CN105009531B - 用于产生经调节隔离供电电压的方法及设备 - Google Patents
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Abstract
在初级集成电路裸片的一面上形成高额定电压隔离电容器或电感器。所述隔离电容器或电感器将第一电压域中的所述初级集成电路AC耦合到第二电压域中的次级集成电路。所述隔离电容器或电感器使所述初级集成电路与所述次级集成电路裸片DC隔离。经由所述高额定电压隔离电容器或电感器与AC振荡器或PWM产生器提供从所述第一电压域到所述第二电压域的隔离功率转移。可经由所述高额定电压隔离电容器或电感器来使所述AC振荡器的电压幅度因功率增大而增大。
Description
相关专利申请案
本申请案主张2013年3月10日由托马斯尤步科李(Thomas Youbok Lee)、卢迪加拉米洛(Rudy Jaramillo)、帕克里特凯利理查兹(Patrick Kelly Richards)及李富里(LeeFurey)申请的题为“用于产生经调节隔离供电电压的方法及设备(Method and Apparatusfor Generating Regulated Isolation Supply Voltage)”的共同拥有的第61/775,669号美国临时专利申请案的优先权；且所述申请案为了所有目的以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及高电压隔离，更特定来说，涉及用于产生调节式供电电压的集成高电压隔离。
背景技术
许多应用需要不同供电电压的隔离，特定来说，不同电压域中的参考电势(例如，接地电势等)的隔离。因此，对隔离供电电压的需求日益增加。在新近工业应用中，对电隔离(卡法尼电流(Galvanic)及直流(DC)到DC两者)的需要越来越多地用于数据通信及DC供电电压(例如，以不同接地电势)两者。典型的隔离应用已主要用于跨越隔离屏障的数据通信。但近年来，应用迫切需要隔离装置(用于数据通信)也包含隔离的DC到DC能量转移的能力。
典型的电隔离方法可包含：光学、电感(例如，使用穿过变压器的交流(AC)或电磁射频)、电容器(电容器为非常好的电流隔离器)等等。光学耦合器已成为主要信号隔离装置但受限于缓慢数据速率(小于1MHz)且体积较大不利于集成。此外，光学耦合器不能传递隔离DC功率。电感及电容性隔离实施方案提供高数据速率，给予电隔离功率转移，且制造成本低廉。对不同电压域中的装置之间的电流隔离的需求非常高以具有(例如)1kVrms、2.5kVrms、4kVrms等等的隔离。
发明内容
因此，需要在两个不同电压域之间的功率转移，其维持所述两个不同电压域之间的隔离同时产生到那些电压域中的一者中的装置的调节式供电电压。
根据实施例，一种用于在不同电压域之间产生经调节隔离供电电压的方法可包括以下步骤：提供耦合到第一电压域的初级集成电路；提供耦合到第二电压域的次级集成电路；在所述初级集成电路的一面的至少一部分上方提供第一绝缘层；提供定位于所述第一绝缘层上方的多个高额定电压隔离电容器，其中所述多个高额定电压隔离电容器中的每一者可包括在所述第一绝缘层上的第一导电层、在相应第一导电层的一部分上的高额定电压电介质层及在所述相应高额定电压电介质层上的第二导电层；在所述初级集成电路裸片中提供波形产生器，所述波形产生器具有耦合到所述第一导电层的相应者的输出；提供是在所述次级集成电路中且具有耦合到所述第二导电层的相应者的输入的交流(AC)到直流(DC)转换器，借此可将AC功率从所述波形产生器转移到所述AC到DC转换器；提供耦合到所述AC到DC转换器的电压调节器，所述电压调节器具有参考电压反馈输出；及提供具有耦合到所述电压调节器参考电压反馈输出的输入及耦合到另一第二导电层的输出的脉冲宽度调制器，其中所述波形产生器可具有耦合到相应另一第一导电层的控制输入，借此所述脉冲宽度调制器可控制所述波形产生器的所述输出。
根据另一实施例，一种用于在不同电压域之间产生经调节隔离供电电压的方法可包括以下步骤：提供耦合到第一电压域的初级集成电路；提供耦合到第二电压域的次级集成电路；在所述初级集成电路的一面的至少一部分上方提供第一绝缘层；提供定位于所述第一绝缘层上方的多个高额定电压隔离变压器，其中所述多个高额定电压隔离变压器中的每一者可包括在所述第一绝缘层上的第一电感器、在相应第一电感器的一部分上的高额定电压电介质层及在所述相应高额定电压电介质层上的第二电感器；在所述初级集成电路裸片中提供波形产生器，所述波形产生器具有耦合到所述第一电感器的相应者的输出；提供在所述次级集成电路中且具有耦合到所述第二电感器的相应者的输入的交流(AC)到直流(DC)转换器，借此可将AC功率从所述波形产生器转移到所述AC到DC转换器；提供耦合到所述AC到DC转换器的输出的电压调节器，所述电压调节器具有参考电压反馈输出；及提供具有耦合到所述电压调节器参考电压反馈输出的输入及耦合到另一第二电感器的输出的脉冲宽度调制器，其中所述波形产生器可具有耦合到相应另一第一电感器的控制输入，借此所述脉冲宽度调制器可控制所述波形产生器的所述输出。
根据又一实施例，一种具有在不同电压域之间的经调节隔离供电电压的集成电路装置可包括：初级集成电路，其耦合到第一电压域；次级集成电路，其耦合到第二电压域；第一绝缘层，其在所述初级集成电路的一面的至少一部分上方；多个高额定电压隔离电容器，其定位于所述第一绝缘层上方，其中根据实施例，所述多个高额定电压隔离电容器中的每一者可包括在所述第一绝缘层上的第一导电层、在相应第一导电层的一部分上的高额定电压电介质层及在所述相应高额定电压电介质层上的第二导电层；波形产生器，其在所述初级集成电路裸片中，所述波形产生器具有耦合到所述第一导电层的相应者的输出；交流(AC)到直流(DC)转换器，其在所述次级集成电路中且具有耦合到所述第二导电层的相应者的输入，借此可将AC功率从所述波形产生器转移到所述AC到DC转换器；电压调节器，其耦合到所述AC到DC转换器的输出，所述电压调节器具有参考电压反馈输出；及脉冲宽度调制器，其具有耦合到所述电压调节器参考电压反馈输出的输入及耦合到另一第二导电层的输出，其中所述波形产生器可具有耦合到相应另一第一导电层的控制输入，借此所述脉冲宽度调制器可控制所述波形产生器的所述输出。
