣ共振してトランスがリセットされる（図１１（ａ）（ｂ）参照)。
【００７４】
トランスのリセット完了後の電力スイッチ１１８のオフ期間においては、トランス励磁電流が電力伝送トランス部１４の２次コイル１４ｓ→同期整流器１２０→同期整流器１１９の寄生ダイオードのループで還流するので、電力伝送トランス部１４の両端電圧がゼロボルトにクランプされ、電力スイッチ１１８のドレイン電圧は入力電圧にクランプされる。
上記のサイクルを繰り返して電力変換を行う。
【００７５】
上記制御回路内のマルチバイブレータ１２５は固定周波数で発振動作する（図１１（ｄ）参照）。マルチバイブレータ１２５のオンタイミングにはＭＯＳ−ＦＥＴ１３６のドレイン電圧もハイレベルであることから、マルチバイブレータ１２５のオンと同時にＡＮＤゲート１３２の出力もハイレベルとなる（図１１（ｆ）参照）。
【００７６】
ＡＮＤゲート１３２がオンすると、第１の信号伝送トランス部１５Ｌの１次コイル１５Ｌｐを通して電力スイッチ１１８のゲートが充電される（図１１（ｃ）参照）。このとき発生するパルス信号が第１の信号伝送トランス部１５Ｌの１次コイル１５Ｌｐから２次コイル１５Ｌｓに伝送されＭＯＳ−ＦＥＴ１３７がオンする（図１１（ｇ）参照)。ＭＯＳ−ＦＥＴ１３７がオンすると、転流側同期整流器１２０のゲート蓄積電荷が放電されてオフする（図１１（ｈ）参照)。
【００７７】
電力スイッチ１１８は、そのゲート充電経路に第１の信号伝送トランス部１５Ｌの１次コイル１５Ｌｐがあることで、一定時間の遅れをともなってオンする。この動作により、電力スイッチ１１８のオン直前に転流側同期整流器１２０がオフするので、転流側同期整流器１２０のターンオフ遅れを原因とする短絡電流が発生せず、高効率の電力変換動作が可能になる。
【００７８】
上記制御回路は、入力電圧、出力電流の過渡変化に対して高速応答させるために、PID制御ではなく、コンパレータによるヒステリシス制御を行う。
【００７９】
コンパレータ１４１の反転入力には出力電圧を抵抗１４８，１４９で分圧した電圧を入力し、その非反転入力には、基準電圧源１４７の電圧を抵抗１４６を介して入力している。コンパレータ１４１はこの両者を比較する。
【００８０】
出力電圧にはリップル電圧が重畳されていて、コンパレータ１４１の非反転入力に入力する電圧には抵抗１４２，１４６、コンデンサ１４５によって、上記リップル電圧とは逆の傾きのランプ電圧が重畳されている（図１１（ｉ）参照）。
【００８１】
電力スイッチ１１８のオン期間の途中でコンパレータ１４１の反転入力電圧が非反転入力電圧を上回ると、コンパレータ１４１の出力電圧がローレベルになり、ＮＯＲゲート１４０に入力される（図１１（ｊ）参照）。
【００８２】
ＮＯＲゲート１４０のもう一方の入力は電力スイッチ１１８のオン期間にローレベルになるので、ＮＯＲゲート１４０の出力はローレベルからハイレベルになり、コンデンサ１３８を介して第２の信号伝送トランス部１５Ｒの１次コイル１５Ｒｐに電流が流れてパルス信号が発生する。このパルス信号は第２の信号伝送トランス部１５Ｒの１次コイル１５Ｒｐから２次コイル１５Ｒｓに伝送され、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３６がオンする（図１１（ｅ）参照)。
【００８３】
ＭＯＳ−ＦＥＴ１３６のドレインには、インバータ１２９のオン期間（マルチバイブレータ１２５のオフ期間）にダイオード１３４、抵抗１３５を通して電荷が蓄積されているが、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３６のオンによって、ＭＯＳ−ＦＥＴ１３６のドレインはハイレベルからローレベルになる。ＭＯＳ−ＦＥＴ１３６のドレインがローレベルになると、ＡＮＤゲート１３２の出力もローレベルになり、ダイオード１３３を介して電力スイッチ１１８のゲート蓄積電荷が放電されて電力スイッチ１１８がオフする。
【００８４】
