CN111224538A - 一种片上隔离开关电源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种片上隔离开关电源，包括：隔离能量传输电路，至少包括集成在芯片上采用空气芯的功率变压器；所述隔离能量传输电路用于根据频率调节信号和振幅调节信号生成对应频率和振幅的射频振荡信号，并通过所述功率变压器隔离传输后进行倍压整流后作为开关电源输出；隔离稳压反馈控制电路，至少包括信号变压器；所述隔离稳压反馈控制电路用于比较开关电源的输出反馈电压和参考基准电压的差值并生成对应占空比的PWM调制信号，转换为射频信号后通过所述信号变压器进行隔离传输，并生成对应的振幅调节信号给所述隔离能量传输电路。本发明融合开关电源与线性稳压环路反馈控制方法，实现一种低电磁干扰、高效率、小体积的片上隔离开关电源。
Description
技术领域
本发明涉及集成电路技术领域，尤其涉及一种片上隔离开关电源。
背景技术
为了减小对高端电子系统的信号噪声干扰并保护器件免受高压伤害，很多电子设备如工业控制系统、航空航天设备和医疗设备中都会采用隔离器进行信号隔离传输。
由于隔离器本身源、副边电路没有电流通路，而一般情况下源副两边的电路都需要能源供应，传统的解决方案是采用外挂或内置辅助隔离电源实现隔离器源边和副边的电源电压输入。辅助隔离电源一般采用磁隔离变压器作为能量转换方案，根据所需提供隔离能量大小不同磁性变压器的形状和大小也不同，最小的磁隔离变压器需要3mm直径的磁芯来提供百毫瓦量级的能源供应。
随着现代电子系统的演进，隔离器小型化、芯片化成为发展趋势，如数据隔离器、总线隔离器、线性隔离器、栅极驱动器等在单个电子系统中大量采用的隔离器件已经完成了芯片化的发展。但除了数据隔离器等简单副边电路功能的器件可由光电耦合隔离方案实现单边供能外，其余隔离器件均需双边供电，带来了芯片外挂辅助隔离电源或隔离器模块化等体积重量增大的问题。
造成辅助隔离电源无法小型化的根本原因在于磁性隔离器件小型化的难题，由于磁性变压器中磁材料的磁滞效应，使振荡电流的频率一般小于1MHz，低振荡频率使传输相同能量所需的变压器体积较大，同时也受限于磁性材料的加工工艺无法进一步减小体积。
最近兴起的磁隔离信号传输技术采用空气芯变压器作为隔离信号传输介质，磁隔离方案可解决光电耦合隔离方案易老化、功耗高、寿命短、不耐高温等缺点，并且空气芯变压器由于其无磁芯结构可大幅提升其振荡电流频率以减小变压器体积，甚至可以直接集成在芯片上。但若将空气芯变压器用于隔离能量传输，存在隔离损耗大、传输效率低、能量转换困难等问题，需要特殊设计的变压器结构和电路才能保证其传输能量的大小和效率。
由于片上空气芯变压器体积小、漏磁率高，导致其振荡频率一般需要高达数百MHz，这其中很大一部分能量会通过线圈漏磁发射出去，形成电磁辐射危害，导致隔离器件EMI电磁辐射指标超标，并连带产生严重的电磁干扰现象，使隔离供电系统的电源噪声纹波等指标恶化严重。
现有片上磁隔离能量传输方案采用片上空气芯隔离变压器和开关式反馈电路实现体积重量和效率优化，但仍不能解决变压器能量传输过程中的电磁干扰问题，且在能量断续性传输的开关过程中易产生由低频开关信号引起的次生电磁干扰并影响电源瞬态响应和纹波特性。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中采用空气芯变压器的开关电源仍不能解决电磁干扰的问题，提供一种片上隔离开关电源，采用开关电源反馈与线性稳压环路相结合的技术，在提升芯片片上能量隔离传输效率的同时大幅度降低电磁干扰，可以用于微型化隔离辅助供电，如隔离数据传输、隔离配电、隔离控制等微型系统中的隔离能源供应。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种片上隔离开关电源，包括：
