ＤＣ―ＤＣ 컨버터 document_id A220623107770

휴대 전화기, 휴대 정보 단말기 PDA, 노트북형 컴퓨터, 휴대형 음악/비디오 플레이어, 디지털 카메라, 비디오 카메라 등의 각종의 휴대형 전자 기기의 상당수는, 전원 전압을 동작 전압으로 변환하는 장치로서 DC-DC 컨버터를 구비하고 있다. DC-DC 컨버터의 회로의 일례로서, 도 26은, 입력 컨덴서 Cin, 출력 컨덴서 Cout, 출력 인덕터 Lout, 및 제어 회로 CC 등을 포함하는 반도체 집적회로 IC에 의해 구성된 강압형 DC-DC 컨버터의 회로를 나타낸다. 강압형 DC-DC 컨버터에서는, 반도체 집적회로 IC 내의 스위칭 소자(예를 들면, 전계 효과 트랜지스터)를 제어 신호에 따라 스위칭하고, 직류 입력 전압 Vin을 출력 전압 Vout[=Ton/(Ton+Toff)×Vin(Ton은 스위칭 소자를 온 하고 있는 시간이고, Toff는 오프 하고 있는 시간이다.)]에 강압한다. 입력 전압 Vin이 변동되어도 Ton과 Toff의 비율을 조정하고, 일정한 출력 전압 Vout을 안정적으로 출력한다. 도 27은, 반도체 집적회로 IC 내의 스위칭 소자의 회로의 일례를 나타낸다. MOS 트랜지스터 SW1, SW2를 교대로 ON/OFF하는 스위칭 동작을 제어하는 제어 회로 CC가, 실리콘 반도체 기판에 형성되어 있다. 제어 회로 CC 자체는 공지되어 있으므로, 그 설명은 생략한다. 입력 컨덴서 Cin은, 입력 전압 Vin의 과도시의 안정화나 전압 스파이크 방지를 위해 설치되어 있지만, 생략 가능하다. 직류 전압 Vout을 출력하기 위한 필터 회로(평활 회로)는, 전류 에너지의 축적과 방출을 행하는 출력 인덕터 Lout와, 전압 에너지의 축적과 방출을 행하는 출력 컨덴서 Cout의 조합에 의해 구성된다. DC-DC 컨버터의 소형화 등을 위해 스위칭 주파수는 더욱더 높아지고, 현재는 1MHz의 주파수로 스위칭 되는 DC-DC 컨버터가 사용되고 있다. 또 CPU 등의 반도체 장치에 대하여는, 고속화 및 고기능화와 함께 동작 전압의 저하 및 고전류화가 진행되어, DC-DC 컨버터의 출력도 저전압화 및 고전류화가 요구되고 있다. 그러나 동작 전압이 저하되면, 반도체 장치는 DC-DC 컨버터의 출력 전압의 변동(리플)의 영향을 받기 쉽게 된다. 이것을 방지하기 위하여, 스위칭 주파수를 다시 2 ~ 10MHz 정도로 높인 DC-DC 컨버터도 제안되어 있다. 도 28은 승압형 DC-DC 컨버터의 회로 구성예를 나타낸다. 이 DC-DC 컨버터는, 입력 인덕터 Lin, 출력 컨덴서 Cout, 및 제어 회로 CC를 포함하는 반도체 집적회로 IC에 의해 구성된다. 스위칭 소자를 온, 오프 하고 있는 시간을 조정함으로써, 입력 전압 Vin 보다 높은 출력 전압 Vout을 얻는다. DC-DC 컨버터의 다른 예로서, 도 29는, 입력 컨덴서 Cin, 출력 컨덴서 Cout, 출력 인덕터 Lout1, Lout2, 및 제어 회로 CC를 포함하는 반도체 집적회로 IC에 의해 구성된 멀티페이즈형의 강압형 DC-DC 컨버터를 나타낸다. 