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JP7337762B2 - 電源モジュール、及びｄｃ－ｄｃコンバータ - Google Patents

電源モジュール、及びｄｃ－ｄｃコンバータ Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、電源モジュール、及びＤＣ－ＤＣコンバータに関する。
コントローラ等の消費電力増加に伴い、必要な電力密度は増え、ボード上に実装する電源モジュールに求められる電力密度も上昇している。一方で、電源モジュール及びＤＣ－ＤＣコンバータの小型化や薄型化が進められている。
ところが、電源モジュールに必要とされる容量を満たすためには、一般に使用される電解コンデンサあるいは多層セラミックコンデンサでは、所定以上の体積が必要となり、電源モジュールの小型化や薄型化が困難となってしまう。
特開平６－３３４１１９号公報
本発明が解決しようとする課題は、小型化や薄型化が可能な電源モジュール、及びＤＣ－ＤＣコンバータを提供することである。
本実施形態に係る電源モジュールは、容量と、スイッチング回路と、を備える。スイッチング回路は、複数のスイッチング素子を有し、複数のスイッチング素子の接続、非接続の組合せにより、入力電圧を用いた容量の充電を行い、入力電圧と異なる出力電圧を出力させる。容量はシリコンコンデンサであり、複数のスイッチング素子は、それぞれトランジスタである。
一実施形態に係るＤＣ－ＤＣコンバータの構成を示すブロック図。 ＤＣ－ＤＣコンバータの昇圧動作の一例を示す図。 電源モジュールを基板上に構成した例を示す図。 図３で示した電源モジュールを積層した例を示す図。 図３で示した電源モジュールとコントローラを積層化した例を示す図。 逆流防止ダイオードを追加した電源モジュールを基板上に構成した例を示す図。 図６で示した電源モジュールを基板上に構成した例を示す上面図で。 図７で示した電源モジュールを積層化する例を示す図。 図７で示した電源モジュールとコントローラを積層化した例を示す図。 容量を積層した例を示す図。
以下、本発明の実施形態に係る電源モジュール、及びＤＣ－ＤＣコンバータについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。
（一実施形態）
図１は、一実施形態に係るＤＣ－ＤＣコンバータ１の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係るＤＣ－ＤＣコンバータ１は、入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔに変換する電源であり、電源モジュール１０と、コントローラ２０とを、備える。図１には、更に端子Ｔ２０～Ｔ３６が図示されている。
電源モジュール１０は、入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔに変換可能な電源モジュールであり、スイッチング回路１２と、容量１４とを有する。スイッチング回路１２は、一端が端子Ｔ３４に接続され、他端が端子Ｔ３６に接続される。端子Ｔ３４は低電位側の端子であり、接地電位ＧＮＤに接続される。端子Ｔ３６は、出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。なお、以後の説明では、説明を簡単にするため、接地電位ＧＮＤを０ボルトとして説明する。
スイッチング回路１２は、第１スイッチング素子１２０、第２スイッチング素子１２２、第３スイッチング素子１２４、及び第４スイッチング素子１２６を有する。図１に示すように、端子Ｔ３６から端子Ｔ３４に向かって、第１スイッチング素子１２０、第２スイッチング素子１２２、第３スイッチング素子１２４、第４スイッチング素子１２６の順に直列に接続される。第１スイッチング素子１２０、第２スイッチング素子１２２、第３スイッチング素子１２４、及び第４スイッチング素子１２６は、５０～３００μｍ程度の厚さである。本実施形態に係る第１スイッチング素子１２０、第２スイッチング素子１２２、第３スイッチング素子１２４、及び第４スイッチング素子１２６は、例えば５０μｍで構成される。
第１スイッチング素子１２０、第２スイッチング素子１２２、第３スイッチング素子１２４、及び第４スイッチング素子１２６の各々のゲートには、対応する端子Ｔ２０～Ｔ２６を介してコントローラ２０からゲート信号が入力される。すなわち、端子Ｔ２０～Ｔ２６は、コントローラ２０に接続される。
第１スイッチング素子１２０の一端（ＭＯＳＦＥＴのドレイン側）は正極である端子Ｔ３６に接続される。第１スイッチング素子１２０の他端（ＭＯＳＦＥＴのソース側）には第２スイッチング素子１２２の一端（ＭＯＳＦＥＴのドレイン側）が接続され、第２スイッチング素子１２２の他端（ＭＯＳＦＥＴのソース側）には第３スイッチング素子１２４の一端（ＭＯＳＦＥＴのドレイン側）が接続され、第３スイッチング素子１２４の他端（ＭＯＳＦＥＴのソース側）には第４スイッチング素子１２６の一端（ＭＯＳＦＥＴのドレイン側）が接続されている。第４スイッチング素子１２６の他端（ＭＯＳＦＥＴのソース側）は負極である端子Ｔ３４に接続される。