隔离能量传输电路，至少包括集成在芯片上采用空气芯的功率变压器；所述隔离能量传输电路用于根据频率调节信号和振幅调节信号生成对应频率和振幅的射频振荡信号，并通过所述功率变压器隔离传输，再通过倍压整流后作为开关电源输出；
隔离稳压反馈控制电路，至少包括信号变压器；所述隔离稳压反馈控制电路用于比较开关电源的输出反馈电压和参考基准电压的差值并生成对应占空比的PWM调制信号，转换为射频信号后通过所述信号变压器进行隔离传输，最终生成对应的振幅调节信号给所述隔离能量传输电路。
在根据本发明所述的片上隔离开关电源中，优选地，所述隔离能量传输电路还包括：斜坡生成单元、电感电容谐振射频振荡器和倍压整流滤波单元；
所述斜坡生成单元用于生成斜坡电压形式的频率调节信号；
所述电感电容谐振射频振荡器与所述斜坡生成单元和功率变压器的源边线圈连接，用于根据频率调节信号和振幅调节信号生成对应频率和振幅的射频振荡信号；
所述倍压整流滤波单元与所述功率变压器的副边线圈连接，用于对传输至功率变压器的副边线圈的射频振荡信号进行倍压整流滤波后连接开关电源输出端。
在根据本发明所述的片上隔离开关电源中，优选地，所述隔离稳压反馈控制电路还包括占空比反馈采样单元、射频开关单元、射频环形振荡器、射频信号检测单元和摆幅调节控制单元；
所述占空比反馈采样单元与所述开关电源输出端连接，用于比较开关电源的输出反馈电压和参考基准电压的差值并形成对应占空比的PWM调制信号；
所述射频开关单元与所述占空比反馈采样单元、所述射频环形振荡器和所述信号变压器的源边线圈连接，根据所述PWM调制信号对所述射频环形振荡器生成的连续射频信号进行调制，并输出给所述信号变压器的源边线圈；
所述射频信号检测单元与所述信号变压器的副边线圈连接，用于将信号变压器的副边线圈耦合出的差分反馈射频信号还原为PWM调制信号；
所述摆幅调节控制单元与所述射频信号检测单元连接，用于根据还原的PWM调制信号生成振幅调节信号。
在根据本发明所述的片上隔离开关电源中，优选地，所述隔离稳压反馈控制电路还包括看门狗单元，用于对所述射频信号检测单元输出的还原的PWM调制信号进行踢狗检测后再输出给所述摆幅调节控制单元。
在根据本发明所述的片上隔离开关电源中，优选地，所述斜坡生成单元包括：第一电阻、第一运算放大器、第二运算放大器、第一场效应管、第一电容、第一反向器；所述第一电阻和第二电阻串联后连接在工作电压和接地端之间，且所述第一电阻和第二电阻连接至所述第一运算放大器的同向输入端；所述第一运算放大器的反向输入端连接至工作电压，第一运算放大器的输出端通过第一反向器连接至第一场效应管的栅极；第一场效应管的漏极连接至第一运算放大器的反向输入端，并通过第一电容接地；第一场效应管的源极连接接地端；所述第二运算放大器的同向输入端连接至工作电压，所述第二运算放大器的反向输入端与输出端连接，并作为斜坡生成单元的输出端。
在根据本发明所述的片上隔离开关电源中，优选地，所述电感电容谐振射频振荡器包括：第二电容、第一可变电容、第二可变电容、第二场效应管至第七场效应管；所述第二场效应管和第三场效应管的源极连接至工作电压；所述第三场效应管的漏极、所述第五场效应管的漏极、所述第二场效应管的栅极、所述第四场效应管的栅极连接在一起并连接至功率变压器的源边线圈同名端；所述第二场效应管的漏极、所述第四场效应管的漏极、所述第三场效应管的栅极、所述第五场效应管的栅极连接在一起并连接至功率变压器的源边线圈异名端；所述第一可变电容和第二可变电容反向串联后与第二电容一起并联在功率变压器的源边线圈同名端和异名端之间；所述第一可变电容和第二可变电容之间的节点连接至斜坡生成单元的输出端；所述第四场效应管和所述第五场效应管的源极均连接至第七场效应管的漏极；所述第六场效应管和第七场效应管的源极连接接地端；所述第六场效应管的漏极和栅极连接至第七场效应管的栅极并接收振幅调节信号。
