利用微变压器的功率和信息信号传递制造技术

本发明专利技术涉及利用微变压器的功率和信息信号传递。本发明专利技术的功率转换器提供跨隔离阻障的功率，诸如通过使用线圈。线圈驱动器具有以正反馈配置连接的晶体管，并通过测量输出功率、且按照需要在电源和线圈驱动器之间打开或关闭开关，以受控方式耦合至电源电压。输出电路、诸如FET驱动器可以隔离或不隔离地被使用，以提供功率和逻辑信号。

【技术实现步骤摘要】
利用微变压器的功率和信息信号传递本申请是申请日为2005年8月19日、申请号为20058003^55. 4，专利技术名称为“利用微变压器的功率和信息信号传递”的专利技术专利申请的分案申请。
技术介绍
可以用在输入电路和输出电路之间具有隔离阻障(isolation barrier)的隔离器提供装置之间的电(电流)隔离。输入电路可以被参考第一地线，输出电路可以参考不同的第二地线，第二地线与第一地线电流隔离，从而在二者之间无电流。除了提供信息信号的隔离传递之外，这些装置通常还具有要由彼此隔离的电源供电的输入和输出电路。例如，可以用两个分离的具有不同地线的电源提供电源；或者通过提供带有分立变压器的隔离DC-DC转换器以从提供给隔离阻障一侧的功率导出隔离阻障另一侧的功率，从而提供电源。图1示出了全桥正向DC-DC转换器的例子。转换器100具有驱动变压器TRl的开关晶体管MP1、MP2、丽1和丽2。四个开关晶体管可以被实现为全PMOS型或者全匪OS型。 在典型的操作中，首先，晶体管MPl和丽2导通一个时间段DT (0 < D < 1)；然后，晶体管丽1 和丽2导通一个时间段(I-D) T，其中T代表半周期。然后，晶体管MP2和晶体管丽1导通一个时间段DT ；晶体管MPl和MP2导通该周期的持续时间。因为功率仅在两个DT时间段期间传递，所以电压或者功率传递由变量D控制。在晶体管MPl和丽2关闭(导通)的第一个DT时间段期间，电流被提供通过变压器TRl的初级绕组102，并且在次级绕组104中被感应以传递到整流器106、滤波器108和负载(未示出)，其中负载连接在输出端子V(OUT)与输出侧地线GNDB(不同于输入侧地线 GNDA)之间。电流也被汲取以为变压器的磁化电感充电。在晶体管MP2和丽1导通的第二个DT时间段中，该磁化电感放电。为了生产小的隔离器，可以利用微变压器。如此处所使用的，“微变压器”是指小的变压器，其中利用平面制作方法形成至少一个绕组，包括但不限于半导体技术，优选以有利于与相同或类似衬底上的其它电路元件相互连接的方法。平面绕组可以在硅衬底上(上或上方)、印刷电路板(PCB)或者其他材料上形成。如果两个绕组都在半导体衬底上形成， 可能与该衬底接触或分离开，则微变压器被称为“片上”的。片上微变压器的例子、尤其是 “空心”微变压器在公开受让的美国专利No. 6，219，907和2002年8月8日提交的、公开号为2003/0042571的美国专利申请序列号10/214，883中示出，这两个专利文献均以参考的方式全部包括在此。微变压器通常具有小的电感(L)和高的串联电阻(R)，因而它们的L/R 值小。时间段DT应小于L/R，否则变压器将由于串联电阻R上的电压降而使电流饱和并损失效率。如果滤波感应器LF也被形成为微感应器，则可能由于高的串联电阻而进一步损失效率。利用微变压器难以获得大的滤波器电感，因此鼓励使用高值的滤波电容器C2来使转换器输出上的纹波最小化。使用大的滤波电容器通常与制作小隔离器的目的不一致。在一些具有谐振开关(resonant switching)的装置中，为了使用微变压器，高开关频率被用来驱动晶体管开关。但是，随着频率变高和DT变小，控制电路会变得更复杂也更困难。
技术实现思路