このようにして、電力スイッチ１１８をオフさせるパルス信号のタイミングを制御することで、電力スイッチ１１８のオン期間を制御する。電力スイッチ１１８のオフ期間の長さは、マルチバイブレータ１２５の発振周期から電力スイッチ１１８のオン期間を引いた値になるので、実質的に２次側の回路が主導してＰＷＭ制御が行われ、出力電圧が安定化される。この制御方法はPID制御のように誤差アンプやフォトカプラに起因する位相遅れがなく、入力電圧、出力電流の過渡変動に起因する出力電圧変動に対して、変動が発生した周期に直ちに応答するパルスバイパルス動作が可能となる。
【００８５】
このように、複合トランスモジュール２４を、導体パターンで形成された積層型トランスで構成することで、スイッチング電源を薄型化できる。高速応答制御回路、同期整流器駆動回路、保護回路の設計やトランスの設計を省くことができ、スイッチング電源の設計に要する工数とコストを削減することができる点は第１の実施形態と同じである。
【００８６】
複合トランスモジュール２４を高放熱性基板２７に実装したスイッチング電源モジュール３０１において、特に発熱の大きな電力変換回路の回路構成部品の放熱性を重視する場合は、高放熱性基板２７としてアルミ基板などの高放熱性基板を用い、その高放熱性基板２７に前記電力変換回路部品を実装し、高放熱性基板２７をヒートシンクに密着させる。この構造によれば高い放熱性が得られる。
【００８７】
なお、スイッチング電源の出力電圧ではなく、出力電流との相関性のある信号を２次側から１次側に送信する機能を備え、１次信号処理回路が出力電流との相関性のある信号を受信し、出力電流が目標値に漸近するように１次電力スイッチの駆動信号幅を制御するパルス幅制御機能を備えてもよい。
【００８８】
また、電力伝送トランス部１４の１次コイル又は２次コイルの過電流状態、電力伝送トランス部１４の過熱状態、スイッチング電源の入力電圧の低電圧状態・過電圧状態、スイッチング電源の出力電圧の低電圧状態・過電圧状態の少なくとも何れかの異常状態を検出する検出回路を備え、異常動作を検出すると、１次電力スイッチのデューティの低減、スイッチング動作の停止、又はヒカップ動作、の何れかを行うことでスイッチング電源を保護する異常動作保護手段を備えてもよい。
【００８９】
《第３の実施形態》
図１２は第３の実施形態に係るスイッチング電源モジュール３０２の回路図である。
このスイッチング電源モジュール３０２には、第２の実施形態で示した構造の複合トランスモジュール２４と基本的に同様の構成によって、図１２に示す第１の信号伝送トランス部２０９、第２の信号伝送トランス部２１０、電力伝送トランス部２０８を構成している。第１の信号伝送トランス部２０９は１次コイル２０９Ａと２次コイル２０９Ｂを含み、第２の信号伝送トランス部２１０は１次コイル２１０Ａと２次コイル２１０Ｂを含み、電力伝送トランス部２０８は１次コイル２０８Ａ、２次コイル２０８Ｂ、および補助コイル２０８Ｃを含んでいる。
【００９０】
このスイッチング電源モジュール３０２は、いわゆるダブルエンド絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（ハーフブリッジコンバータ）を構成している。１次コイル２０８Ａおよび２次コイル２０８Ｂを有する電力伝送トランス部２０８、この電力伝送トランス２０８の１次側に接続される第１の電力スイッチ２０４および第２の電力スイッチ（ハイサイド電力スイッチ）２０５、第１・第２の電力スイッチ２０４，２０５をスイッチング制御する１次側制御回路２８０と、電力伝送トランス部２０８の２次側に接続される第１の同期整流器２１１、第２の同期整流器２１２、チョークコイル２１３を備えている。
【００９１】
また、１次側制御回路２８０からの信号に基づいて第１の電力スイッチ２０４のターンオンおよびターンオフのタイミングにほぼ対応する第１のターンオフエッジ信号および第１のターンオンエッジ信号を発生する第１のエッジ信号発生回路２７１と、１次側制御回路２７０からの信号に基づいて第２の電力スイッチ２０５のターンオンおよびターンオフのタイミングにほぼ対応する第２のターンオフエッジ信号および第２のターンオンエッジ信号を発生する第２のエッジ信号発生回路２７２を備えている。