根据又一实施例，可在所述初级集成电路裸片中提供推挽式驱动器，所述推挽式驱动器具有耦合到所述波形产生器的输入及耦合到所述第一导电层的相应者的输出。根据又一实施例，可在所述第二导电层的至少一部分上方、所述高额定电压电介质层及所述第一导电层的部分上方提供第二绝缘层，其中所述第二绝缘层可具有：第一开口，其在所述第一导电层上方以使第一接合线将所述第一导电层耦合到所述初级集成电路上的电路连接垫；及第二开口，其在所述第二导电层上方以使第二接合线将所述第二导电层耦合到所述次级集成电路上的电路连接垫。
根据又一实施例，集成电路封装可囊封所述初级及次级集成电路以及所述高额定电压隔离电容器。根据又一实施例，所述初级集成电路可为微控制器。根据又一实施例，所述高额定电压电介质层可包括二氧化硅(SiO2)。根据又一实施例，所述高额定电压电介质层可包括氮化硅(SiN)。根据又一实施例，所述高额定电压电介质层可包括氮氧化物。根据又一实施例，所述高额定电压电介质层可包括具有不同厚度且由标准技术沉积或生长的掺杂或未掺杂氧化物的堆叠层。根据又一实施例，所述高额定电介质层各自具有约四微米(4μ)的厚度。根据又一实施例，所述高额定电压隔离电容器各自具有约10皮卡法拉的电容值。
根据又一实施例，所述第一及第二导电层可为金属。根据又一实施例，所述第一及第二导电金属层可由铝组成。根据又一实施例，所述第一及第二导电层可由铜组成。根据又一实施例，所述第一及第二导电层可从由下列各物组成的群组中的任何一或多者中选出：钛、钽、钴、钼以及其硅化物及自对准硅化物。
根据又一实施例，所述推挽式驱动器的所述输出中的每一者可耦合到所述第一导电层中的至少两者，且对应的至少两个第二导电层可耦合到所述AC到DC转换器。根据又一实施例，所述波形产生器可为振荡器且所述脉冲宽度调制器可控制其输出幅度。根据又一实施例，所述波形产生器可为振荡器且所述脉冲宽度调制器可控制其输出频率。
根据又一实施例，电压倍增器可耦合于所述第一电压域中的电压源之间且将倍增操作电压供应到所述推挽式驱动器。根据又一实施例，所述电压倍增器使所述电压源增加两倍。根据又一实施例，所述电压倍增器使所述电压源增加三倍。根据又一实施例，所述AC到DC转换器可包括低通滤波器。根据又一实施例，所述AC到DC转换器可包括电压倍压器。根据又一实施例，所述波形产生器可包括电源开关，且所述脉冲宽度调制器可控制所述电源开关的接通及关断工作循环。
根据又另一实施例，一种具有在不同电压域之间的经调节隔离供电电压的集成电路装置可包括：初级集成电路，其耦合到第一电压域；次级集成电路，其耦合到第二电压域；第一绝缘层，其在所述初级集成电路的一面的至少一部分上方；多个高额定电压隔离变压器，其定位于所述第一绝缘层上方，其中所述多个高额定电压隔离变压器中的每一者可包括所述第一绝缘层上的第一电感器、相应第一电感器的一部分上的高额定电压电介质层及所述相应高额定电压电介质层上的第二电感器；波形产生器，其在所述初级集成电路裸片中，所述波形产生器具有耦合到所述第一电感器的相应者的输出；交流(AC)到直流(DC)转换器，其在所述次级集成电路中且具有耦合到所述第二电感器的相应者的输入，借此可将AC功率从所述波形产生器转移到所述AC到DC转换器；电压调节器，其耦合到所述AC到DC转换器的输出，所述电压调节至具有参考电压反馈输出；及脉冲宽度调节器，其具有耦合到所述电压调节器参考电压反馈输出的输入及耦合到另一第二电感器的输出，其中所述波形产生器可具有耦合到相应另一第一电感器的控制输入，借此所述脉冲宽度调制器可控制所述波形产生器的所述输出。
根据又一实施例，可在所述初级集成电路裸片中提供推挽式驱动器，所述推挽式驱动器具有耦合到所述波形产生器的输入及耦合到所述第一电感器的相应者的输出。根据又一实施例，可在所述第二电感器的至少一部分上方、所述高额定电压电介质层及所述第一电感器的部分上方提供第二绝缘层，其中所述第二绝缘层可具有：第一开口，其在所述第一导电层上方以使第一接合线将所述第一电感器耦合到所述初级集成电路上的电路连接垫；及第二开口，其位于所述第二导电层上方以使第二接合线将所述第二电感器耦合到所述次级集成电路上的电路连接垫。
根据又一实施例，集成电路封装可囊封所述初级及次级集成电路及所述高额定电压隔离变压器。根据又一实施例，所述初级集成电路可为微控制器。根据又一实施例，所述高额定电压电介质层可包括二氧化硅(SiO2)。根据又一实施例，所述高额定电压电介质层可包括氮化硅(SiN)。根据又一实施例，所述高额定电压电介质层可包括氮氧化物。根据又一实施例，所述高额定电压电介质层可包括具有不同厚度且由标准技术沉积或生长的掺杂或未掺杂氧化物的堆叠层。根据又一实施例，所述高额定电压电介质层各自具有约四微米(4μ)的厚度。根据又一实施例，所述AC到DC转换器可包括低通滤波器。根据又一实施例，所述波形产生器可包括电源开关，且所述脉冲宽度调制器可控制所述电源开关的接通及关断工作循环。
附图说明
可通过参考与附图结合的以下描述来获取对本发明的更完全理解，其中：
图1及1A说明根据本发明的特定实例实施例的形成于集成电路上的高额定电压隔离电容器的示意性正视图；
图1B及1C说明根据本发明的另一特定实例实施例的形成于集成电路上的高额定电压隔离电容器的示意性正视图；
图1D及1E说明根据本发明的又另一特定实例实施例的形成于集成电路上的高额定电压隔离电感器的示意性正视图及平面视图；