端子Ｔ２８には第２スイッチング素子１２２の他端と第３スイッチング素子１２４の一端とが接続される。
容量１４は、例えばシリコンキャパシター（シリコンコンデンサ）であり、５０～３００μｍ程度の厚さである。本実施形態に係るシリコンキャパシターの厚さは、第１スイッチング素子１２０～第４スイッチング素子１２６の厚さに対応させている。容量１４は、例えば５０μｍで構成される。これにより、容量１４、第１スイッチング素子１２０、第２スイッチング素子１２２、第３スイッチング素子１２４、及び第４スイッチング素子１２６を同一基板又は同一の成膜上に構成した場合に、基板表面又は成膜表面から同程度の高さとなる。なお、本実施形態に係るシリコンキャパシター
容量１４の一端は、第１スイッチング素子１２０と第２スイッチング素子１２２との接続点に接続され、他端は、第３スイッチング素子１２４と第４スイッチング素子１２６との接続点に接続される。
コントローラ２０は、第１スイッチング素子１２０、第２スイッチング素子１２２、第３スイッチング素子１２４、及び第４スイッチング素子１２６のゲート信号を生成し、ゲート信号を、端子Ｔ２０～Ｔ２６を介して第１スイッチング素子１２０～第４スイッチング素子１２６に供給する。コントローラ２０は、例えばＣＰＵを含んで構成される。
図２は、ＤＣ－ＤＣコンバータ１の昇圧動作の一例を示す図である。図２の左図で示すように、端子Ｔ２８及び端子Ｔ３２間には、電源３０が接続され、端子Ｔ３４及び端子Ｔ３６間には、電解コンデンサ３５、及び負荷４０が接続される。電解コンデンサ３５は、負荷４０に供給する電圧を安定化するために用いられる。
図２の左図で示すように、先ず、第２スイッチング素子１２２、及び第４スイッチング素子１２６を接続状態（オン）にし、第１スイッチング素子１２０、及び第３スイッチング素子１２４を非接続状態（オフ）にすると、Ａの経路で電流が流れ容量１４が充電される。次に、第２スイッチング素子１２２、及び第４スイッチング素子１２６を非接続状態（オフ）にすると共に、第１スイッチング素子１２０、及び第３スイッチング素子１２４を接続状態（オン）にすると、Ｂの経路で出力電圧Ｖｏｕｔに入力電圧Ｖｉｎの２倍の電圧が出力される。この動作によりＤＣ電圧Ｖｉｎを異なるＤＣ電圧Ｖｏｕｔに変換することができる。本実施形態では、昇圧動作の一例を説明したが、これに限定されず、降圧動作を行ってもよい。また、本実施委形態に係るＤＣ－ＤＣコンバータでは、第１スイッチング素子１２０、第２スイッチング素子１２２、第３スイッチング素子１２４、及び第４スイッチング素子１２６が直列に接続されるがこれに限定されない。例えば、リアクタンス、スイッチング素子、及び容量を有する昇圧型ＤＣ－ＤＣコンバータ、リアクタンス、スイッチング素子、及び容量を有する降圧型ＤＣ－ＤＣコンバータなどでもよい。
図３は、電源モジュール１０を基板２００上に構成した例を示す図である。上側は上面図であり、下側は側面図である。図３に示すように、コンローラ２０は、スイッチング回路１２、及び容量１４と異なった基板に実装される。また、スイッチング回路１２、及び容量１４のそれぞれは、平板状に構成される。
これにより、上述のように、コンローラ２０の厚さの影響を受けずに、スイッチング回路１２、及び容量１４の厚さを対応させて、例えば上面を面一に構成可能となる。上述のように、例えばスイッチング回路１２がＭＯＳＦＥＴで構成される例だと、５０μｍ程度の厚さで、構成可能である。電源モジュール１０は、基板２００を同程度の厚さで構成すると、例えば１００μｍ程度のチップ厚で構成可能となる。なお、スイッチング回路１２、及び容量１４を絶縁膜で覆ってもよい。
図４は、図３で示した電源モジュール１０を積層した例を示す図である。図４に示すように、必要とされる電力に応じて電源モジュール１０を並列に積層することが可能である。この場合、例えば対応する端子Ｔ２０～Ｔ３６をそれぞれ接続し、並列化することが可能である。このように、必要とされる電力に応じて電源モジュール１０の厚さ（積層数）の調整を容易に行うことが可能である。例えば、電源モジュール１０が一枚で足りる電力容量であれば、１００μｍの厚さで構成される。このように、電源モジュール１０の積層数により、電力供給を増加させることが可能となる。
図５は、図３で示した電源モジュール１０とコントローラ２０を積層化した例を示す図である。図５に示すように、スイッチング回路１２及び容量１４を配置した電源モジュール１０と、コントローラ２０とを別の層に構成する。これにより、必要とされる電力に応じて電源モジュール１０を並列に積層することをより簡易に行うことが可能となる。
また、電源モジュール１０間に絶縁膜３００が積層化される。各端子Ｔ２０～Ｔ３６の接続は、ビアなどの接続部を介して電気的に接続される。
図６は、逆流防止ダイオード１６を追加した電源モジュール１０を基板２００上に構成した例を示す図である。逆流防止ダイオード１６により逆電圧を抑制可能となる。また、図６に示すように、電源モジュール１０には、必要に応じて、ダイオードなどの素子を増加させてよい。
