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CN114172364A - 电源模块及dc-dc转换器 - Google Patents

电源模块及dc-dc转换器 Download PDF

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Abstract

实施方式提供一种能够小型化及轻薄化的电源模块及DC‑DC转换器。有关本实施方式的电源模块具有电容器和开关电路。开关电路具有多个开关元件，通过多个开关元件的连接、非连接的组合，进行使用输入电压的电容器的充电，使输出与输入电压不同的输出电压。电容器是硅电容器，多个开关元件的各个是晶体管。

Description

电源模块及DC-DC转换器
本申请主张以第2020－152084号日本专利申请(申请日：2020年9月10日)为基础申请的优先权。本申请通过引用该基础申请而包含其全部内容。
技术领域
本发明的实施方式涉及电源模块及DC-DC转换器。
背景技术
随着控制器等的电力消耗增加，所需要的功率密度增加，对在基板上安装的电源模块要求的功率密度也上升。另一方面，电源模块及DC-DC转换器在推进小型化和轻薄化。
然而，为了满足电源模块所需要的电容，对于通常使用的电解电容器或者多层陶瓷电容器需要规定以上的体积，导致电源模块的小型化和轻薄化变困难。
发明内容
本发明的实施方式提供一种能够小型化及轻薄化的电源模块及DC-DC转换器。
有关本实施方式的电源模块具有电容器和开关电路。开关电路具有多个开关元件，通过多个开关元件的连接、非连接的组合，进行使用输入电压的电容器的充电，使输出与输入电压不同的输出电压。电容器是硅电容器，多个开关元件的各个是晶体管。
附图说明
图1是表示有关一个实施方式的DC-DC转换器的结构的框图。
图2是表示DC-DC转换器的升压动作的一例的图。
图3是表示将电源模块构成于基板上的例子的图。
图4是表示将图3所示的电源模块层叠化的例子的图。
图5是表示将图3所示的电源模块和控制器层叠化的例子的图。
图6是表示将追加了防逆流二极管的电源模块构成于基板上的例子的图。
图7是表示将图6所示的电源模块构成于基板上的例子的俯视图。
图8是表示将图7所示的电源模块层叠化的例子的图。
图9是表示将图7所示的电源模块和控制器层叠化的例子的图。
图10是表示层叠了电容器的例子的图。
具体实施方式
下面，对于有关本发明的实施方式的电源模块及DC-DC转换器，参照附图进行详细说明。另外，下面示出的实施方式是本发明的实施方式的一例，本发明不由这些实施方式限定而进行解释。并且，在本实施方式所参照的附图中，对相同的部分或者具有相同功能的部分赋予相同的标号或者相似的标号，并存在省略其重复说明的情况。另外，附图的尺寸比例为了说明上的方便，存在与实际的比例不同的情况、和结构的一部分从附图中省略的情况。
(一个实施方式)
图1是表示有关一个实施方式的DC-DC转换器1的结构的框图。如图1所示，有关本实施方式的DC-DC转换器1是将输入电压Vin转换成输出电压Vout的电源，具有电源模块10和控制器20。在图1中还图示了端子T20～T36。
电源模块10是能够将输入电压Vin转换成输出电压Vout的电源模块，具有开关电路12和电容器14。开关电路12的一端与端子T34连接，另一端与端子T36连接。端子T34是低电位侧的端子，与接地电位GND连接。端子T36输出输出电压Vout。另外，在后面的说明中，为了简化说明，设接地电位GND为0V而进行说明。
开关电路12具有第一开关元件120、第二开关元件122、第三开关元件124及第四开关元件126。如图1所示，从端子T36朝向端子T34，按照第一开关元件120、第二开关元件122、第三开关元件124、第四开关元件126的顺序串联连接。第一开关元件120、第二开关元件122、第三开关元件124及第四开关元件126的厚度是50～300μm左右。有关本实施方式的第一开关元件120、第二开关元件122、第三开关元件124及第四开关元件126例如构成为50μm。
在第一开关元件120、第二开关元件122、第三开关元件124及第四开关元件126各自的栅极，经由对应的端子T20～T26从控制器20输入栅极信号。即，端子T20～T26与控制器20连接。
第一开关元件120的一端(MOSFET的漏极侧)与作为正极的端子T36连接。第一开关元件120的另一端(MOSFET的源极侧)与第二开关元件122的一端(MOSFET的漏极侧)连接，第二开关元件122的另一端(MOSFET的源极侧)与第三开关元件124的一端(MOSFET的漏极侧)连接，第三开关元件124的另一端(MOSFET的源极侧)与第四开关元件126的一端(MOSFET的漏极侧)连接。第四开关元件126的另一端(MOSFET的源极侧)与作为负极的端子T34连接。
端子T28与第二开关元件122的另一端和第三开关元件124的一端连接。