图1F说明根据本发明的又另一特定实例实施例的耦合到至少一个集成电路封装中的第一及第二集成电路裸片的高额定电压隔离电感器的示意性平面视图；
图2说明根据本发明的特定实例实施例的形成于集成电路上的高额定电压隔离装置的示意性正交视图；
图3说明根据本发明的特定实例实施例的形成于初级集成电路上且耦合到次级集成电路的多个高额定电压隔离电容器的示意性平面视图；
图4说明根据本发明的特定实例实施例的将功率电路及信号电路耦合于初级集成电路与次级集成电路之间的多个高额定电压隔离电容器的示意性框图；
图5说明根据本发明的又另一特定实例实施例的将功率电路及信号电路耦合于初级集成电路与次级集成电路之间的多个高额定电压隔离电容器的示意性框图，其中所述次级集成电路的电路控制从所述初级集成电路到所述次级集成电路的功率转移；
图5A说明根据本发明的特定实例实施例的将功率电路及控制电路耦合于初级集成电路及次级集成电路之间的多个高额定电压隔离电感器的示意性框图；
图6说明根据本发明的教示的10皮卡法拉(pF)电容器的电流携载能力对施加到其的信号频率的表及曲线图；
图7及7A说明根据本发明的另一特定实例实施例的形成于集成电路上的多个反向堆叠高额定电压隔离电容器的示意性正视图；及
图8说明根据本发明的另一特定实例实施例的形成于初级集成电路上且耦合到第二次级集成电路的多个高额定电压隔离电容器的示意性平面视图。
虽然本发明容许各种修改及替代形式，但已在图式中展示且在本文中详细地描述了其特定实例实施例。然而，应理解，本文中对特定实例实施例的描述不希望将本发明限于本文中揭示的特定形式，而相反地，本发明应涵盖由所附权利要求书定义的所有修改及等效物。
具体实施方式
根据各种实施例，可产生与初级供应源电隔离的隔离供电电压。此特征可变成对现代电子系统设计的迫切需求。DC到DC隔离及AC到DC隔离为其实例。根据各种实施例：(a)提出一种使用电容性或电感耦合跨越隔离屏障将功率从初级侧转移到次级侧的方法；及(b)提出一种使用隔离反馈网络的调节隔离次级功率的方法。对于此类应用，可使用耦合电感器的高额定电压(>3,000Vrms)硅电容器或变压器以在不同电压域中的集成电路之间提供电(例如，卡法尼电流)隔离屏障。
根据各种实施例，可制造可提供约3,000Vrms高额定电压电容器或电感器的隔离装置的电容性耦合。根据各种实施例，提出一种产生低成本高额定电压电容器或电感器的方法，所述低成本高额定电压电容器或电感器可使用SiO2电介质绝缘体形成有特定电极几何形状。
根据各种实施例，DC到DC能量转移可包含：将DC能量(VDD1)转换为可变振荡频率或可调整PWM(来自外部或内部)；使用电容性或电感介质跨越所述隔离屏障转移AC能量；使用整流器+调节器产生次级供电电压(VDD2)；及远程监视次级装置的调节式电压。可基于来自所述次级装置的反馈信号(调节式电压输出电平指示器)自动调谐振荡器输出频率(或PWM)。
为了使用初级DC能量产生跨越电流隔离屏障的隔离供电电压，可经由电容性或电感能量耦合方法通过使用初级供电电压产生次级供电电压(跨越所述隔离屏障)。
根据实施例，所述次级供应具有足以提供第二电压域中的负载电流的功率(P＝V*I)。所述经调节隔离电压可经设计以满足连接到其的装置的最大负载电流。
此外，本发明将揭示如何在单一集成电路封装中使隔离电容器或电感器与其它装置互连。
本文将揭示以下应用，但所述应用并非限于本文中揭示的各种实施例中论述的特定应用：
(a)如何将初级装置的第一电压域中的DC能量转移到由高电压隔离屏障分离的次级装置的第二电压域，
(b)如何将所述初级装置的DC功率供电电压转换为AC能量，
(c)如何使用电感或电容性耦合将AC能量转移到由隔离屏障分离的所述第二电压域中的DC能量，
(d)如何调节所述次级DC供电电压，及
(e)如果必要，将隔离电容器并联以供应足以对所述次级装置供电的能量。
现在参考图式，示意性地说明实例实施例的细节。图式中的相似元件将由相似符号表示，且类似元件将由具有不同小写字母后缀的相似符号表示。
参考图1及1A，描绘根据本发明的特定实例实施例的形成于集成电路上的高额定电压隔离电容器的示意性正视图。高额定电压隔离电容器(通常由符号100表示)可包括第一导电层106、第二导电层112、分别位于第一导电层106与第二导电层112之间的高额定电压电介质(绝缘)层110及位于第二导电层112及第一导电层的部分上方的绝缘层108(例如，钝化层)。第一垫开口114可用以提供到第一导电层106的电通路。第二垫开口116可用以提供到第二导电层112的电通路。可将高额定电压隔离电容器100定位于集成电路102上方且附接到安置于集成电路102上的绝缘层104。
可使用用以形成第一导电层106的第一掩模及用以形成第二导电层112及高额定电压电介质层110的第二掩模制造至少一个高额定电压隔离电容器100。第三掩模可用以在绝缘(钝化)层108中分别形成第一垫开口114及第二垫开口116。应预期到且在本发明的范围之内的是，可等效成功地使用其它工艺制造步骤，且集成电路制造领域的一般技术人员及受益于本发明的一般技术人员可想出此类替代设计且仍在本发明的精神及意图范围之内。
第一导电层106及第二导电层112可分别包括导电金属材料，例如(例如但不限于)铝、铜、钛、钽、钴、钼、其硅化物及自对准硅化物等等。绝缘层104可为(例如但不限于)二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、氮氧化物或具有不同厚度且由标准技术沉积或生长的掺杂或未掺杂氧化物的堆叠层等等。高额定电压电介质层110可为(例如但不限于)二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、SiOxNy、氧化物-氮化物-氧化物(ONO)等等。绝缘电介质层110的厚度可确定高额定电压隔离电容器100的电压耐受能力且可为(例如但不限于)用于约3,000伏特DC绝缘击穿电压的约四(4)微米厚SiO2。绝缘层108可为具有用于连接到低电压垫114及高电压垫116的开口的保护钝化层，例如，二氧化硅、氮化硅等等。术语“高电压垫”及“低电压垫”指不具有用于电源、接地或信号的直流(DC)连接的不同电压域。电压域之间的电压差可为大或小的，且可进一步用以保护易受大的电压瞬变影响的装置(例如，易受可由闪电、电源切换瞬变等等引起的感应电动势(EMF)影响的传感器)免受影响且隔离所述装置。
