利用微變壓器的功率和信息信號(hào)傳遞的制作方法
【專利說(shuō)明】利用微變壓器的功率和信息信號(hào)傳遞
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2005年8月19日、分案提交日為2011年8月17日、申請(qǐng)?zhí)枮?201110235730. 6，發(fā)明名稱為"利用微變壓器的功率和信息信號(hào)傳遞"的發(fā)明專利申請(qǐng)的分 案申請(qǐng)。前述申請(qǐng)?zhí)枮?01110235730.6的分案申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2005年8月19日、申請(qǐng)?zhí)?為200580032955. 4,發(fā)明名稱為"利用微變壓器的功率和信息信號(hào)傳遞"的發(fā)明專利申請(qǐng)的 分案申請(qǐng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 可以用在輸入電路和輸出電路之間具有隔離阻障（isolation barrier)的隔離器 提供裝置之間的電（電流）隔離。輸入電路可以被參考第一地線，輸出電路可以參考不同 的第二地線，第二地線與第一地線電流隔離，從而在二者之間無(wú)電流。
[0003] 除了提供信息信號(hào)的隔離傳遞之外，這些裝置通常還具有要由彼此隔離的電源供 電的輸入和輸出電路。例如，可以用兩個(gè)分離的具有不同地線的電源提供電源；或者通過(guò)提 供帶有分立變壓器的隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器以從提供給隔離阻障一側(cè)的功率導(dǎo)出隔離阻障另 一側(cè)的功率，從而提供電源。
[0004] 圖1示出了全橋正向DC-DC轉(zhuǎn)換器的例子。轉(zhuǎn)換器100具有驅(qū)動(dòng)變壓器TR1的開(kāi) 關(guān)晶體管MP1、MP2、麗1和麗2。四個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管可以被實(shí)現(xiàn)為全PM0S型或者全NM0S型。 在典型的操作中，首先，晶體管MP1和麗2導(dǎo)通一個(gè)時(shí)間段DT(0 < D < 1);然后，晶體管麗1 和麗2導(dǎo)通一個(gè)時(shí)間段（l-D)T，其中T代表半周期。然后，晶體管MP2和晶體管麗1導(dǎo)通一 個(gè)時(shí)間段DT ;晶體管MP1和MP2導(dǎo)通該周期的持續(xù)時(shí)間。因?yàn)楣β蕛H在兩個(gè)DT時(shí)間段期 間傳遞，所以電壓或者功率傳遞由變量D控制。
[0005] 在晶體管MP1和麗2關(guān)閉（導(dǎo)通）的第一個(gè)DT時(shí)間段期間，電流被提供通過(guò)變壓 器TR1的初級(jí)繞組102,并且在次級(jí)繞組104中被感應(yīng)以傳遞到整流器106、濾波器108和 負(fù)載（未示出），其中負(fù)載連接在輸出端子V (OUT)與輸出側(cè)地線GNDB (不同于輸入側(cè)地線 GNDA)之間。電流也被汲取以為變壓器的磁化電感充電。在晶體管MP2和麗1導(dǎo)通的第二 個(gè)DT時(shí)間段中，該磁化電感放電。
[0006] 為了生產(chǎn)小的隔離器，可以利用微變壓器。如此處所使用的，"微變壓器"是指小 的變壓器，其中利用平面制作方法形成至少一個(gè)繞組，包括但不限于半導(dǎo)體技術(shù)，優(yōu)選以有 利于與相同或類似襯底上的其它電路元件相互連接的方法。平面繞組可以在硅襯底上（上 或上方）、印刷電路板（PCB)或者其他材料上形成。如果兩個(gè)繞組都在半導(dǎo)體襯底上形成， 可能與該襯底接觸或分離開(kāi)，則微變壓器被稱為"片上"的。片上微變壓器的例子、尤其是 "空心"微變壓器在公開(kāi)受讓的美國(guó)專利No. 6, 219, 907和2002年8月8日提交的、公開(kāi)號(hào) 為2003/0042571的美國(guó)專利申請(qǐng)序列號(hào)10/214,883中示出，這兩個(gè)專利文獻(xiàn)均以參考的 方式全部包括在此。微變壓器通常具有小的電感（L)和高的串聯(lián)電阻（R)，因而它們的L/R 值小。時(shí)間段DT應(yīng)小于L/R，否則變壓器將由于串聯(lián)電阻R上的電壓降而使電流飽和并損 失效率。如果濾波感應(yīng)器L F也被形成為微感應(yīng)器，則可能由于高的串聯(lián)電阻而進(jìn)一步損失 效率。利用微變壓器難以獲得大的濾波器電感，因此鼓勵(lì)使用高值的濾波電容器C2來(lái)使轉(zhuǎn) 換器輸出上的紋波最小化。使用大的濾波電容器通常與制作小隔離器的目的不一致。