在根据本发明所述的片上隔离开关电源中，优选地，所述倍压整流滤波单元包括：第八场效应管、第九场效应管、第三电容和第四电容；所述第八场效应管的栅极和源极以及第九场效应管的漏极连接在一起，并通过第三电容连接至所述功率变压器的副边线圈异名端；所述第九场效应管的栅极和源极连接在一起，并连接至所述功率变压器的副边线圈同名端和开关电源的负极；所述第八场效应管的漏极连接至开关电源的正极；所述开关电源的正极和负极之间并联有第四电容。
在根据本发明所述的片上隔离开关电源中，优选地，所述占空比反馈采样单元包括：第三运算放大器、第四运算放大器、第三电阻至第五电阻、第五电容和第六电容；所述第三电阻和第四电阻串联后连接在开关电源的正极和负极之间，所述第三电阻和第四电阻之间的节点连接至第三运算放大器的反向输入端，第三运算放大器的同向输入端接入参考基准电压；所述第五电阻和第五电容串联后与第六电容一起并联在第三运算放大器的反向输入端和输出端之间，且所述第三运算放大器的输出端接入第四运算放大器的反向输入端，第四运算放大器的同向输入端接入斜坡生成单元，第四运算放大器的输出端作为所述占空比反馈采样单元的输出端输出PWM调制信号。
在根据本发明所述的片上隔离开关电源中，优选地，所述功率变压器包括上层的源边线圈和下层的副边线圈，均由从内至外每圈宽度渐变的椭圆线圈金属条构成，并且上层的椭圆线圈金属条与下层的椭圆线圈金属条错位设置。其中源边线圈和副边线圈的椭圆线圈金属条的宽度均满足：
其中，
为从内至外第i圈椭圆线圈的金属条宽度，
为最内圈椭圆线圈的金属条宽度，n为椭圆线圈的总圈数，k为内外线宽比，其取值范围为
至
。
在根据本发明所述的片上隔离开关电源中，优选地，所述片上隔离开关电源由第一芯片和第二芯片构成，所述第一芯片上集成有所述功率变压器、斜坡生成单元、电感电容谐振射频振荡器、射频信号检测单元和摆幅调节控制单元；所述第二芯片上集成有所述信号变压器、倍压整流滤波单元、占空比反馈采样单元、射频开关单元和射频环形振荡器。
实施本发明的片上隔离开关电源，具有以下有益效果：本发明采用开关电源反馈与线性稳压环路相结合的技术，在提升芯片片上能量隔离传输效率的同时大幅度降低电磁干扰，并提升负载动态响应特性，实现了一种低电磁干扰、高效率、小体积、高可靠的片上隔离开关电源；实验数据表明，在同样封装的电磁环境下，本发明在功率发射频率附近电磁干扰辐射水平比固定频率振荡能量传输模式低35dB，反馈环路动态响应环路带宽可达1MHz。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例的片上隔离开关电源的总体架构图；
图2为根据本发明一个优选实施例的隔离能量传输电路的电路原理图；
图3为根据本发明一个优选实施例的隔离稳压反馈控制电路的电路原理图；
图4为根据本发明的片上隔离开关电源环路工作波形图；
图5为根据本发明优选实施例的片上隔离开关电源的芯片与变压器线圈布置图；
图6a至6c为根据本发明优选实施例的片上隔离开关电源的功率变压器的结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，为根据本发明优选实施例的片上隔离开关电源的总体架构图。如图1所示，该实施例提供的片上隔离开关电源至少包括隔离能量传输电路和隔离稳压反馈控制电路。
其中隔离能量传输电路，至少包括集成在芯片上采用空气芯的功率变压器T1。该隔离能量传输电路用于根据频率调节信号和振幅调节信号生成对应频率和振幅的射频振荡信号，并通过该功率变压器T1隔离传输后进行倍压整流后作为开关电源输出。
