隔离的电容性功率传输制造技术

本申请案涉及隔离的电容性功率传输。展示一种用于跨串联谐振电路的电容器将隔离功率传输提供到低功率负载的方法及装置。所述方法包含：比较经由反馈环路接收到的输出电压与所期望的输出电压。响应于确定所述输出电压不等于所述期望的输出电压，所述方法确定所述串联谐振电路的谐振频率的子谐波阶以用作切换频率，并大体上以所述谐振频率的所述确定的子谐波阶切换所述串联谐振电路。

【技术实现步骤摘要】
隔离的电容性功率传输优先权主张及相关专利申请案此非临时申请案基于以下先前美国临时专利申请案主张优先权：(i)以陈磊(LeiChen)、拉贾什·穆霍帕德亚(RajarshiMukhopadhyay)、及马克W.摩根(MarkW.Morgan)的名义，在2015年10月21日申请的“谐波电容性功率传输(HARMONICCAPACITIVEPOWERTRANSFER)”的第62/244,224号申请案；所述申请案特此以全文引用的方式并入。
所揭示的实施例大体上涉及功率传输的领域。更特定来说，且并非通过任何限制，本专利技术涉及改进低功率电容性功率传输的效率。
技术介绍
在(例如)用于检测温度或压力的工业传感器应用中，为了安全和保护设备，需要将电力供应器与模拟前端隔离。电源接口要求对可能高于100KV/μs的共模瞬变的抗性，使得例如变压器/电容器的高压隔离装置是必要的。在此设置中，效率难以在低于50mW的输出功率范围处维持高于50％，尤其当较大寄生电阻及电容存在于高压装置上时。另外，例如小于大约3×3mm2且在一些情况中小于大约2mm宽的形状因子对例如场发射器的传感器应用是至关重要的。然而，高压变压器的使用通常引发较大的面积成本。现今，隔离电源市场中的大多数(即使并非全部)现存选择是基于变压器。因为用于实施变压器所必要的大量空间，所以这些现存选择不能满足上述对大小的要求，其中数个隔离电源装置具有从7×7mm2到15×15mm2变动的尺寸。另外，现存选择在低电力区域中没有功率效率，其中效率在25mW下从10％到40％变动。
技术实现思路
本专利申请案揭示一种用于改进针对低功率情况(例如，50mW或更小)提供隔离的功率的功率转换器的效率的方法及装置。申请人注意到，50mW并非所揭示的方法的用途的上限。如果槽阻抗(tankimpedance)可足够低，那么技术不具有针对输出功率电平的上限。然而，所揭示的方法对于低功率区域中的操作具有更显著的优点。谐振功率转换器使用串联谐振电路，所述串联谐振电路提供跨作为串联谐振电路的部件的高压电容器的输出电压。反馈电路包含反馈电压从接收器电路到功率转换器的隔离传输。所述串联谐振电路以谐振频率的子谐波阶进行操作以改进功率传输的效率。使用反馈，控制器选择提供必要功率输出的谐振频率的最大子谐波阶，接着对频率及到串联谐振电路的输入电压中的一者或两者进行微调以实现所期望的输出电压。在功率转换器的操作期间可调整子谐波阶及输入电压两者以适应改变的负载。一方面，揭示一种用于将隔离的电容性功率传输提供到低功率负载的电子装置的实施例。所述电子装置包含：电感器，其连接到第一电容器的第一端子，以形成跨所述第一电容器将交流(AC)电压提供到低功率负载的串联谐振电路；以及切换电路，其经连接而以所述串联谐振电路的所述谐振频率的子谐波将切换电压提供到所述串联谐振电路。另一方面，揭示一种跨串联谐振电路的电容器将隔离功率传输提供到低功率负载的方法的实施例。所述方法包含：确定经由反馈环路接收到的输出电压是否等于所期望的输出电压；响应于确定所述输出电压不等于所述期望的输出电压，确定所述串联谐振电路的所述谐振频率的子谐波阶用作切换频率；以及大体上以所述谐振频率的所述确定的子谐波阶切换所述串联谐振电路。又一方面，揭示一种跨串联谐振电路的电容器将隔离功率传输提供到低功率负载的方法的实施例。所述方法包含：确定经由反馈环路接收到的输出电压是否等于所期望的输出电压；响应于确定所述输出电压不等于所期望的输出电压，确定输入电压与在用作切换频率时将以最大效率提供所期望的输出电压的所述串联谐振电路的所述谐振频率的子谐波阶的组合；及响应于所述确定，将所述输入电压设置成确定的值，并将所述切换频率设置成所述谐振频率的所述确定的子谐波阶。所揭示的操作的优点包含至少以下各者：·在使用高压电容器的情况下，可显著减小整个隔离功率传输解决方案的形状因子。在至少一个实施例中，与基于变压器的解决方案相比，用于功率传输级的芯片面积减小超过70％；·在谐波操作的情况下，谐振功率转换器可跨0.5到1kV的功能隔离势垒以60％的效率传输高达15到25mW的功率。与基本操作相比，功能效率提高30％；·通过消除高压变压器并能够利用较小的裸片面积，显著降低整个解决方案的成本；以及·真实反馈提供对负载的调整。附图说明在附图的图式中通过实例而非通过限制说明本专利技术的实施例，其中相似的元件符号指示类似元件。应注意，对本专利技术中的“一”或“一个”实施例的不同参考不一定都参考同一实施例，且此类参考可表示至少一者。此外，当特定特征、结构或特性结合实施例进行描述时，应认为结合不论是否明确描述的其它实施例实现此类特征、结构、或特性是在所属领域的技术人员的知识范围内。附图并入说明书中并形成说明书的一部分以说明本专利技术的一或多个示范性实施例。根据结合所附权利要求书进行的以下详细描述及参考绘制的附随图式将理解本专利技术的各种优点及特征，其中：图1描绘根据本专利技术的实施例的用于隔离的功率转换的系统的实例；图2描绘根据本专利技术的实施例的用于隔离的功率转换的系统的功率输出级的实例实施方案；图3A到D描绘所揭示的功率输出电路的串联谐振电路的信号的各种性质；图4描绘根据本专利技术的实施例的实例系统的最大输出功率；图5A到B描绘为确定实例系统的切换频率所做的决策的一些方面；图6A到C将子谐波阶描绘为与切换频率、功率损耗及电路效率相关；图7A到B描绘增大输入电压对根据本专利技术的实施例的实例系统中的切换频率及功率损耗的影响；图8描绘根据本专利技术的实施例的与功率输出级一起使用的反馈电路；图9A到B描绘根据本专利技术的实施例的跨串联谐振电路的电容器提供隔离的电容性功率传输的方法；及图10A到10B描绘根据本专利技术的实施例的跨串联谐振电路的电容器提供隔离的电容性功率传输的方法。具体实施方式现将详细参考在附图中说明的本专利技术的特定实施例。在本专利技术的实施例的以下详细描述中，陈述众多特定细节以便提供对本专利技术的更透彻理解。然而，所属领域的一般技术人员将明白，本专利技术可在没有这些特定细节的情况下实践。在其它实例中，未详细描述众所周知的特征以避免不必要地使描述复杂化。现参考图式，且更特定来说，参考图1，展示根据本专利技术的实施例的用于跨隔离势垒的功率传输的实例系统100的示意图。在系统100中，降压转换器102接收输入电压(未具体展示)，其递降到可由功率传输系统的串联谐振电路103使用的电平。提供此递降电压VIN作为到0°驱动器108A及180°驱动器108B的输入。驱动器108将切换电压VLX提供到串联谐振电路103，所述串联谐振电路103包含电感器104A、104B及电容器106A、106B。电容器106提供跨其传输功率的隔离势垒。在此说明中还展示寄生电容器CPAR1、CPAR2。电感器104中的每一者都连接于相应驱动器108与相应电容器106之间以跨电容器106提供交流(AC)电压。在功率传输的接收侧上，传输的电压在整流器114处接收，所述整流器114将经整流的电压VOUT供应到负载(未具体展示)。在输出传感器116处检测输出的电压电平，并经由反馈电容器112将其提供到反馈控制器110，所述反馈电容器112在反馈电路上提供隔离。反馈控制器110能够调整被本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将隔离的电容性功率传输提供到低功率负载的电子装置，所述电子装置包括：电感器，其连接到第一电容器的第一端子以形成串联谐振电路，所述串联谐振电路跨所述第一电容器将交流AC电压提供到低功率负载；以及切换电路，其经连接而以所述串联谐振电路的谐振频率的子谐波将切换电压提供到所述串联谐振电路。