电容器14例如是硅电容器(silicon capacitor)，厚度是50～300μm左右。有关本实施方式的硅电容器的厚度与第一开关元件120～第四开关元件126的厚度对应。电容器14例如构成为50μm。由此，在将电容器14、第一开关元件120、第二开关元件122、第三开关元件124及第四开关元件126构成于相同的基板或者相同的成膜上的情况下，距基板表面或者成膜表面为相同程度的高度。
电容器14的一端与第一开关元件120和第二开关元件122的连接点连接，另一端与第三开关元件124和第四开关元件126的连接点连接。
控制器20生成第一开关元件120、第二开关元件122、第三开关元件124及第四开关元件126的栅极信号，将栅极信号经由端子T20～T26提供给第一开关元件120～第四开关元件126。控制器20例如构成为包含CPU。
图2是表示DC-DC转换器1的升压动作的一例的图。如图2中的左图所示，电源30连接于端子T28和端子T32之间，电解电容器35及负载40连接于端子T34和端子T36之间。电解电容器35用于使供给至负载40的电压稳定。
如图2中的左图所示，首先如果将第二开关元件122及第四开关元件126设为连接状态(ON)，将第一开关元件120及第三开关元件124设为非连接状态(OFF)，则电流流过A路径，电容器14充电。然后，如果将第二开关元件122及第四开关元件126设为非连接状态(OFF)，并且将第一开关元件120及第三开关元件124设为连接状态(ON)，则在B路径中输出电压Vout输出输入电压Vin的2倍的电压。通过该动作，能够将DC电压Vin转换成不同的DC电压Vout。在本实施方式中说明了升压动作的一例，但不限定于此，也可以进行降压动作。并且，关于有关本实施方式的DC-DC转换器，第一开关元件120、第二开关元件122、第三开关元件124及第四开关元件126串联连接，但不限定于此。例如，可以是具有电抗、开关元件及电容器的升压型DC-DC转换器，或具有电抗、开关元件及电容器的降压型DC-DC转换器等。
图3是表示将电源模块10构成于基板200上的例子的图。上侧是俯视图，下侧是侧视图。如图3所示，控制器20安装于和开关电路12及电容器14不同的基板。并且，开关电路12及电容器14分别构成为平板状。
由此，如上所述，能够不受控制器20的厚度的影响，而使开关电路12及电容器14的厚度对应，例如将上表面构成在相同平面。如上所述，例如在开关电路12由MOSFET构成的例子中，能够构成为50μm左右的厚度。如果以相同程度的厚度构成基板200，则电源模块10例如能够以100μm左右的芯片厚度构成。另外，还可以通过绝缘膜覆盖开关电路12及电容器14。
图4是表示层叠了图3所示的电源模块10的例子的图。如图4所示，能够根据所需要的功率将电源模块10并列层叠。在这种情况下，例如能够将对应的端子T20～T36分别连接进行并联化。这样，能够容易地根据所需要的功率进行电源模块10的厚度(层叠数)的调整。例如，如果是一片电源模块10就足够的电力容量，则构成为100μm的厚度。这样，能够根据电源模块10的层叠数增加电力供给。
图5是表示层叠化图3所示的电源模块10和控制器20的例子的图。如图5所示，将配置了开关电路12及电容器14的电源模块10、和控制器20构成在不同的层。由此，能够更容易地根据所需要的功率将电源模块10并列层叠。
并且，在电源模块10之间层叠绝缘膜300。各端子T20～T36的连接通过通孔等连接部电连接。
图6是表示将追加了防逆流二极管16的电源模块10构成于基板200上的例子的图。通过防逆流二极管16能够抑制逆电压。并且，如图6所示，可以根据需要对电源模块10追加二极管等元件。
图7是表示图6所示的将电源模块10构成于基板200上的例子的俯视图。电源模块10a～10d是与图6所示的电源模块10等同的结构。即，虽然端子T20～T36位于相同位置，但是将电源模块10按顺序逐次旋转90度进行配置。
图8是表示将图7所示的电源模块10a～10d层叠化的例子的图。在图8中配置为开关电路12在相邻的电源模块10之间不位于相同位置。由此，能够减轻热量的不均。并且，连接控制器20和开关电路12的信号线的长度根据电源模块10a～10d的位置而变化，所以各个电源模块10a～10d的输出电压的变化的定时错开。由此，能够抑制所谓的纹波。
图9是表示将图7所示的电源模块10a～10d和控制器20层叠化的例子的图。如图9所示，能够一边减轻热量的不均，一边根据所需要的功率将电源模块10a～10d并列层叠。
图10是表示层叠了电容器14的例子的图。如图10所示，在最上方的层配置控制器20和开关电路12。电容器14并列层叠在其他的层。由此，能够通过改变电容器14的层叠数来变更电容。
如以上说明的那样，根据本实施方式，通过晶体管构成电源模块10的开关电路12，通过硅电容器构成电容器14。由此，能够以对应的厚度构成开关电路12和电容器14。并且，将电源模块10并列层叠化。由此，能够更容易地构成与电力容量对应的电源模块。
以上说明了几个实施方式，但这些实施方式仅是作为例子提示的，并非意图限定发明的范围。在本说明书中说明的新的装置、方法及程序能够以其他各种各样的形态实施。并且，针对在本说明书中说明新的装置、方法及程序，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种各样的省略、替换、变更。