现在参看图1A，可用接合线124将高额定电压隔离电容器100组合件的第一导电层106连接到引线指状件120及/或集成电路102(下文中称为“初级IC 102”)上的连接垫。可用接合线126将高额定电压隔离电容器100组合件的导电层112连接到第二集成电路118(下文中称为“次级IC 118”)上的连接垫及/或引线指状件122。可用接合线128将次级IC 118连接到引线指状件122。初级IC 102可经配置以于第一电压域中操作，且次级IC 118可经配置以于第二电压域中操作。所述第一及第二电压域之间的接地及电压电势可为仅受限于高额定电压电介质层110的电压耐受(击穿)(例如，高额定电压电介质层110的厚度)的数千伏特电势差。引线指状件120可耦合到所述第一电压域，且引线指状件122可耦合到所述第二电压域。可将初级IC 102、高额定电压隔离电容器100、次级IC 118以及引线指状件120及122的部分囊封于集成电路封装130(例如，环氧树脂)中。为了清楚说明，未展示裸片翼(如果使用)。应预期到且在本发明的范围内的是，可使用除了引线指状件之外的其它集成电路外部连接节点，例如，球凸块等等。
参看图1B及1C，描绘根据本发明的另一特定实例实施例的形成于集成电路上的高额定电压隔离电容器的示意性正视图。高额定电压隔离电容器(通常由数字100a表示)可包括第一导电层106、第二导电层112、分别是在第一导电层106与第二导电层112之间的高额定电压电介质(绝缘)层110及在第二导电层112及第一导电层106的一部分上方的绝缘层108(例如，钝化层)。导电材料132可用以填充于可为在第一导电层106上方的高额定电压电介质层110中的开口。导电材料132可用以提供到第一导电层106的电通路。第二垫开口116可用以提供到第二导电层112的电通路。高额定电压隔离电容器100a可定位于集成电路102上方且附接到安置于集成电路102上的绝缘层104。高额定电压隔离电容器100a的操作与在上文描述的高额定电压隔离电容器100的操作实质上相同。
参看图1D及1E，描绘根据本发明的另一特定实例实施例的形成于集成电路上的高额定电压隔离电感器的示意性正视图及平面视图。高额定电压隔离电感器(通常由数字500表示)可包括第一电感层560、第二电感层558、分别在第一电感层560与第二电感器558之间的绝缘电介质层510及在第二电感层558及第一电感层560的一部分上方的绝缘层108。第一垫开口514可用以提供到第一电感层560的电通路。第二垫开口516可用以提供到第二电感层558的电通路。高额定电压隔离电感器500可定位于集成电路102上方且附接到安置于集成电路102上的绝缘层104。
第一电感层560及第二电感层558可分别包括如下各者的平坦线圈：导电金属材料，例如(例如但不限于)铝、铜、钛、钽、钴、钼、其硅化物及自对准硅化物等等；及/或导电非金属材料，例如(例如但不限于)氧化物-氮化物-氧化物(ONO)、氮化钛等等。绝缘层104可为(例如但不限于)二氧化硅(SiO2)、氮化硅等等。绝缘电介质层510可为(例如但不限于)二氧化硅(SiO2)、氮化硅(SiN)、SiOxNy等等。绝缘电介质层510的厚度可确定高额度电压隔离电感器500的电压耐压能力且可为(例如但不限于)用于约3,000伏特DC绝缘击穿电压的约四微米(4μ)厚的SiO2。绝缘层108可为具有用于连接到低电压垫514及高电压垫516的开口的保护钝化层(例如，二氧化硅、氮化硅等等)。术语“高电压垫”及“低电压垫”指不具有用于电源、接地或信号的直流(DC)连接的不同电压域。电压域之间的电压差异可为的或小的，且可进一步用以保护易受大的电压瞬变影响的装置(例如，易受可由闪电、电源切换瞬变等等引起的感应电动势(EMF)影响的传感器)免受影响且隔离所述装置。
现在参看图1D，可用接合线524将高额定电压隔离电感器500组合件的第一电感层560连接到引线指状件120及/或集成电路102(下文中称为“初级IC 102”)上的连接垫。可用接合线526将高额定电压隔离电感器500组合件的电感层558连接到第二集成电路118(下文中称为“次级IC 118”)上的连接垫及/或引线指状件122。可用接合线128将次级IC 118连接到引线指状件122。初级IC 102可经配置以于第一电压域中操作且次级IC 118可经配置与于第二电压域中操作。所述第一及第二电压域之间的接地及电压电势可为仅受限于绝缘电介质层510的电压耐受(击穿)(例如，其厚度)的数千伏特电势差。引线指状件120可耦合到所述第一电压域且引线指状件122可耦合到所述第二电压域。可将初级IC 102、高额定电压隔离电感器500、次级IC 118以及引线指状件120及122的部分囊封于集成电路封装130a(例如，环氧树脂)中。为了清楚地说明，未展示裸片翼(如果使用)。
可用四(4)个过程掩模形成高额定电压隔离电感器500：1)第一金属(第一电感层560)、2)第二金属(第二电感层558)、3)低电压垫514及4)钝化开口。应预期到且在本发明的范围内的是，可等效成功地使用其它过程制造步骤，且集成电路制造领域的一般技术人员及受益于本发明的一般技术人员可想出仍在本发明的精神及意图范围内的此类替代设计。