[0007] 在一些具有諧振開(kāi)關(guān)（resonant switching)的裝置中，為了使用微變壓器，高開(kāi) 關(guān)頻率被用來(lái)驅(qū)動(dòng)晶體管開(kāi)關(guān)。但是，隨著頻率變高和DT變小，控制電路會(huì)變得更復(fù)雜也 更困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 此處所述的實(shí)施例包括可以提供跨隔離阻障的功率的功率轉(zhuǎn)換器，諸如通過(guò)使用 線圈。實(shí)施例包括帶有片上微變壓器的功率轉(zhuǎn)換器和帶有以正反饋配置與變壓器相連的晶 體管的線圈驅(qū)動(dòng)器。片上變壓器不需要鐵芯。可以通過(guò)測(cè)量輸出功率并按需要在電源和線 圈驅(qū)動(dòng)器之間打開(kāi)或關(guān)閉開(kāi)關(guān)，以受控的方式將線圈驅(qū)動(dòng)器耦合到電源電壓。此處描述的 其它實(shí)施例包括可以隔離使用也可以不隔離使用的FET驅(qū)動(dòng)器。
[0009] 電路中所使用的變壓器可以是空心裝置，并且可以利用半導(dǎo)體處理技術(shù)被形成為 一個(gè)或多個(gè)襯底上的非常小的裝置，從而制造小裝置。通過(guò)以下詳細(xì)描述、附圖和權(quán)利要 求，其它特征和優(yōu)點(diǎn)將顯而易見(jiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0010] 圖1是典型的現(xiàn)有技術(shù)全橋開(kāi)關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化電路示意圖；
[0011] 圖2A是隔離的功率轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化的部分示意、部分框圖，圖2B具有圖2A所示電 路的一組波形。
[0012] 圖3是儲(chǔ)能回路的示意圖。
[0013] 圖4和圖5是圖2A所示電路的可選實(shí)施例。
[0014] 圖6是在襯底上實(shí)現(xiàn)的與圖2A所示相似的電路的部分透視、部分示意圖。
[0015] 圖7A和圖8A是隔離的FET驅(qū)動(dòng)器的示意圖。
[0016] 圖7B和圖8B分別為圖7A和圖8A所示電路的波形圖。
[0017] 圖9是可以不隔離提供的電源轉(zhuǎn)換器的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018] 本發(fā)明的應(yīng)用不限于以下介紹中所描述或附圖所示出的元件構(gòu)造和結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)， 而是可以適用于其它實(shí)施例并且可以用多種方法實(shí)施或執(zhí)行。并且，此處所使用的措辭和 術(shù)語(yǔ)僅出于描述之目的，不應(yīng)被視為限制性的。此處使用"包括"、"包含"或"具有"、"含有"、 "涉及"及其變體是表示包括其后所列的項(xiàng)目和這些項(xiàng)目的等價(jià)物以及附加項(xiàng)目。不論是否 示出，實(shí)施例的各個(gè)方面可以單獨(dú)實(shí)施或者以不同的組合實(shí)施，并且所示出或所討論的每 個(gè)實(shí)施例均視為非限制性例子。
[0019] 現(xiàn)在將討論由單個(gè)電源供電的隔離器的例子，其中通過(guò)使用微變壓器從該單個(gè)電 源導(dǎo)出第二隔離電源。
[0020] 參考圖2A，示出了隔離的功率轉(zhuǎn)換器200的第一實(shí)施例的簡(jiǎn)化示意電路圖。電壓 源Vdd通過(guò)開(kāi)關(guān)212被耦合到線圈驅(qū)動(dòng)器210。線圈驅(qū)動(dòng)器包括晶體管QMP1、QMP2、QMN1 和QMN2,這些晶體管以正反饋配置連接。這些晶體管優(yōu)選不將它們的柵極直接耦合到控制 電路來(lái)導(dǎo)通和切斷它們，而是依靠開(kāi)關(guān)212來(lái)連接到電壓電源。
[0021] 為了驅(qū)動(dòng)可以被形成為片上微變壓器的功率變壓器TR2,電容器Cl與變壓器的初 級(jí)繞組202并聯(lián)，形成LC儲(chǔ)能回路網(wǎng)絡(luò)。儲(chǔ)能回路網(wǎng)絡(luò)以由下式給出的頻率f開(kāi)關(guān)，
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種功率轉(zhuǎn)換器，包括沒(méi)有鐵芯的第一片上變壓器，所述變壓器至少包括第一繞組 和第二繞組，用于將功率從所述第一繞組耦合到所述第二繞組。
2. 如權(quán)利要求1中所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述第一繞組和第二繞組參考不同的地線，并 且電流隔離。
3. 如權(quán)利要求1中所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述第一繞組和第二繞組不被電流隔離。