【００９２】
また、第１のターンオフエッジ信号および第１のターンオンエッジ信号を２次側へ伝送する第１の信号伝送トランス部２０９と、第２のターンオフエッジ信号および第２のターンオンエッジ信号を２次側へ伝送する第２の信号伝送トランス部２１０と、第１の信号伝送トランス部２０９によって伝送された第１のターンオフエッジ信号で第１の同期整流器２１１をターンオフし、第１の信号伝送トランス部２０９によって伝送された第１のターンオンエッジ信号で第１の同期整流器２１１をターンオンする第１の同期整流器制御回路２７３を備えている。さらに、第２の信号伝送トランス部２１０によって伝送された第２のターンオフエッジ信号で第２の同期整流器２１２をターンオフし、第２の信号伝送トランス部２１０によって伝送された第２のターンオンエッジ信号で第２の同期整流器２１２をターンオンする第２の同期整流器制御回路２７４を備えている。
【００９３】
入力直流電源２０１のライン間には第１・第２の電力スイッチ２０４，２０５およびコンデンサ２０６，２０７の直列回路をそれぞれ接続していて、第１・第２の電力スイッチ２０４，２０５の接続点とコンデンサ２０６，２０７の接続点との間に電力伝送トランス部２０８の１次コイル２０８Ａを接続している。
【００９４】
電力伝送トランス部２０８の２次コイル２０８Ｂ、２０８Ｃの接続点にはチョークコイル２１３の一端を接続し、チョークコイル２１３の他端と２次側グランドとに間に出力平滑コンデンサ２１４を接続している。
【００９５】
電力伝送トランス部２０８の２次コイル２０８Ｂの一端と２次側グランドとの間には第１の同期整流器２１１を接続している。また、電力伝送トランス部２０８の２次コイル２０８Ｃの一端と２次側グランドとの間には第２の同期整流器２１２を接続している。
【００９６】
このスイッチング電源モジュール３０２の入力には入力直流電源２０１が接続され、出力には負荷２１５が接続される。また、１次側制御回路電源入力部２１６には制御電源電圧が印加される。
【００９７】
第１のエッジ信号発生回路２７１は、ショットキーバリアダイオード（以下、「ＳＢＤ」）２１９，２２０、およびコンデンサ２２２で構成していて、１次側制御回路電源入力部２１６と１次側のグランドとの間に接続している。同様に、第２のエッジ信号発生回路２７２は、ＳＢＤ２１７，２１８、およびコンデンサ２２１で構成していて、１次側制御回路電源入力部２１６と１次側のグランドとの間に接続している。
【００９８】
ＰＷＭ制御回路２０２の第１のＰＷＭ信号出力端子２Ａと第１のエッジ信号発生回路２７１との間には第１の信号伝送トランス部２０９の１次コイル２０９Ａを接続している。同様に、ＰＷＭ制御回路２０２の第２のＰＷＭ信号出力端子２Ｂと第２のエッジ信号発生回路２７２との間には第２の信号伝送トランス部２１０の１次コイル２１０Ａを接続している。
【００９９】
第１の同期整流器制御回路２７３は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２２４、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２２５、ダイオード（ＰＮダイオード）２２６，２２７、ツェナーダイオード２２９、抵抗２２８を備えている。同様に、第２の同期整流器制御回路２７４は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ２３５、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ２３６、ダイオード（ＰＮダイオード）２３２，２３３、ツェナーダイオード２３０、抵抗２３１を備えている。
【０１００】