参看图1F，描绘根据本发明的又另一特定实例实施例的耦合到至少一个集成电路封装中的第一及第二集成电路裸片的高额定电压隔离电感器的示意性平面视图。高额定电压隔离电感器(通常由数字500a表示)可与可封装于至少一个集成电路封装130b中的初级硅裸片及次级硅裸片分离地封装。可以与图1D及1E中展示的电感器500实质上相同的方法(例如)在一小块集成电路裸片上制造高额定电压隔离电感器500a。电感器500a的第一线圈560(图1D)可耦合到可在第一电压域中的初级硅裸片102。第二线圈558可耦合到可在第二电压域中的次级硅裸片118。至少一个集成电路封装130b与隔离电感器集成电路封装632之间的连接可用集成电路封装130b及632的外部连接120、122、620及622(例如，“引脚”)。这些外部连接120、122、620及622可分别提供电感器500a的初级硅裸片102与次级硅裸片118之间的电连接且分别提供电感器500a的第一线圈560与第二线圈558之间的电连接。集成电路封装130b及500a的外部连接120、122、620及622可按需要与印刷电路板(未展示)上的导电迹线耦合在一起。
参看图2，描绘根据本发明的特定实例实施例的形成于集成电路上的高额定电压隔离电容器的示意性正交视图。高额定电压隔离电容器100被展示为附接到初级IC 102及用接合线124连接到引线指状件120中的一些、用接合线124a连接到初级IC 102、用接合线126连接到次级IC 118及/或用接合线126a连接到引线指状件122。可将高额定电压隔离电容器100附接到初级IC 102的一面上的绝缘层104(例如，钝化层)。
参看图3，描绘根据本发明的特定实例实施例的形成于初级集成电路且耦合到次级集成电路的多个高额定电压隔离电容器的示意性正视图。可将多个高额定电压隔离电容器100安置于初级IC 102上方在绝缘层104上(图1及1A)。所述多个高额定电压隔离电容器100中的每一者可用以使第一电压域中的引线指状件120与第二电压域中的次级IC 118的信号或功率垫(例如，引线指状件120a、接合线124a、隔离电容器100a、接合线126a及次级IC118的连接垫)直流(DC)隔离。从初级IC 102的信号垫到次级IC 118的信号垫(例如，接合线124b、隔离电容器100b、接合线126b及次级IC 118的连接垫)。从第一电压域中的引线指状件120e到第二电压域中的引线指状件122h(例如，接合线124e、隔离电容器100e、接合线126e及引线指状件122h)。
必要时，针对特定应用可连接多个高额定电压隔离电容器100。可如图1及1A中所展示及上文描述形成高额定电压隔离电容器100中的每一者。应预期到且在本发明的范围内的是，高额定电压隔离电容器100可形成为任何所要的几何形状，且其并不限于如图3中展示的特定实例实施例中所展示的正方形或矩形形状。
参看图4，描绘根据本发明的另一特定实例实施例的将功率及信号电路耦合于初级集成电路与次级集成电路之间的多个高额定电压隔离电容器的示意性框图，其中次级集成电路的电路控制从初级集成电路到次级集成电路的功率转移。可使用穿过高额定电压隔离电容器100(例如，隔离电容器100a及100b)的交流(AC)电压将功率隔离且将功率从所述第一电压域转移到所述第二电压域，或反之亦然。可由波形产生器432(例如，振荡器)、由脉冲宽度调制(PWM)调制器控制的电源开关等等产生此AC电压，或者当开关434闭合且波形产生器432不激活时由外部宽度调制(PWM)信号产生此AC电压。波形产生器432将AC电压提供到驱动器430及428，且驱动器430及428可经由隔离电容器100a及100b提供不需要接地参考的推挽式(例如，差分信号)波形且将其提供到第二电压域中的整流器444。整流器444可还包括低通滤波器及电压倍压器。
通过使用电压倍压器/三倍器450从初级IC 102可产生更高AC电压幅度。此更高AC电压可耦合到驱动器430及428以产生具有更高幅度的驱动功率信号，所述驱动功率信号将经由隔离电容器100隔离耦合到整流器444。整流器444将DC电压提供到提供第二电压域中的电源电压的电压调节器446。电压调节器446还将内部电压参考(未展示)与隔离电压VDD-ISO之间的误差电压提供到PWM调制器448。PWM调制器448的输出穿过隔离电容器100c将反馈控制信号提供到波形产生器432或外部PWM产生器(未展示)。根据此反馈控制信号，波形产生器432可改变其输出幅度及/或频率以维持(例如)对于次级IC 118想要的隔离电压VDD-ISO。因此，可将隔离、高效的调节式电压从第一电压域提供到第二电压域。可(例如)由输入电路438接收来自第一电压域的隔离输入，且将所述隔离输入经由隔离电容器100e隔离耦合到输出驱动器电路444从而到第二电压域。类似地，可(例如)由输入电路442接收来自第二电压域的隔离输入，且将所述隔离输入经由隔离电容器100d隔离耦合到输出驱动器电路436从而到第一电压。
应注意，使用内部波形产生器432转移所述第一电压域中的所述供电电压(VDD)作为AC能量且经由隔离电容器100a及100b跨越隔离屏障将所述供电电压(VDD)转移到所述第二电压域侧。可从来自隔离电容器100a及100b的经整流AC信号产生DC供电电压(VDD-IS0)且经由由PWM调制器448及反馈隔离耦合电容器100c形成的反馈电路调节DC供电电压(VDD-IS0)。
波形产生器432还可为由PWM调制器448控制的PWM产生器。应预期到且在本发明的范围内的是，可使用外部PWM产生器(未展示)且由PWM调制器448控制所述外部PWM产生器。
