利用微變壓器的功率和信息信號傳遞的制作方法
【專利說明】利用微變壓器的功率和信息信號傳遞
[0001] 本申請是申請日為2005年8月19日、分案提交日為2011年8月17日、申請號為 201110235730. 6，發明名稱為"利用微變壓器的功率和信息信號傳遞"的發明專利申請的分 案申請。前述申請號為201110235730.6的分案申請是申請日為2005年8月19日、申請號 為200580032955. 4,發明名稱為"利用微變壓器的功率和信息信號傳遞"的發明專利申請的 分案申請。
【背景技術】
[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，從而在二者之間無電流。
[0003] 除了提供信息信號的隔離傳遞之外，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，可以用兩個分離的具有不同地線的電源提供電源；或者通過提 供帶有分立變壓器的隔離DC-DC轉換器以從提供給隔離阻障一側的功率導出隔離阻障另 一側的功率，從而提供電源。
[0004] 圖1示出了全橋正向DC-DC轉換器的例子。轉換器100具有驅動變壓器TR1的開 關晶體管MP1、MP2、麗1和麗2。四個開關晶體管可以被實現為全PM0S型或者全NM0S型。 在典型的操作中，首先，晶體管MP1和麗2導通一個時間段DT(0 < D < 1);然后，晶體管麗1 和麗2導通一個時間段（l-D)T，其中T代表半周期。然后，晶體管MP2和晶體管麗1導通一 個時間段DT ;晶體管MP1和MP2導通該周期的持續時間。因為功率僅在兩個DT時間段期 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關閉（導通）的第一個DT時間段期間，電流被提供通過變壓 器TR1的初級繞組102,并且在次級繞組104中被感應以傳遞到整流器106、濾波器108和 負載（未示出），其中負載連接在輸出端子V (OUT)與輸出側地線GNDB (不同于輸入側地線 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導通的第二 個DT時間段中，該磁化電感放電。
[0006] 為了生產小的隔離器，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繞組，包括但不限于半導體技術，優選以有 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。如果兩個繞組都在半導體襯底上形成， 可能與該襯底接觸或分離開，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"微變壓器在公開受讓的美國專利No. 6, 219, 907和2002年8月8日提交的、公開號 為2003/0042571的美國專利申請序列號10/214,883中示出，這兩個專利文獻均以參考的 方式全部包括在此。微變壓器通常具有小的電感（L)和高的串聯電阻（R)，因而它們的L/R 值小。時間段DT應小于L/R，否則變壓器將由于串聯電阻R上的電壓降而使電流飽和并損 失效率。如果濾波感應器L F也被形成為微感應器，則可能由于高的串聯電阻而進一步損失 效率。利用微變壓器難以獲得大的濾波器電感，因此鼓勵使用高值的濾波電容器C2來使轉 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] 在一些具有諧振開關（resonant switching)的裝置中，為了使用微變壓器，高開 關頻率被用來驅動晶體管開關。但是，隨著頻率變高和DT變小，控制電路會變得更復雜也 更困難。
【發明內容】
[0008] 此處所述的實施例包括可以提供跨隔離阻障的功率的功率轉換器，諸如通過使用 線圈。實施例包括帶有片上微變壓器的功率轉換器和帶有以正反饋配置與變壓器相連的晶 體管的線圈驅動器。片上變壓器不需要鐵芯。可以通過測量輸出功率并按需要在電源和線 圈驅動器之間打開或關閉開關，以受控的方式將線圈驅動器耦合到電源電壓。此處描述的 其它實施例包括可以隔離使用也可以不隔離使用的FET驅動器。
[0009] 電路中所使用的變壓器可以是空心裝置，并且可以利用半導體處理技術被形成為 一個或多個襯底上的非常小的裝置，從而制造小裝置。通過以下詳細描述、附圖和權利要 求，其它特征和優點將顯而易見。
【附圖說明】
[0010] 圖1是典型的現有技術全橋開關DC-DC轉換器的簡化電路示意圖；
[0011] 圖2A是隔離的功率轉換器的簡化的部分示意、部分框圖，圖2B具有圖2A所示電 路的一組波形。
[0012] 圖3是儲能回路的示意圖。
[0013] 圖4和圖5是圖2A所示電路的可選實施例。
[0014] 圖6是在襯底上實現的與圖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驅動器的示意圖。