ＦＥＴ２２４、ＦＥＴ２２５、抵抗２２３の直列回路は２次側制御回路電源入力部２３７と２次側グランドとの間に接続し、ＦＥＴ２２４とＦＥＴ２２５の接続点はＮチャネルＭＯＳＦＥＴである第１の同期整流器２１１のゲートに接続している。同様にＦＥＴ２３５、ＦＥＴ２３６、抵抗２３４の直列回路は２次側制御回路電源入力部２３７と２次側グランドとの間に接続し、ＦＥＴ２３５とＦＥＴ２３６の接続点はＮチャネルＭＯＳＦＥＴである第２の同期整流器２１２のゲートに接続している。
【０１０１】
また、第１の同期整流器制御回路２７３のダイオード２２６，２２７の接続点とＦＥＴ２２４，２２５の接続点との間に第１の信号伝送トランス部２０９の２次コイル２０９Ｂを接続している。同様に、第２の同期整流器制御回路２７４のダイオード２３２，２３３の接続点とＦＥＴ２３５，２３６の接続点との間に第２の信号伝送トランス部２１０の２次コイル２１０Ｂを接続している。
【０１０２】
前記１次側制御回路２８０は、ハイサイドドライバＩＣを用いることなく、基準電位（ソース）がグランドと非接続の第２の電力スイッチ２０５を第２の信号伝送トランス部２１０を用いて駆動するように構成している。
【０１０３】
第２の電力スイッチ２０５の駆動用電力を確保するために、コンデンサ２５６及びダイオード２５５からなるブートストラップ回路２５４を設けている。このブートストラップ回路２５４の出力部と１次側グランドとの間に、ＦＥＴ２５８、ＦＥＴ２５９、抵抗２５７の直列回路を接続し、ＦＥＴ２５８とＦＥＴ２５９の接続点は第２の電力スイッチ２０５のゲートに接続している。ＦＥＴ２５８とＦＥＴ２５９のゲートにはダイオード２６０，２６１、ツェナーダイオード２６３、抵抗２６２からなる回路を接続している。そして、ダイオード２６０，２６１の接続点とＦＥＴ２５８，２５９の接続点との間に第２の信号伝送トランス部２１０の３次コイル２１０Ｃを接続している。
【０１０４】
また、抵抗２６４とＳＢＤ２６５による第１の電力スイッチ側遅延回路２７８をＰＷＭ制御回路２０２の第１のＰＷＭ信号出力端子２０２Ａと第１の電力スイッチ２０４のゲートとの間に設けている。
【０１０５】
図１２において、電力スイッチ２０４，２０５、コンデンサ２０６，２０７、同期整流器２１１，２１２、チョークコイル２１３、出力平滑コンデンサ２１４、入力直流電源２０１、及び負荷２１５以外が複合トランスモジュールで構成されている。
【０１０６】
このスイッチング電源モジュール３０２の動作は次のとおりである。先ず、第２の信号伝送トランス部２１０の３次コイルから出力される第２のターンオフエッジ信号はダイオード２６０を通してＦＥＴ２５８のゲートに印加され、ＦＥＴ２５８がターンオンし、第２の電力スイッチ２０５のゲートに電荷が充電されて第２の電力スイッチ２０５がターンオンされる。その後、第２のターンオンエッジ信号は、ダイオード２６１を通してＦＥＴ２５９のゲートに印加されてＦＥＴ２５９がターンオンし、第２の電力スイッチ２０５のゲートの電荷が放電され、第２の電力スイッチ２０５がターンオフされる。
【０１０７】
第２の信号伝送トランス部２１０の極性に応じて、電力スイッチ２０５はＰＷＭ制御回路２０２が出力した第２のＰＷＭ信号と同じタイミングで駆動され、第２の同期整流器２１２は反転したタイミングで駆動されるため、第２の電力スイッチ２０５と第２の同期整流器２１２とはほぼ相補的なタイミングで駆動される。同様にして、第１の電力スイッチ２０４と第１の同期整流器２１１がほぼ相補的なタイミングで駆動される。なお、第２の電力スイッチ２０５のゲートの充電電流は抵抗２５７で制限される。このことにより、第２の遅延時間が確保される。また、第１の電力スイッチ側遅延回路２７８で電力スイッチ２０４のゲート充電電流が制限される。このことによって第１の遅延時間が確保される。
【０１０８】
《他の実施形態》
この発明は以上に示した実施形態に限らず様々な実施形態を採り得る。例えば、複合トランスのコア形状は様々な応用形態があり、コア１８の中脚、外脚の断面は、円形や楕円形などの他の形状でもよい。また、特開平１１−３４００５８のように同心円状に複数のトランスを構成してもよい。
【０１０９】