4. 如權(quán)利要求1中所述的轉(zhuǎn)換器，還包括反饋電路，用于耦合從所述第二繞組上的信 號(hào)所導(dǎo)出的反饋信號(hào)以控制提供給所述第一繞組的信號(hào)。
5. 如權(quán)利要求4中所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述第一繞組與第二繞組參考不同的地線，并 且電流隔離，其中所述反饋網(wǎng)絡(luò)包括隔離阻障，用于將信號(hào)從所述第二繞組側(cè)提供至所述 第一繞組側(cè)。
6. 如權(quán)利要求1中所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述第一繞組與電容并聯(lián)，以形成諧振頻率至 少為約IOOMHz的儲(chǔ)能回路。
7. 如權(quán)利要求1中所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述轉(zhuǎn)換器為DC-DC功率轉(zhuǎn)換器。
8. 如權(quán)利要求1中所述的轉(zhuǎn)換器，還包括具有第一繞組和第二繞組的第二片上變壓 器，其中所述第二片上變壓器用于耦合邏輯信號(hào)。
9. 如權(quán)利要求8中所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述第一變壓器的第一繞組和所述第二變壓器 的第一繞組參考同一地線，并且與各自的第二繞組參考不同的地線。
10. -種功率轉(zhuǎn)換器，包括： 包括與電容并聯(lián)的線圈的儲(chǔ)能回路，所述儲(chǔ)能回路用于以至少IOMHz的頻率振蕩；和 用于連接電源并且耦合到所述儲(chǔ)能回路的開(kāi)關(guān)電路。
11. 如權(quán)利要求10所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述儲(chǔ)能回路的線圈是變壓器的初級(jí)繞組。
12. 如權(quán)利要求11所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述變壓器為沒(méi)有鐵芯的片上變壓器。
13. 如權(quán)利要求10所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述電容包括獨(dú)立電容器。
14. 如權(quán)利要求10所述的轉(zhuǎn)換器，還包括開(kāi)關(guān)電路，所述開(kāi)關(guān)電路包括至少一個(gè)用于 將所述儲(chǔ)能回路耦合到電壓電源的晶體管，其中所述電容由所述開(kāi)關(guān)電路中所述至少一個(gè) 晶體管提供。
15. 如權(quán)利要求14中所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述開(kāi)關(guān)電路包括第一晶體管和第二晶體 管，所述第一晶體管和第二晶體管每個(gè)的控制端口被耦合到所述第一晶體管和第二晶體管 中另一個(gè)的一側(cè)。
16. 如權(quán)利要求10中所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述頻率大于約50MHz。
17. 如權(quán)利要求10中所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述頻率大于約100MHz。
【專利摘要】功率轉(zhuǎn)換器提供跨隔離阻障的功率，諸如通過(guò)使用線圈。線圈驅(qū)動(dòng)器具有以正反饋配置連接的晶體管，并通過(guò)測(cè)量輸出功率、且按照需要在電源和線圈驅(qū)動(dòng)器之間打開(kāi)或關(guān)閉開(kāi)關(guān)，以受控方式耦合至電源電壓。輸出電路、諸如FET驅(qū)動(dòng)器可以隔離或不隔離地被使用，以提供功率和邏輯信號(hào)。
【IPC分類】H02M3-337, H02M3-335
【公開(kāi)號(hào)】CN104734515
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510046516
【發(fā)明人】陳保興, 羅恩·克力格
【申請(qǐng)人】美國(guó)亞德諾半導(dǎo)體公司
【公開(kāi)日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2005年8月19日
【公告號(hào)】CN101189786A, CN101189786B, CN102324851A, CN102324851B, EP1787382A2, EP1787382A4, US7489526, US7548440, US7613016, US7706154, US20060039169, US20070052399, US20070052514, US20080094046, WO2006023767A2, WO2006023767A3