一种隔离型功率变换器基于高压电容耦合的控制芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种隔离型功率变换器基于高压电容耦合的控制芯片，包括副边控制电路、高压电容隔离耦合电路以及原边控制电路。本发明专利技术由于采用了片上高压电容隔离耦合电路，在保证控制和检测精度的同时，简化了系统外围电路，从而无需辅助绕组、分立隔离电路或片外偏置和补偿电路，从而减小了电路板面积，降低了分立器件的成本，提高系统的可靠性。本发明专利技术由于采用了与现有工艺相兼容的电容结构，从而能够在无需对现有IC制造工艺进行改造的情况下，直接将电容与控制电路制作在同一片晶片上，从而在不增加芯片制造成本的情况下获得上述性能改进。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于功率变换器
，具体涉及一种隔离型功率变换器基于高压电容耦合的控制芯片。
技术介绍
目前，在隔离型功率变换电路中，使用变压器实现输入与输出的电气隔离。功率控制开关在输入侧对输出进行控制。为了构成负反馈控制环路，需要采样输出侧电学信号，经过控制运算，将输出侧信号转换为控制信号送给输入侧功率开关。为了实现隔离，该反馈环通路信号需要进行电气隔离传输。隔离型功率变换电路的隔离需要在2KV以上。为了解决隔离问题，目前有两类解决方法。第一类解决隔离问题的方法是采用输入侧反馈检测，如图1(a)所示，在功率变压器的原边对输出电压电流进行检测，对应采用原边峰值电流控制方式的控制器，此种检测方式需要在开关周期的特定部分，通过功率变压器的电压感应来检测输出电压大小，其控制精度有限；如图1(b)所示，在功率变压器中添加了一个辅助绕组，通过变压器的电磁感应来检测输出电压，此种方式需要在变压器中添加额外的绕组，需要占用额外的印刷电路板面积并增加变压器的成本。另一类解决隔离问题的方法是在反馈通路中添加隔离电路，根据隔离电路的原理，隔离方式分为磁隔离、光耦隔离、电感耦合隔离等；图1(c)所示了现有采用光耦隔离方式的功率变换器，该变换器能够获得较好的输出电压采样精度，提高变换器的输出特性；但是该种方案要求额外的光耦及其配套的采样补偿电路，需要额外占用电路板的面积并增加成本。由此可见，磁隔离方式以及光耦隔离方式需要利用额外的隔离元件实现隔离，难以集成到单颗控制芯片内部；电感耦合隔离方式能够利用芯片封装引线框架，将隔离通路集成在单个封装内，但需要特殊的封装框架，此外电感耦合隔离方式还对外部电磁环境较为敏感，容易出现误触发。
技术实现思路
针对现有技术所存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种隔离型功率变换器基于高压电容耦合的控制芯片，通过采用片上高压隔离反馈通路，在保证控制和检测精度的同时，简化了系统外围电路，从而减小了电路板面积，降低了分立器件的成本，提高系统的可靠性。一种隔离型功率变换器基于高压电容耦合的控制芯片，包括副边控制电路、高压电容隔离耦合电路以及原边控制电路；其中：所述的副边控制电路通过检测功率变换器的输出电压及输出电流，经相应控制逻辑运算得到功率变换器原边主功率开关管的开关控制信号；所述的高压电容隔离耦合电路用于对副边控制电路和原边控制电路进行电气隔离，同时将副边控制电路生成的开关控制信号传输给原边控制电路；所述的原边控制电路通过高压电容隔离耦合电路接收所述的开关控制信号，用以对主功率开关管进行开关控制。所述功率变换器原边的主功率开关管封装于所述的控制芯片内；所述功率变换器中跨接原副两边地线之间的跨接电容封装于所述的控制芯片内。所述的高压电容隔离耦合电路包括反相放大器、高压电容以及电压比较器；其中，所述反相放大器的输入端与副边控制电路相连以接收所述的开关控制信号，输出端通过引线与高压电容的上极板相连；高压电容的下极板与电压比较器的同相输入端相连，电压比较器的反相输入端接参考电平，电压比较器的输出端与原边控制电路相连，所述的反相放大器作为发送器，所述的电压比较器作为接收器。