なお、この発明は以上に示した実施形態に限らず様々な実施形態を採り得る。例えば、各実施形態では中脚、外脚の断面を共に長方形や円形以外に楕円形など他の形状でもよい。
【０１１０】
また、コアは５本脚のコアに限らず、４本脚のコアを用いて一つの電力伝送トランス部一つの信号伝送トランス部を設けてもよい。
また、コアの中脚の接合部に磁気ギャップを設けて、電力伝送トランス部の直流重畳特性を改善してもよい。
【０１１１】
また、コア１８を嵌め合わせる方法は、コア留め用の金具を用いてもよいし、プラスチック等、他の材質でコア留め用の部品を形成してもよい。コア留め用の部品を使用せず、接着剤によってコア同士を接着してもよい。
【０１１２】
また、電力伝送トランス部を形成するコイルは、プリント基板に導体パターンを形成してもよいし、線材をボビンに巻いて形成しても良く、ボビンに銅箔を絶縁シートを介して巻回しても良く、それ以外の公知のコイル形成方法も問題なく適用できる。
【０１１３】
また、この発明のスイッチング電源モジュールにおいて、信号伝送トランス１５は、同期整流器の駆動や、出力電圧、出力電流の制御、あるいは電力伝送コイル部の過電流状態、過熱状態、スイッチング電源の入力電圧の低電圧状態、過電圧状態、スイッチング電源の出力電圧の低電圧状態、又は過電圧状態などの異常動作を検出してスイッチング電源を保護する各種保護回路での利用以外に、他の用途にも応用可能である。また、例えばデジタル信号の伝送に用いてもよい。
【符号の説明】
【０１１４】
１２…複合トランスモジュール
１３…多層基板
１４…電力伝送トランス部
１４ｔ…補助コイル
１４ｐ…１次コイル
１５Ｌ，１５Ｒ…信号伝送トランス部
１４ｓ…２次コイル
１５Ｌｐ…１次コイル
１５Ｒｐ…１次コイル
１６…複合トランス
１５Ｌｓ…２次コイル
１５Ｒｓ…２次コイル
１７…１次信号処理回路
１８ＢＬａ，１８ＢＬｂ，１８ＢＲａ，１８ＢＲｂ…外脚
１８Ｔ，１８Ｂ…コア
１８ＴＣ，１８ＢＣ…中脚
１９Ｃ，１９Ｌａ，１９Ｌｂ，１９Ｒａ，１９Ｒｂ…コア脚挿通孔
２０…ボビン
２１…接続端子挿通孔
２３…接続端子
２２…２次信号処理回路
２４…複合トランスモジュール
２５…放熱シート
２６…接続端子
２７…高放熱性基板
２８…スイッチ素子
２９…入出力フィルタ
３１…接続端子
１０１ａ，１０３ａ…コイル
１０２ａ，１０２ｃ…コイル
１０２ｂ…ビア電極
１０３ａ…コイル
１０４ａ，１０４ｃ…コイル
１０４ｂ…ビア電極
１１５…入力端子
１１７，１２２…平滑コンデンサ
１１８…電力スイッチ
１１９…整流側同期整流器
１２０…転流側同期整流器
１２１…チョークコイル
１０５ａ，１０５ｃ…コイル
１０５ｂ…ビア電極
１２３…出力端子
１０６ａ，１０６ｃ…コイル
１０６ｂ…ビア電極
１２４…出力端子
１２５…マルチバイブレータ
１２９，１３０…インバータ
１３２…ＡＮＤゲート
１３６，１３７…ＭＯＳ−ＦＥＴ
３０１，３０２…スイッチング電源モジュール
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１組のコアと、１次−２次間で電力を伝送する電力伝送トランス部と、当該電力伝送トランス部とは実質的に独立して１次−２次間で信号を伝送する信号伝送トランス部と、を有する複合トランスを備え、
前記信号伝送トランス部は、前記コアの磁脚を貫通させた多層基板及び当該多層基板に形成されたコイルパターンで構成され、
信号伝送トランス部の入出力信号を処理する信号処理回路が前記多層基板に実装され、
前記複合トランスと前記信号処理回路とがモジュールとして一体形成されたことを特徴とする複合トランスモジュール。
【請求項２】
前記信号処理回路は、トランスの１次側に設けられた１次信号処理回路と、トランスの２次側に設けられた２次信号処理回路とで構成される、請求項１に記載の複合トランスモジュール。
【請求項３】
前記コアは、中脚部及び外脚部を含む少なくとも４つ以上の磁脚を有する、請求項１又は２に記載の複合トランスモジュール。
【請求項４】