멀티페이즈형 DC-DC 컨버터는 복수의 스위칭 회로를 가지고, 스위칭 주기가 중첩되지 않도록 스위칭 회로를 상이한 위상으로 다상 동작시켜, 각 스위칭 회로의 출력 전류를 평활 회로로 합성한다. 이로써, 각 경로를 저전류화하는 동시에, 리플을 억제한다. 이와 같은 회로 구성에서는, 외관의 동작 주파수가 스위칭 주파수의 n배이므로, 스위칭 주파수를 1/n로 할 수 있다. 그러므로 고주파 특성이 우수하여 출력 인덕터 Lout1, Lout2를 사용할 필요가 없고, Q값의 높은 인덕터를 이용할 수 있는 등, 부품의 선택의 폭이 넓다. 멀티페이즈형 DC-DC 컨버터는, 2페이즈형에서는 180° 위상차로 동작하고, 3페이즈형에서는 120° 위상차로 동작한다. 페이즈 수m의 증가에 따라 인덕터의 수도 증가하지만, 필요한 인덕턴스는 1/m로 되므로, 소형의 인덕터나 Q값의 높은 인덕터를 이용할 수 있어 DC-DC 컨버터가 현저하게 대형으로 되지 않는다. 이와 같은 DC-DC 컨버터는, 스위칭 소자 및 제어 회로 CC를 포함하는 반도체 집적회로 IC(능동 소자)나, 인덕터 또는 컨덴서 등의 수동 소자를, 접속 선로가 형성된 프린트 회로 기판 등의 회로 기판상에 디스크리트 회로로서 구성하는 것이 일반적이다. 수동 소자 중 적어도 수㎛ 정도의 인덕턴스가 필요한 인덕터는 대형으로, 회로 기판의 큰 면적을 점유하고, 소형화가 용이하지 않다. 또한, 능동 소자와 수동 소자를 접속하는 패턴이 회로 기판에 필요하기 때문에, 디스크리트 회로로서 구성하는 DC-DC 컨버터의 소형화에는 한계가 있다. 소형화를 위하여, 반도체 집적회로나 인덕터를 복합 일체화하는 것이 제안되어 있다. 예를 들면, 일본국 특개 2004-063676호는, 접속 단자(스터드 단자) ST를 가지는 프린트 회로 기판 PB와, 접속 단자 ST에 접속한 칩 인덕터 CI와, 프린트 회로 기판 PB에 실장된 반도체 집적회로 IC를 가지고, 칩 인덕터 CI와 반도체 집적회로 IC가 상하로 중첩하여 배치되어 있는 DC-DC 컨버터를 개시하고 있다(도 30 참조). 또 일본국 특개 2005-124271호는, 평활용 인덕터 SI가 내장된 유리 에폭시 다층 기판 MS의 상면에 반도체 집적회로 IC 및 평활용 컨덴서 SC를 배치하고, 평활용 인덕터 SI, 평활용 컨덴서 SC 및 반도체 집적회로 IC를 다층 기판 MS상의 배선으로 접속한 DC-DC 컨버터를 개시하고 있다(도 31 참조). 일본국 특개 2004-063676호 및 일본국 특개 2005-124271호의 DC-DC 컨버터에서는, 능동 소자 및 수동 소자를 접속하기 위한 배선 패턴이 불필요하므로, 실장 면적이 작지만, 하기의 문제가 있다. 제1 문제는, 수μH 정도의 인덕턴스가 필요한 칩 인덕터 CI를 반도체 집적회로 IC와 같이 소형화할 수 없는 것이다. 일본국 특개 2004-063676호의 DC-DC 컨버터는, 프린트 회로 기판 PB를 대형의 칩 인덕터 CI보다 1회 크게 하지 않을 수 없기 때문에, 소형화하지 못하고, 또 프린트 회로 기판 PB 및 스터드 단자 ST의 분만큼 두꺼워진다. 