【技术特征摘要】
2015.10.21 US 62/244,224;2015.12.07 US 14/961,4401.一种用于将隔离的电容性功率传输提供到低功率负载的电子装置，所述电子装置包括：电感器，其连接到第一电容器的第一端子以形成串联谐振电路，所述串联谐振电路跨所述第一电容器将交流AC电压提供到低功率负载；以及切换电路，其经连接而以所述串联谐振电路的谐振频率的子谐波将切换电压提供到所述串联谐振电路。2.根据权利要求1所述的电子装置，其进一步包括：整流器，其连接到所述第一电容器的第二端子，所述整流器将经整流的电压提供到所述低功率负载。3.根据权利要求2所述的电子装置，其进一步包括：反馈电路，其经连接以响应于所述低功率负载的改变而改变所述切换电路以其进行操作的所述子谐波。4.根据权利要求3所述的电子装置，其中所述反馈电路跨具有小于所述第一电容器的电容的反馈电容器接收电压信息。5.根据权利要求4所述的电子装置，其进一步包括：降压转换器，所述降压转换器经连接以将输入电压提供到所述切换电路。6.根据权利要求5所述的电子装置，其中所述反馈电路进一步经连接以对所述切换电压的频率进行微调。7.根据权利要求6所述的电子装置，其中所述反馈电路进一步经连接以调整由所述降压转换器所提供的所述输入电压。8.根据权利要求7所述的电子装置，其中所述第一电容器被印刷于含有所述电子装置的硅芯片的顶部上。9.根据权利要求8所述的电子装置，其中所述电感器是外部电感器。10.根据权利要求9所述的电子装置，其中所述反馈电路包括：迟滞比较器，其经连接以接收所述经整流的电压；调制器，其经连接以从所述迟滞比较器接收输出并将反映所述经整流的电压的数字信号提供到所述反馈电容器的第一端子；解调器，其经连接以接收所述反馈电容器的第二端子上的所述数字信号；以及积分器，其经连接以接收所述解调器的输出并控制所述切换电路的所述切换频...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈雷，拉贾尔什·穆霍帕德亚，马克·W·摩根，约瑟夫·A·桑克曼，
申请(专利权)人：德州仪器公司，
类型：发明
国别省市：美国,US