所述的高压电容隔离耦合电路包括反相放大器、高压电容、偏置电阻以及电压比较器；其中，所述反相放大器的输入端与副边控制电路相连以接收所述的开关控制信号，输出端通过引线与高压电容的上极板相连；高压电容的下极板与电压比较器的同相输入端以及偏置电阻的一端相连，偏置电阻的另一端接偏置电压，电压比较器的反相输入端接参考电平，电压比较器的输出端与原边控制电路相连，所述的反相放大器作为发送器，所述的偏置电阻和电压比较器组成作为接收器。所述的高压电容隔离耦合电路包括两个反相放大器、两个高压电容、两个偏置电阻以及电压比较器；其中一反相放大器的输入端与副边控制电路相连以接收所述的开关控制信号，输出端与另一反相放大器的输入端相连同时通过引线与其中一高压电容的上极板相连；另一反相放大器的输出端通过引线与另一高压电容的上极板相连，其中一高压电容的下极板与一偏置电阻的一端以及电压比较器的同相输入端相连，另一高压电容的下极板与另一偏置电阻的一端以及电压比较器的反相输入端相连，两个偏置电阻的另一端共连并接偏置电压，电压比较器的输出端与原边控制电路相连；所述的两个反相放大器组成作为发送器，所述的两个偏置电阻和电压比较器组成作为接收器。所述的控制芯片内包含有互相隔离的两个晶片，其中原边控制电路、主功率开关管、接收器和高压电容封装于其中一个晶片上，副边控制电路和发送器封装于另一个晶片上。作为一种实现形式，所述的高压电容包括嵌设于P衬底上的一圈P+有源区以及一块N+有源区且N+有源区位于P+有源区圈内，所述的N+有源区上设有氧化层，所述的氧化层上设有顶层金属，所述的顶层金属作为高压电容的上极板通过引线与发送器相连，所述的P+有源区接原边地，所述的N+有源区作为高压电容的下极板与接收器相连。作为另一种实现形式，所述的高压电容包括嵌设于P衬底上的一圈P+有源区以及一块N阱且N阱位于P+有源区圈内，所述的N阱上嵌设有一圈N+有源区，位于N+有源区圈内的N阱上设有氧化层，所述的氧化层上设有顶层金属，所述的顶层金属作为高压电容的上极板通过引线与发送器相连，所述的P+有源区接原边地，所述的N+有源区作为高压电容的下极板与接收器相连。作为又一种实现形式，所述的高压电容包括嵌设于P衬底上的一圈P+有源区以及一块N阱且N阱位于该P+有源区圈内；所述的N阱上嵌设有一圈N+有源区和一块P+有源区且该P+有源区位于N+有源区圈内，该P+有源区上设有氧化层，所述的氧化层上设有顶层金属，所述的顶层金属作为高压电容的上极板通过引线与发送器相连，外围的一圈P+有源区接原边地，内围的一块P+有源区作为高压电容的下极板与接收器相连，所述的N+有源区接原边电源电压。作为又一种实现形式，所述的高压电容包括嵌设于P衬底上的一块P阱，所述的P阱上嵌设有一圈P+有源区和一块N+有源区且N+有源区位于P+有源区圈内，所述的N+有源区上设有氧化层，所述的氧化层上设有顶层金属，所述的顶层金属作为高压电容的上极板通过引线与发送器相连，所述的P+有源区接原边地，所述的N+有源区作为高压电容的下极板与接收器相连。作为又一种实现形式，所述的高压电容包括嵌设于P衬底上的一圈P+有源区，位于P+有源区圈内的P衬底上设有第一氧化层，所述的第一氧化层上设有中间层金属，所述的中间层金属上设有第二氧化层，所述的第二氧化层上设有顶层金属，所述的顶层金属作为高压电容的上极板通过引线与发送器相连，所述的P+有源区接原边地，所述的中间层金属作为高压电容的下极板与接收器相连。作为又一种实现形式，所述的高压电容包括设于P衬底上的两组顶层金属，顶层金属与P衬底之间通过氧化层隔离，两组顶层金属采用插指状结构，使得两者之间的寄生电容即构成所述的高压电容，其中一组顶层金属作为高压电容的上极板通过引线与发送器相连，另一组顶层金属作为高压电容的下极板与接收器相连。