前記コアの中脚部の外周に電力伝送トランス部の１次コイル及び２次コイルが巻回され、前記電力伝送トランス部の外側に少なくとも３つ以上の外脚部が形成された、請求項３に記載の複合トランスモジュール。
【請求項５】
前記電力伝送トランス部の１次コイル及び２次コイルは、前記中脚部が貫通するボビンに巻回された銅線で構成され、前記ボビンに前記多層基板が接合された、請求項４に記載の複合トランスモジュール。
【請求項６】
前記電力伝送トランス部の１次コイル及び２次コイルは、前記多層基板に形成された、前記中脚部の周囲を巻回するコイルパターンで構成された、請求項４に記載の複合トランスモジュール。
【請求項７】
前記多層基板の前記中脚部の周囲を巻回する位置に、前記信号処理回路に対する電源用のコイルパターンが形成され、
前記電源用のコイルパターンに誘起される電圧を整流平滑して前記信号処理回路へ電源電圧を供給する整流平滑回路を備えた、請求項５又６に記載の複合トランスモジュール。
【請求項８】
前記電力伝送トランス部の１次コイルへの印加電圧をスイッチングする１次電力スイッチを制御する回路を備えて、前記複合トランスモジュールが絶縁型スイッチング電源の一部を構成する、請求項１乃至７の何れかに記載の複合トランスモジュール。
【請求項９】
前記２次信号処理回路は、前記絶縁型スイッチング電源の出力電圧又は出力電流との相関性のある信号を２次側から１次側に送信する機能を備え、
前記１次信号処理回路は、前記出力電圧又は出力電流との相関性のある信号を受信し、前記出力電圧又は出力電流が目標値に漸近するように１次電力スイッチの駆動信号幅を制御するパルス幅制御機能と、前記１次電力スイッチの駆動信号を出力する手段とを備えた、請求項８に記載の複合トランスモジュール。
【請求項１０】
前記絶縁型スイッチング電源は、１次側に前記１次電力スイッチとは駆動信号の基準電位が異なるハイサイド電力スイッチを備え、
前記１次信号処理回路は、前記１次電力スイッチの駆動タイミングと関連した前記ハイサイド電力スイッチの駆動信号をモジュールから出力する手段を備えた、請求項９に記載の複合トランスモジュール。
【請求項１１】
前記１次信号処理回路は同期整流器の駆動タイミングと関連する信号を１次側から２次側に送信する回路を備え、
前記２次信号処理回路は、前記同期整流器の駆動タイミングと関連する信号を受信して、同期整流器の駆動信号を形成してモジュールから出力する回路を備える、請求項８乃至１０の何れかに記載の複合トランスモジュール。
【請求項１２】
前記信号処理回路は、前記電力伝送トランス部の１次コイル又は２次コイルの過電流状態、前記電力伝送トランス部の過熱状態、絶縁型スイッチング電源の入力電圧の低電圧状態、絶縁型スイッチング電源の入力電圧の過電圧状態、絶縁型スイッチング電源の出力電圧の低電圧状態、絶縁型スイッチング電源の出力電圧の過電圧状態の少なくとも何れかの異常状態を検出する検出回路を備え、
前記検出回路が異常動作を検出すると、前記１次電力スイッチのデューティの低減、スイッチング動作の停止、又はヒカップ動作、の何れかを行うことで前記絶縁型スイッチング電源を保護する異常動作保護手段を備えた、請求項８乃至１１の何れかに記載の複合トランスモジュール。
【請求項１】
１組のコアと、１次−２次間で電力を伝送する電力伝送トランス部と、当該電力伝送トランス部とは実質的に独立して１次−２次間で信号を伝送する信号伝送トランス部と、を有する複合トランスを備え、
前記信号伝送トランス部は、前記コアの磁脚を貫通させた多層基板及び当該多層基板に形成されたコイルパターンで構成され、
信号伝送トランス部の入出力信号を処理する信号処理回路が前記多層基板に実装され、
前記複合トランスと前記信号処理回路とがモジュールとして一体形成されたことを特徴とする複合トランスモジュール。
【請求項２】
前記信号処理回路は、トランスの１次側に設けられた１次信号処理回路と、トランスの２次側に設けられた２次信号処理回路とで構成される、請求項１に記載の複合トランスモジュール。
【請求項３】