図７は、図６で示した電源モジュール１０を基板２００上に構成した例を示す上面図である。電源モジュール１０ａ～１０ｄは、図６で示した電源モジュール１０と同等の構成である。すなわち、端子Ｔ２０～Ｔ３６は同位置であるが、電源モジュール１０を順に９０度ずつ回転して、配置している。
図８は、図７で示した電源モジュール１０ａ～１０ｄを積層化する例を示す図である。図８では、スイッチング回路１２が隣接する電源モジュール１０間で同じ位置にならないように配置される。これにより、熱の偏りを軽減することが可能となる。また、コントローラ２０とスイッチング回路１２を結ぶ信号ラインの長さが電源モジュール１０ａ～１０ｄの位置によって変わってくるため、それぞれの電源モジュール１０ａ～１０ｄの出力電圧の変化のタイミングがずれる。これにより、所謂リプルを抑制することが可能となる。
図９は、図７で示した電源モジュール１０ａ～１０ｄとコントローラ２０を積層化した例を示す図である。図９に示すように、熱の偏りを軽減しつつ、必要とされる電力に応じて電源モジュール１０ａ～１０ｄを並列に積層することが可能となる。
図１０は、容量１４を積層した例を示す図である。図１０に示すように、一番上の層にコントローラ２０とスイッチング回路１２とを配置する。容量１４は別の層に並列に積層される。これにより、容量１４の積層数を変えることにより容量を変更可能となる。
以上説明したように、本実施形態によれば、電源モジュール１０のスイッチング回路１２をトランジスタで構成し、容量１４をシリコンキャパシターで構成することとした。これにより、スイッチング回路１２と容量１４を対応する厚さで構成可能となる。また、電源モジュール１０を並列に積層化することとした。これにより、より容易に電力容量に応じた電源モジュールを構成できる。
以上、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規な装置、方法及びプログラムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明した装置、方法及びプログラムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。
１：ＤＣ－ＤＣコンバータ、１０：電源モジュール、１２：スイッチング回路、１４：容量、２０：コントロ－ラ、１２０：第１スイッチング素子、１２２：第２スイッチング素子、１２４：第３スイッチング素子、１２６：第４スイッチング素子。

Claims (5)

  1. 電源モジュールと、
    コントローラとを備える、ＤＣ－ＤＣコンバータであって、
    前記電源モジュールは、
    容量と、
    複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子の接続、非接続の組合せにより、入力電圧を用いた前記容量の充電を行い、前記入力電圧と異なる出力電圧を出力させるスイッチング回路とを、有し、
    前記容量はシリコンコンデンサであり、前記複数のスイッチング素子は、それぞれトランジスタであり、
    前記コントローラは、前記スイッチング回路を制御するコントローラであって、
    同一の層に構成した前記コントローラ、及び前記スイッチング回路と、
    異なる層に構成した前記容量と、を積層したＤＣ－ＤＣコンバータ。
  2. 前記容量の厚さと、前記複数のスイッチング素子の厚さとは３００ミクロン以下である、請求項１に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
  3. 前記スイッチング回路は、直流出力電圧を出力する出力端子に両端が接続され、４つのスイッチング素子が、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子の順番で直列に接続され、
    前記容量は、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との接続部と、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との接続部との間に接続される、請求項１に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
  4. 前記第２スイッチング素子、及び第４スイッチング素子を接続状態にし、前記第１スイッチング素子、及び前記第３スイッチング素子を非接続状態にして前記容量を充電した後に、前記第２スイッチング素子、及び前記第４スイッチング素子を非接続状態にし、第１スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子を接続状態にする、請求項３に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
  5. 前記容量は、複数の容量が並列接続され、それぞれの容量が異なる層に積層される、請求項１に記載のＤＣ－ＤＣコンバータ。
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