参看图5，描绘根据本发明的特定实例实施例的将功率及信号电路耦合于初级集成电路与次级集成电路之间的多个高额定电压隔离电容器的示意性框图。可使用穿过多个高额定电压隔离电容器100(例如，隔离电容器100a到100f)的交流(AC)电压将功率隔离且将其从所述第一电压域转移到所述第二电压域，或反之亦然。可由波形产生器432(例如，振荡器)、由脉冲宽度调制(PWM)调制器控制的电源开关等等或由外部宽度调制(PWM)信号产生此AC电压。驱动器430及428经由隔离电容器100a到100f将不需要接地参考的推挽式(例如，差分信号)波形提供到连接于第二电压域中的整流器444。整流器444还可包括低通滤波器及电压倍压器。除了并联连接的电容器100a到100f降低穿过其的阻抗且增加电流吞吐量之外，图5中展示的电路以与图4中展示的电路实质上相同的方式工作。
参看图6，描绘根据本发明的教示的10皮卡法拉(pF)电容器的电流携载能力对施加到其的信号频率的表及曲线图。隔离电容器100可优选地具有约10皮卡法拉的电容值。图6中展示的表及曲线图提供10pF电容器在不同频率下的电流携载能力。当一个10pF电容器不可在所要的频率下供应足够电流量时，那么添加额外并联连接的隔离电容器100可为适当的，例如，参看图5，隔离电容器100a到100f。
替代并联隔离电容器100或除并联隔离电容器100之外，可通过使用电压倍压器/三倍器450从初级IC 102产生更高AC电压幅度。此更高AC电压可耦合到驱动器430及428以产生具有更大幅度的驱动功率信号，所述驱动功率信号将经由隔离电容器100隔离耦合到电荷泵444。
返回参看图5，从信号输出驱动器到信号输入驱动器的低电平信号可具有低很多的信号电流要求(例如，更高阻抗)。因此，可有效地使用更小值的电容器，例如，约一(1)pF的电容器。电容器540可具有与隔离电容器100相同的构造，或具有集成电路制造领域中已知的构造。任何电容器阻断DC，所以优选地用锁存器或寄存器边缘触发第一电压域及第二电压域中的电路之间的信号数据转移以用于长期数据逻辑电平保持。这些隔离电容器100还可用于微控制器及其它模拟产品中的功率供应应用中，且非仅受限于隔离装置。
参看图5A，描绘根据本发明的特定实例实施例的将功率电路及控制电路耦合于初级集成电路与次级集成电路之间的多个高额定电压隔离电感器的示意性框图。可使用穿过电感地耦合以形成变压器554的高额定电压隔离电感器560及558(图1B及1C)的交流(AC)电压将功率隔离且将功率从所述第一域转移到所述第二域，或反之亦然。可由波形产生器532(例如，振荡器)、由脉冲宽度调制(PWM)调制器控制的电源开关等等或由外部宽度调制(PWM)信号产生此AC电压。波形产生器532将AC电压提供到驱动器530及528，且驱动器530及528经由隔离电感器560及558(变压器554)提供来自第一电压域的推挽式(例如，差分波形)AC电压且将其提供到连接于第二电压域中的整流器544。整流器544还可包括低通滤波器及电压倍压器。
可通过使用电压倍压器/三倍器550从初级IC 102产生较高的AC电压幅度。此较高AC电压可耦合到驱动器530及528以产生具有更大幅度的驱动功率信号，所述驱动功率信号将经由隔离电感器560及558(变压器554)隔离耦合到整流器544。整流器544将DC电压提供到提供所述第二电压域中的电源电压的电压调节器546。电压调节器546还将内部电压参考(未展示)与隔离电压VDD-ISO之间的误差电压提供到PWM调制器548。PWM调制器548的输出经由隔离电感器(变压器556)将反馈控制信号提供到编码器552。编码器552可根据此反馈控制信号控制波形产生器532以改变其输出幅度及/或频率以维持次级IC 118的所要隔离电压。因此，可将隔离高效的调节式电压从所述第一电压域提供到所述第二电压域。可如所展示经由隔离变压器570及572以及接口电路536、538、540及542提供所述两个电压域之间的隔离输入及输出信号。
应注意，使用内部波形产生器532转移第一电压域中的供电电压(VDD)作为AC能量，且穿过隔离变压器554跨越隔离屏障将第一电压域中的供电电压(VDD)转移到所述第二电压域侧。可从来自隔离变压器554的经整流的AC信号产生DC供电电压(VDD-IS0)，且经由由PWM调制器548及反馈隔离变压器556形成的反馈电路调节所述DC供电电压(VDD-ISO)。
波形产生器532还可为由PWM调制器548控制的PWM产生器。应预期到且在本发明的范围内的是，可使用外部PWM产生器(未展示)且由PWM调制器548控制所述外部PWM产生器。
参看图7及7A，描绘根据本发明的另一特定实例实施例的形成于集成电路上的多个反向堆叠高额定电压隔离电容器的示意性正视图。另一高额定电压隔离电容器(通常由数字700表示)可包括第二导电层112上方的绝缘层704、绝缘层704上方的第三导电层712、第三导电层712的一部分上方的绝缘电介质层710、绝缘电介质层710上方的第四导电层706及第四导电层706及第三导电层712的一部分上方的绝缘层708。绝缘层708中的第三垫开口716可提供到第三导电层712的电连接通路。绝缘层708中的第四垫开口714可提供到第四导电层706的电连接通路。
可将高额定电压隔离电容器700定位于集成电路102上方且附接到安置于集成电路102上的高额定电压隔离电容器100。除了第三导电层712及第四导电层706可分别经反向使得必须将较薄电绝缘物(例如，电绝缘层704)放置于隔离电容器100与700之间以便维持所述第一电压域与第二电压域之间想要的电压击穿定额之外，高额定电压隔离电容器700的构造可与高额定电压隔离电容器100的构造实质上相同。可将初级IC 102及次级IC 118以及隔离电容器100及700囊封(封装)于集成电路封装730中。