本专利技术由于采用了片上高压电容隔离耦合电路，在保证控制和检测精度的同时，简化了系统外围电路，从而无需辅助绕组、分立隔离电路或片外偏置和补偿电路，从而减小了电路板面积，降低了分立器件的成本，提高系统的可靠性。本专利技术由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种隔离型功率变换器基于高压电容耦合的控制芯片，其特征在于，包括副边控制电路、高压电容隔离耦合电路以及原边控制电路；其中：所述的副边控制电路通过检测功率变换器的输出电压及输出电流，经相应控制逻辑运算得到功率变换器原边主功率开关管的开关控制信号；所述的高压电容隔离耦合电路用于对副边控制电路和原边控制电路进行电气隔离，同时将副边控制电路生成的开关控制信号传输给原边控制电路；所述的原边控制电路通过高压电容隔离耦合电路接收所述的开关控制信号，用以对主功率开关管进行开关控制。

【技术特征摘要】
1.一种隔离型功率变换器基于高压电容耦合的控制芯片，其特征在于，包括副边控制电路、高压电容隔离耦合电路以及原边控制电路；其中：所述的副边控制电路通过检测功率变换器的输出电压及输出电流，经相应控制逻辑运算得到功率变换器原边主功率开关管的开关控制信号；所述的高压电容隔离耦合电路用于对副边控制电路和原边控制电路进行电气隔离，同时将副边控制电路生成的开关控制信号传输给原边控制电路；所述的原边控制电路通过高压电容隔离耦合电路接收所述的开关控制信号，用以对主功率开关管进行开关控制。2.根据权利要求1所述的控制芯片，其特征在于：所述的高压电容隔离耦合电路包括反相放大器、高压电容以及电压比较器；其中，所述反相放大器的输入端与副边控制电路相连以接收所述的开关控制信号，输出端通过引线与高压电容的上极板相连；高压电容的下极板与电压比较器的同相输入端相连，电压比较器的反相输入端接参考电平，电压比较器的输出端与原边控制电路相连，所述的反相放大器作为发送器，所述的电压比较器作为接收器；或所述的高压电容隔离耦合电路包括反相放大器、高压电容、偏置电阻以及电压比较器；其中，所述反相放大器的输入端与副边控制电路相连以接收所述的开关控制信号，输出端通过引线与高压电容的上极板相连；高压电容的下极板与电压比较器的同相输入端以及偏置电阻的一端相连，偏置电阻的另一端接偏置电压，电压比较器的反相输入端接参考电平，电压比较器的输出端与原边控制电路相连，所述的反相放大器作为发送器，所述的偏置电阻和电压比较器组成作为接收器；或所述的高压电容隔离耦合电路包括两个反相放大器、两个高压电容、两个偏置电阻以及电压比较器；其中一反相放大器的输入端与副边控制电路相连以接收所述的开关控制信号，输出端与另一反相放大器的输入端相连同时通过引线与其中一高压电容的上极板相连；另一反相放大器的输出端通过引线与另一高压电容的上极板相连，其中一高压电容的下极板与一偏置电阻的一端以及电压比较器的同相输入端相连，另一高压电容的下极板与另一偏置电阻的一端以及电压比较器的反相输入端相连，两个偏置电阻的另一端共连并接偏置电压，电压比较器的输出端与原边控制电路相连；所述的两个反相放大器组成作为发送器，所述的两个偏置电阻和电压比较器组成作为接收器。3.根据权利要求2所述的控制芯片，其特征在于：所述的控制芯片内包含有互相隔离的两个晶片，其中原边控制电路、主功率开关管、接收器和高压电容封装于其中一个晶片上，副边控制电路和发送器封装于另一个晶片上。4.根据权利要求1所述的控制芯片，其特征在于：所述功率变换器中跨接原副两边地线之间的跨接电容封装于所述的控...

【专利技术属性】
技术研发人员：冷亚辉，奚剑雄，何乐年，朱勤为，黄飞明，
申请(专利权)人：浙江大学，无锡硅动力微电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33