前記コアは、中脚部及び外脚部を含む少なくとも４つ以上の磁脚を有する、請求項１又は２に記載の複合トランスモジュール。
【請求項４】
前記コアの中脚部の外周に電力伝送トランス部の１次コイル及び２次コイルが巻回され、前記電力伝送トランス部の外側に少なくとも３つ以上の外脚部が形成された、請求項３に記載の複合トランスモジュール。
【請求項５】
前記電力伝送トランス部の１次コイル及び２次コイルは、前記中脚部が貫通するボビンに巻回された銅線で構成され、前記ボビンに前記多層基板が接合された、請求項４に記載の複合トランスモジュール。
【請求項６】
前記電力伝送トランス部の１次コイル及び２次コイルは、前記多層基板に形成された、前記中脚部の周囲を巻回するコイルパターンで構成された、請求項４に記載の複合トランスモジュール。
【請求項７】
前記多層基板の前記中脚部の周囲を巻回する位置に、前記信号処理回路に対する電源用のコイルパターンが形成され、
前記電源用のコイルパターンに誘起される電圧を整流平滑して前記信号処理回路へ電源電圧を供給する整流平滑回路を備えた、請求項５又６に記載の複合トランスモジュール。
【請求項８】
前記電力伝送トランス部の１次コイルへの印加電圧をスイッチングする１次電力スイッチを制御する回路を備えて、前記複合トランスモジュールが絶縁型スイッチング電源の一部を構成する、請求項１乃至７の何れかに記載の複合トランスモジュール。
【請求項９】
前記２次信号処理回路は、前記絶縁型スイッチング電源の出力電圧又は出力電流との相関性のある信号を２次側から１次側に送信する機能を備え、
前記１次信号処理回路は、前記出力電圧又は出力電流との相関性のある信号を受信し、前記出力電圧又は出力電流が目標値に漸近するように１次電力スイッチの駆動信号幅を制御するパルス幅制御機能と、前記１次電力スイッチの駆動信号を出力する手段とを備えた、請求項８に記載の複合トランスモジュール。
【請求項１０】
前記絶縁型スイッチング電源は、１次側に前記１次電力スイッチとは駆動信号の基準電位が異なるハイサイド電力スイッチを備え、
前記１次信号処理回路は、前記１次電力スイッチの駆動タイミングと関連した前記ハイサイド電力スイッチの駆動信号をモジュールから出力する手段を備えた、請求項９に記載の複合トランスモジュール。
【請求項１１】
前記１次信号処理回路は同期整流器の駆動タイミングと関連する信号を１次側から２次側に送信する回路を備え、
前記２次信号処理回路は、前記同期整流器の駆動タイミングと関連する信号を受信して、同期整流器の駆動信号を形成してモジュールから出力する回路を備える、請求項８乃至１０の何れかに記載の複合トランスモジュール。
【請求項１２】
前記信号処理回路は、前記電力伝送トランス部の１次コイル又は２次コイルの過電流状態、前記電力伝送トランス部の過熱状態、絶縁型スイッチング電源の入力電圧の低電圧状態、絶縁型スイッチング電源の入力電圧の過電圧状態、絶縁型スイッチング電源の出力電圧の低電圧状態、絶縁型スイッチング電源の出力電圧の過電圧状態の少なくとも何れかの異常状態を検出する検出回路を備え、
前記検出回路が異常動作を検出すると、前記１次電力スイッチのデューティの低減、スイッチング動作の停止、又はヒカップ動作、の何れかを行うことで前記絶縁型スイッチング電源を保護する異常動作保護手段を備えた、請求項８乃至１１の何れかに記載の複合トランスモジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１１−１９２７２４（Ｐ２０１１−１９２７２４Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５５９９６（Ｐ２０１０−５５９９６）
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月１２日（２０１０．３．１２）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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