参看图8，描绘根据本发明的另一特定实例实施例的形成于初级集成电路上且耦合到第一及第二次级集成电路的多个高额定电压隔离电容器的示意性平面图。隔离电容器100及700可彼此垂直放置且另一次级IC 818可耦合到隔离电容器700。此情形允许两个或两个以上次级IC与初级IC 102一起封装，例如，IC封装830。次级IC 118及818两者可在第二电压域中，或次级IC 118可在所述第二电压域中且次级IC 818可在第三电压域中，其中次级IC 118及818两者可与所述第一电压域中的初级IC 102完全隔离。另外，当次级IC 118及818经配置以处于第二电压域及第三电压域中时，次级IC 118及818可彼此隔离。初级IC102可包括微控制器等等，且次级IC 118/818可为数字信号处理器(DSP)、充电时间测量单元(CTMU)、协同处理器、专用输入输出接口、计数器、计时器、模/数转换器(ADC)、数/模转换器(DAC)等等。可将初级及次级IC 102、118及818以及隔离电容器100及700可囊封(封装)于集成电路封装830中。
如必要，可针对特定应用连接多个高额定电压隔离电容器100及700。可形成高额定电压隔离电容器100及700中的每一者，如图7及7A中所展示及上文所描述。应预期且在本发明的范围内的是，高额定电压隔离电容器100及700可形成为任何想要的几何形状，且高额定电压隔离电容器100及700并非限于图3及8中展示的特定实例实施例中所展示的正方形或矩形形状。
虽然本发明容许各种修改及替代形式，但已在图式中展示且在本文中详细地描述其特定实例实施例。然而，应理解，本文中对特定实例实施例的描述不希望将本发明限于本文中揭示的特定形式，而相反地，本发明应涵盖由所附权利要求书所定义的所有修改及等效物。
Claims (42)
1.一种用于在不同电压域之间产生经调节隔离供电电压的方法，所述方法包括以下步骤：
提供耦合到第一电压域的初级集成电路；
提供耦合到第二电压域的次级集成电路；
在所述初级集成电路的一面的至少一部分上方提供第一绝缘层；
提供定位于所述第一绝缘层上方的多个高额定电压隔离电容器，其中所述多个高额定电压隔离电容器中的每一者包括
第一导电层，其在所述第一绝缘层上，
高额定电压电介质层，其在相应第一导电层的一部分上，及
第二导电层，其在所述相应高额定电压电介质层上；
在所述初级集成电路裸片中提供波形产生器，所述波形产生器具有耦合到所述第一导电层的相应者的输出；
提供在所述次级集成电路中且具有耦合到所述第二导电层的相应者的输入的交流AC到直流DC转换器，借此将AC功率从所述波形产生器转移到所述AC到DC转换器；
提供耦合到所述AC到DC转换器的输出的电压调节器，所述电压调节器具有参考电压反馈输出；及
提供具有耦合到所述电压调节器参考电压反馈输出的输入及耦合到另一第二导电层的输出的脉冲宽度调制器，其中所述波形产生器具有耦合到相应另一第一导电层的控制输入，借此所述脉冲宽度调制器控制所述波形产生器的所述输出。
2.一种用于在不同电压域之间产生经调节隔离供电电压的方法，所述方法包括以下步骤：
提供耦合到第一电压域的初级集成电路；
提供耦合到第二电压域的次级集成电路；
在所述初级集成电路的一面的至少一部分上方提供第一绝缘层；
提供定位于所述第一绝缘层上方的多个高额定电压隔离变压器，其中所述多个高额定电压隔离变压器中的每一者包括
第一电感器，其在所述第一绝缘层上，
高额定电压电介质层，其在相应第一电感器的一部分上，及
第二电感器，其在所述相应高额定电压电介质层上；
在所述初级集成电路裸片中提供波形产生器，所述波形产生器具有耦合到所述第一电感器的相应者的输出；
提供在所述次级集成电路中且具有耦合到所述第二电感器的相应者的输入的交流AC到直流DC转换器，借此将AC功率从所述波形产生器转移到所述AC到DC转换器；
提供耦合到所述AC到DC转换器的输出的电压调节器，所述电压调节器具有参考电压反馈输出；及
提供具有耦合到所述电压调节器参考电压反馈输出的输入及耦合到另一第二电感器的输出的脉冲宽度调制器，其中所述波形产生器具有耦合到相应另一第一电感器的控制输入，借此所述脉冲宽度调节器控制所述波形产生器的所述输出。
3.一种具有在不同电压域之间的经调节隔离供电电压的集成电路装置，其包括：
初级集成电路，其耦合到第一电压域；
次级集成电路，其耦合到第二电压域；
第一绝缘层，其在所述初级集成电路的一面的至少一部分上方；
多个高额定电压隔离电容器，其定位于所述第一绝缘层上方，其中所述多个高额定电压隔离电容器中的每一者包括
第一导电层，其在所述第一绝缘层上，
高额定电压电介质层，其在相应第一导电层的一部分上，及
第二导电层，其在所述相应高额定电压电介质层上；
波形产生器，其在所述初级集成电路裸片中，所述波形产生器具有耦合到所述第一导电层的相应者的输出；
交流AC到直流DC转换器，其在所述次级集成电路中且具有耦合到所述第二导电层的相应者的输入，借此将AC功率从所述波形产生器转移到所述AC到DC转换器；
电压调节器，其耦合到所述AC到DC转换器的输出，所述电压调节器具有参考电压反馈输出；及
脉冲宽度调制器，其具有耦合到所述电压调节器参考电压反馈输出的输入及耦合到另一第二导电层的输出，其中所述波形产生器具有耦合到相应另一第一导电层的控制输入，借此所述脉冲宽度调制器控制所述波形产生器的所述输出。
4.根据权利要求3所述的集成电路装置，其进一步包括在所述初级集成电路裸片中的推挽式驱动器，所述推挽式驱动器具有耦合到所述波形产生器的输入及耦合到所述第一导电层的相应者的输出。
5.根据权利要求3所述的集成电路装置，其进一步包括第二绝缘层，所述第二绝缘层在所述第二导电层的至少一部分上方、所述高额定电压电介质层及所述第一导电层的部分上方，其中所述第二绝缘层具有
第一开口，其在所述第一导电层上方以使第一接合线将所述第一导电层耦合到所述初级集成电路上的电路连接垫，及
第二开口，其在所述第二导电层上方以使第二接合线将所述第二导电层耦合到所述次级集成电路上的电路连接垫。
6.根据权利要求3所述的集成电路装置，其进一步包括囊封所述初级及次级集成电路以及所述高额定电压隔离电容器的集成电路封装。
7.根据权利要求3所述的集成电路装置，其中所述初级集成电路为微控制器。
8.根据权利要求3所述的集成电路装置，其中所述高额定电压电介质层包括二氧化硅SiO2。