Claims (11)

1.一种电源模块，其具有：
电容器；以及
开关电路，具有多个开关元件，通过所述多个开关元件的连接、非连接的组合，进行使用输入电压的所述电容器的充电，使与所述输入电压不同的输出电压输出，
所述电容器是硅电容器，所述多个开关元件的各个是晶体管。
2.根据权利要求1所述的电源模块，其中，
所述电容器及所述多个开关元件分别构成为平板状，
所述电容器的厚度和所述多个开关元件各自的厚度分别对应，构成于同一基板或者同一膜上。
3.根据权利要求1所述的电源模块，其中，
所述电容器的厚度和所述多个开关元件的厚度是300微米以下。
4.根据权利要求1所述的电源模块，其中，
所述开关电路的两端与输出直流输出电压的输出端子连接，四个开关元件按照第一开关元件、第二开关元件、第三开关元件及第四开关元件的顺序串联连接，
所述电容器连接于所述第一开关元件和所述第二开关元件的连接部、与所述第三开关元件和所述第四开关元件的连接部之间。
5.根据权利要求4所述的电源模块，其中，
将所述第二开关元件及所述第四开关元件设为连接状态、将所述第一开关元件及所述第三开关元件设为非连接状态，对所述电容器进行充电，然后将所述第二开关元件及所述第四开关元件设为非连接状态、将所述第一开关元件及所述第三开关元件设为连接状态。
6.一种DC-DC转换器，其中，
所述DC-DC转换器具有多个权利要求1～5中任一项所述的电源模块，将各所述电源模块并列连接并进行层叠。
7.根据权利要求6所述的DC-DC转换器，其中，
所述DC-DC转换器还具有控制器，层叠在与层叠的所述电源模块不同的层，控制所述开关电路。
8.根据权利要求7所述的DC-DC转换器，其中，
所述DC-DC转换器配置成使上下层叠的所述电源模块的所述开关电路的位置不同。
9.根据权利要求8所述的DC-DC转换器，其中，
所述开关电路的输出经由防逆流二极管与输出端子连接。
10.一种DC-DC转换器，其中，
所述DC-DC转换器具有多个权利要求1～5中任一项所述的电源模块、和控制所述开关电路的控制器，
所述DC-DC转换器对构成于同一层的所述控制器及所述开关电路、和构成于不同的层的所述电容器进行层叠。
11.根据权利要求10所述的DC-DC转换器，其中，
所述电容器为，多个电容器并列连接，并且各个电容器层叠于不同的层。
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