일본국 특개 2005-124271호의 DC-DC 컨버터에서는, 유리 에폭시 다층 기판 MS의 가로 방향으로 자속이 발생하도록 구성된 인덕터 SI는, 자로 단면적이 작으므로, 원하는 인덕턴스를 얻기 위해서는 적층 코일 권취수를 증가시키지 않을 수 없어, 소형화가 곤란하다. 또 적층 코일 권취수의 증가에 따라 직류 저항이 커지고, 출력 전압 Vout가 저하되므로, DC-DC 컨버터의 변환 효율이 저하되는 문제도 있다. 제2 문제는 인덕터의 누출 자속이다. 일본국 특개 2004-063676호 및 일본국 특개 2005-124271호의 DC-DC 컨버터에서는, 반도체 집적회로와 인덕터가 근접하여 배치되어 있으므로, 인덕터의 누출 자속을 충분히 저감하지 않으면 안 된다. 도 32는, 적층 인덕터(전기 절연층(더미 절연층)과 코일 패턴이 교대로 적층되고, 코일 패턴의 단부가 차례로 접속되어 적층 코일이 형성되고, 가장 외측의 단부가 외부 전극에 접속되어 있다.)로부터 발생하는 자속을 나타낸다. 적층 코일로 발생한 자속은 더미 절연층을 통과하지만, 더미 절연층이 비자성이거나 충분히 두껍지 않으면, 자속이 일부 누출되는 경우가 있다. 누출 자속은, 반도체 집적회로 등의 주위의 전자 부품에 대하여 노이즈로서 작용한다. 또 일본국 특개 2005-124271호와 같이 다층 기판에 능동 소자 및 수동 소자를 접속하는 패턴을 가지는 경우, 누출 자속은 접속 패턴으로도 전류를 유기하고, 노이즈를 생기게 한다. 누출 자속을 방지하는 데는 더미 절연층을 두껍게 한다. 또 측면으로의 자속의 누출을 방지하는 데는, 적층 코일 직경을 작게 하고 더미 절연층을 두껍게 하여, 적층 코일 외주의 영역을 크게 할 필요가 있다. 그러나 적층 코일 직경을 작게 하면 그만큼 코일 패턴의 층수가 많아지므로, 적층 인덕터가 두껍게 되어, 공정수도 증가하고, 또한 직류 저항이 증대한다. 더미 절연층을 두껍게 하면 적층 인덕터가 두꺼워진다. 또 적층 코일 외주의 영역을 크게 하면 다층 기판이 대형화된다. 제3 문제는 기생 인덕턴스이다. 회로 소자의 접속 선로 자체도 기생 인덕턴스를 가진다. 예를 들면, 도 27에 나타내는 강압형 DC-DC 컨버터에 있어서, 트랜지스터 스위치 SW1의 소스 측에 기생 인덕턴스가 직렬로 접속되면 트랜지스터 스위치 SW1가 OFF시, 기생 인덕턴스를 가지는 접속 선로에 역기전력이 생기고, 트랜지스터 스위치 SW1의 소스 단자의 전압이 상승한다. 그러므로 턴온 손실이 커지고, 변환 효율이 저하된다. 일본국 특개 2004-063676호 및 일본국 특개 2005-124271호와 같이 프린트 회로 기판에 선로 패턴을 형성하는 경우에는, 변환 효율을 저하시킬 정도의 인덕터는 형성되지 않지만, 자성체를 사용한 다층 기판(10)에 선로 패턴을 설치하는 경우, 큰 기생 인덕턴스가 생기는 경우가 있다. 제4 문제는 반도체 집적회로에 생기는 열이다. 방열이 충분하지 않으면, 트랜지스터 스위치가 열폭주할 우려가 있다. 또 인덕터를 구성하는 절연층에 자성체를 사용하는 경우, 인덕턴스가 변동되고, 변환 효율이 저하된다.