9.根据权利要求3所述的集成电路装置，其中所述高额定电压电介质层包括氮化硅SiN。
10.根据权利要求3所述的集成电路装置，其中所述高额定电压电介质层包括氮氧化物。
11.根据权利要求3所述的集成电路装置，其中所述高额定电压电介质层包括具有不同厚度且由标准技术沉积或生长的掺杂或未掺杂氧化物的堆叠层。
12.根据权利要求3所述的集成电路装置，其中所述高额定电压电介质层各自具有约四微米(4μ)的厚度。
13.根据权利要求3所述的集成电路装置，其中所述高额定电压隔离电容器各自具有约10皮卡法拉的电容值。
14.根据权利要求3所述的集成电路装置，其中所述第一及第二导电层为金属。
15.根据权利要求14所述的集成电路装置，其中所述第一及第二导电金属层由铝组成。
16.根据权利要求14所述的集成电路装置，其中所述第一及第二导电层由铜组成。
17.根据权利要求3所述的集成电路装置，其中所述第一及第二导电层从由下列各物组成的群组中的任何一或多者中选出：钛、钽、钴、钼以及其硅化物及自对准硅化物。
18.根据权利要求4所述的集成电路装置，其中所述推挽式驱动器的所述输出中的每一者耦合到所述第一导电层中的至少两者且对应的至少两个第二导电层耦合到所述AC到DC转换器。
19.根据权利要求3所述的集成电路装置，其中所述波形产生器为振荡器，且所述脉冲宽度调制器控制其所述输出的幅度。
20.根据权利要求3所述的集成电路装置，其中所述波形产生器为振荡器，且所述脉冲宽度调制器控制其输出频率。
21.根据权利要求3所述的集成电路装置，其中所述波形产生器为外部脉冲宽度调制产生器，且所述脉冲宽度调制器控制所述外部脉冲宽度调制产生器。
22.根据权利要求21所述的集成电路装置，其中所述脉冲宽度调制器控制所述外部脉冲宽度调制产生器的周期及工作循环。
23.根据权利要求21所述的集成电路装置，其中由微控制器提供所述外部脉冲宽度调制产生器。
24.根据权利要求4所述的集成电路装置，其进一步包括电压倍增器，所述电压倍增器耦合于所述第一电压域中的电压源之间且将倍增操作电压供应到所述推挽式驱动器。
25.根据权利要求24所述的集成电路装置，其中所述电压倍增器使所述电压源增加两倍。
26.根据权利要求24所述的集成电路装置，其中所述电压倍增器使所述电压源增加三倍。
27.根据权利要求3所述的集成电路装置，其中所述AC到DC转换器进一步包括低通滤波器。
28.根据权利要求3所述的集成电路装置，其中所述AC到DC转换器进一步包括电压倍压器。
29.根据权利要求3所述的集成电路装置，其中所述波形产生器包括电源开关，且所述脉冲宽度调制器控制所述电源开关的接通及关断工作循环。
30.一种具有在不同电压域之间的经调节隔离供电电压的集成电路装置，其包括：
初级集成电路，其耦合到第一电压域；
次级集成电路，其耦合到第二电压域；
第一绝缘层，其在所述初级集成电路的一面的至少一部分上方；
多个高额定电压隔离变压器，其定位于所述第一绝缘层上方，其中所述多个高额定电压隔离变压器中的每一者包括
第一电感器，其在所述第一绝缘层上，
高额定电压电介质层，其在相应第一电感器的一部分上，及
第二电感器，其在所述相应高额定电压电介质层上；
波形产生器，其在所述初级集成电路裸片中，所述波形产生器具有耦合到所述第一电感器的相应者的输出；
交流AC到直流DC转换器，其在所述次级集成电路中且具有耦合到所述第二电感器的相应者的输入，借此将AC功率从所述波形产生器转移到所述AC到DC转换器；
电压调节器，其耦合到所述AC到DC转换器的输出，所述电压调节器具有参考电压反馈输出；及
脉冲宽度调制器，其具有耦合到所述电压调节器参考电压反馈输出的输入及耦合到另一第二电感器的输出，其中所述波形产生器具有耦合到相应另一第一电感器的控制输入，借此所述脉冲宽度调制器控制所述波形产生器的所述输出。
31.根据权利要求30所述的集成电路装置，其进一步包括推挽式驱动器，所述推挽式驱动器在所述初级集成电路裸片中、具有耦合到所述波形产生器的输入及耦合到所述第一电感器的相应者的输出。
32.根据权利要求30所述的集成电路装置，其进一步包括第二绝缘层，其在所述第二电感器的至少一部分上方、所述高额定电压电介质层及所述第一电感器的部分上方，其中所述第二绝缘层具有
第一开口，其在第一导电层上方以使第一接合线将所述第一电感器耦合到所述初级集成电路上的电路连接垫，及
第二开口，其在第二导电层上方以使第二接合线将所述第二电感器耦合到所述次级集成电路上的电路连接垫。
33.根据权利要求30所述的集成电路装置，其进一步包括囊封所述初级及次级集成电路以及所述高额定电压隔离变压器的集成电路封装。
34.根据权利要求30所述的集成电路装置，其进一步包括囊封所述初级及次级集成电路的至少一个集成电路封装，及囊封所述多个高额定电压隔离变压器的另一集成电路封装。
35.根据权利要求30所述的集成电路装置，其中所述初级集成电路为微控制器。
36.根据权利要求30所述的集成电路装置，其中所述高额定电压电介质层包括二氧化硅SiO2。
37.根据权利要求30所述的集成电路装置，其中所述高额定电压电介质层包括氮化硅SiN。
38.根据权利要求30所述的集成电路装置，其中所述高额定电压电介质层包括氮氧化物。
39.根据权利要求30所述的集成电路装置，其中所述高额定电压电介质层包括具有不同厚度且由标准技术沉积或生长的掺杂或未掺杂氧化物的堆叠层。
40.根据权利要求30所述的集成电路装置，其中所述高额定电压电介质层各自具有约四微米(4μ)的厚度。
41.根据权利要求30所述的集成电路装置，其中所述AC到DC转换器进一步包括低通滤波器。
42.根据权利要求30所述的集成电路装置，其中所述波形产生器包括电源开关，且所述脉冲宽度调制器控制所述电源开关的接通及关断工作循环。
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