此处所述的实施例包括可以提供跨隔离阻障的功率的功率转换器，诸如通过使用线圈。实施例包括带有片上微变压器的功率转换器和带有以正反馈配置与变压器相连的晶体管的线圈驱动器。片上变压器不需要铁芯。可以通过测量输出功率并按需要在电源和线圈驱动器之间打开或关闭开关，以受控的方式将线圈驱动器耦合到电源电压。此处描述的其它实施例包括可以隔离使用也可以不隔离使用的FET驱动器。电路中所使用的变压器可以是空心装置，并且可以利用半导体处理技术被形成为一个或多个衬底上的非常小的装置，从而制造小装置。通过以下详细描述、附图和权利要求，其它特征和优点将显而易见。附图说明图1是典型的现有技术全桥开关DC-DC转换器的简化电路示意图；图2A是隔离的功率转换器的简化的部分示意、部分框图，图2B具有图2A所示电路的一组波形。图3是储能回路的示意图。图4和图5是图2A所示电路的可选实施例。图6是在衬底上实现的与图2A所示相似的电路的部分透视、部分示意图。图7A和图8A是隔离的FET驱动器的示意图。图7B和图8B分别为图7A和图8A所示电路的波形图。图9是可以不隔离提供的电源转换器的示意图。具体实施例方式本专利技术的应用不限于以下介绍中所描述或附图所示出的元件构造和结构的细节， 而是可以适用于其它实施例并且可以用多种方法实施或执行。并且，此处所使用的措辞和术语仅出于描述之目的，不应被视为限制性的。此处使用“包括”、“包含”或“具有”、“含有”、 “涉及”及其变体是表示包括其后所列的项目和这些项目的等价物以及附加项目。不论是否示出，实施例的各个方面可以单独实施或者以不同的组合实施，并且所示出或所讨论的每个实施例均视为非限制性例子。现在将讨论由单个电源供电的隔离器的例子，其中通过使用微变压器从该单个电源导出第二隔离电源。参考图2A，示出了隔离的功率转换器200的第一实施例的简化示意电路图。电压源Vdd通过开关212被耦合到线圈驱动器210。线圈驱动器包括晶体管QMP1、QMP2、QMNl 和QMN2，这些晶体管以正反馈配置连接。这些晶体管优选不将它们的栅极直接耦合到控制电路来导通和切断它们，而是依靠开关212来连接到电压电源。为了驱动可以被形成为片上微变压器的功率变压器TR2，电容器Cl与变压器的初级绕组202并联，形成LC储能回路网络。储能回路网络以由下式给出的频率f开关，其中L是初级绕组202的电感，C是初级绕组上的总电容，包括Cl和四个开关晶体管的栅极到漏极电容。储能回路可以具有也可以没有独立的电容器；如果没有，则电容仅为晶体管的栅极到漏极电容。功率由次级绕组204传递给次级侧的电阻性负载(未示出)，如同电阻性负载跨在LC储能回路网络上一样。频率f优选大于10MHz，更优选大于约50MHz， 还优选大于约100MHz。在一个例子中，初级绕组的电感为约12nH，频率大约为100MHz，这意味着电容大约为200pF。由于集成的变压器TR2的L/R值小，并且没有变压器铁芯，所以储能网路应该以相对高的频率开关，以避免电流饱和并且具有高效率。储能回路网络的效率与由下式给出的储能回路的Q成比例O -ωΚ202其中，L2tl2和I^2tl2分别为初级绕组202的电感和串联电阻。次级绕组对效率也有贡献。参照图3，储能回路可以被建模为与初级绕组上的电容C并联、并且还与实际负载电阻RL和电阻Rp并联的初级绕组电感L2tl2，其中电阻Rp代表储能回路耗散，并且由公式 Rs(Q2+1)表示，其中Rs为初级绕组的串联电阻。Rp和RL之间的关系决定储能回路的效率。 如果Rp无限大，则所有能量被传递到负载电阻RL。Rp的值越小，在Rp中损失并且不能传递到负载的储能回路能量的比率就越高。变压器初级绕组到次级绕组的不理想耦合就意味着一些能量被损耗。在空心变压器中堆叠线圈的一个典型实施中，已经发现耦合系数可达到0. 9。然而，为了使储能回路能够承受振荡，电阻器Rp和RL的并联组合的值必须本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种功率转换器，包括：用于在第一绕组接收信号并且在第二绕组提供与所接收的信号隔离的信号的第一微变压器；用于将电压耦合到所述第一微变压器的开关；用于接收调整后直流信号的输出端子；耦合到所述输出端子和开关的反馈电路，所述反馈电路包括第二微变压器。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：陈保兴，罗恩·克力格，
申请(专利权)人：美国亚德诺半导体公司，
类型：发明
国别省市：US