[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換器的示意圖。
【具體實施方式】
[0018] 本發明的應用不限于以下介紹中所描述或附圖所示出的元件構造和結構的細節， 而是可以適用于其它實施例并且可以用多種方法實施或執行。并且，此處所使用的措辭和 術語僅出于描述之目的，不應被視為限制性的。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目和這些項目的等價物以及附加項目。不論是否 示出，實施例的各個方面可以單獨實施或者以不同的組合實施，并且所示出或所討論的每 個實施例均視為非限制性例子。
[0019] 現在將討論由單個電源供電的隔離器的例子，其中通過使用微變壓器從該單個電 源導出第二隔離電源。
[0020] 參考圖2A，示出了隔離的功率轉換器200的第一實施例的簡化示意電路圖。電壓 源Vdd通過開關212被耦合到線圈驅動器210。線圈驅動器包括晶體管QMP1、QMP2、QMN1 和QMN2,這些晶體管以正反饋配置連接。這些晶體管優選不將它們的柵極直接耦合到控制 電路來導通和切斷它們，而是依靠開關212來連接到電壓電源。
[0021] 為了驅動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 級繞組202并聯，形成LC儲能回路網絡。儲能回路網絡以由下式給出的頻率f開關，
【主權項】
1. 一種功率轉換器，包括沒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. 如權利要求1中所述的轉換器，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. 如權利要求1中所述的轉換器，其中所述第一繞組和第二繞組不被電流隔離。
4. 如權利要求1中所述的轉換器，還包括反饋電路，用于耦合從所述第二繞組上的信 號所導出的反饋信號以控制提供給所述第一繞組的信號。
5. 如權利要求4中所述的轉換器，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，其中所述反饋網絡包括隔離阻障，用于將信號從所述第二繞組側提供至所述 第一繞組側。
6. 如權利要求1中所述的轉換器，其中所述第一繞組與電容并聯，以形成諧振頻率至 少為約IOOMHz的儲能回路。
7. 如權利要求1中所述的轉換器，其中所述轉換器為DC-DC功率轉換器。
8. 如權利要求1中所述的轉換器，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。
9. 如權利要求8中所述的轉換器，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. -種功率轉換器，包括： 包括與電容并聯的線圈的儲能回路，所述儲能回路用于以至少IOMHz的頻率振蕩；和 用于連接電源并且耦合到所述儲能回路的開關電路。
11. 如權利要求10所述的轉換器，其中所述儲能回路的線圈是變壓器的初級繞組。
12. 如權利要求11所述的轉換器，其中所述變壓器為沒有鐵芯的片上變壓器。
13. 如權利要求10所述的轉換器，其中所述電容包括獨立電容器。
14. 如權利要求10所述的轉換器，還包括開關電路，所述開關電路包括至少一個用于 將所述儲能回路耦合到電壓電源的晶體管，其中所述電容由所述開關電路中所述至少一個 晶體管提供。
15. 如權利要求14中所述的轉換器，其中所述開關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 中另一個的一側。
16. 如權利要求10中所述的轉換器，其中所述頻率大于約50MHz。
17. 如權利要求10中所述的轉換器，其中所述頻率大于約100MHz。
【專利摘要】功率轉換器提供跨隔離阻障的功率，諸如通過使用線圈。線圈驅動器具有以正反饋配置連接的晶體管，并通過測量輸出功率、且按照需要在電源和線圈驅動器之間打開或關閉開關，以受控方式耦合至電源電壓。輸出電路、諸如FET驅動器可以隔離或不隔離地被使用，以提供功率和邏輯信號。
【IPC分類】H02M3-337, H02M3-335
【公開號】CN104734515
【申請號】CN201510046516
【發明人】陳保興, 羅恩·克力格
【申請人】美國亞德諾半導體公司
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2005年8月19日
【公告號】CN101189786A, CN101189786B, CN102324851A, CN102324851B, EP1787382A2, EP1787382A4, US7489526, US7548440, US7613016, US7706154, US20060039169, US20070052399, US20070052514, US20080094046, WO2006023767A2, WO2006023767A3