隔离稳压反馈控制电路至少包括信号变压器T2。该隔离稳压反馈控制电路用于比较开关电源的输出电压和参考基准电压的差值并生成对应占空比的PWM调制信号，转换为射频信号后通过信号变压器T2进行隔离传输，并生成对应的振幅调节信号给隔离能量传输电路。
本发明提供了一种芯片磁隔离的低电磁干扰高效率能量传输方案，采用开关电源反馈与线性稳压环路相结合的技术，在提升芯片片上能量隔离传输效率的同时大幅度降低电磁干扰，并提升负载动态响应特性。
在本发明的优选实施例中，上述隔离能量传输电路可以包括以下电路单元：斜坡生成单元110、电感电容谐振射频振荡器120、功率变压器T1和倍压整流滤波单元130。
其中斜坡生成单元110用于生成斜坡电压形式的频率调节信号。
电感电容谐振射频振荡器120与斜坡生成单元110和功率变压器T1的源边线圈连接，用于根据频率调节信号和振幅调节信号生成对应频率和振幅的射频振荡信号。斜坡生成单元110和电感电容谐振射频振荡器120均连接至工作电压VDD供电。
倍压整流滤波单元130与功率变压器T1的副边线圈连接，用于对传输至功率变压器T1的副边线圈的射频振荡信号进行倍压整流滤波后连接开关电源输出端，即开关电源的正极VHI和负极VLO。
在本发明的优选实施例中，上述隔离稳压反馈控制电路可以包括以下电路单元：占空比反馈采样单元210、射频环形振荡器220、射频开关单元230、信号变压器T2、射频信号检测单元240和摆幅调节控制单元260。
其中，占空比反馈采样单元210与开关电源输出端连接，用于比较开关电源的输出反馈电压和参考基准电压Vref的差值并形成对应占空比的PWM调制信号。
射频开关单元230与占空比反馈采样单元210、射频环形振荡器220和信号变压器T2的源边线圈连接，根据所述PWM调制信号对射频环形振荡器220生成的连续射频信号进行调制，并输出给信号变压器T2的源边线圈。
射频信号检测单元240与信号变压器T2的副边线圈连接，用于将信号变压器T2的副边线圈耦合出的差分反馈射频信号还原为PWM调制信号。
摆幅调节控制单元260与射频信号检测单元240连接，用于根据还原的PWM调制信号生成振幅调节信号。
更优选地，该隔离稳压反馈控制电路还包括看门狗单元250，用于对射频信号检测单元240输出的还原的PWM调制信号进行踢狗检测后再输出给摆幅调节控制单元260。
请参阅图2，为根据本发明一个优选实施例的隔离能量传输电路的电路原理图。如图2所示，其中斜坡生成单元110包括：第一电阻R1、第一运算放大器A1、第二运算放大器A2、第一场效应管Q1、第一电容C1、第一反向器INV1。
第一电阻R1和第二电阻R2串联后连接在工作电压VDD和接地端VSS之间，且第一电阻R1和第二电阻R2连接至第一运算放大器A1的同向输入端；第一运算放大器A1的反向输入端连接至工作电压VDD，第一运算放大器A1的输出端通过第一反向器INV1连接至第一场效应管Q1的栅极；第一场效应管Q1的漏极连接至第一运算放大器A1的反向输入端，并通过第一电容C1接地；第一场效应管Q1的源极连接接地端VSS。第二运算放大器A2的同向输入端连接至工作电压VDD，第二运算放大器A2的反向输入端与输出端连接，并作为斜坡生成单元110的输出端，输出频率控制信号Vctrl。本发明电路中的场效应管可以为绝缘栅耗尽型N-MOS。
电感电容谐振射频振荡器120包括：第二电容C2、第一可变电容Cv1、第二可变电容Cv2、第二场效应管Q2至第七场效应管Q7。第二场效应管Q2和第三场效应管Q3的源极连接至工作电压VDD；第三场效应管Q3的漏极、第五场效应管Q5的漏极、第二场效应管Q2的栅极、第四场效应管Q4的栅极连接在一起并连接至功率变压器T1的源边线圈同名端；第二场效应管Q2的漏极、第四场效应管Q4的漏极、第三场效应管Q3的栅极、第五场效应管Q5的栅极连接在一起并连接至功率变压器T1的源边线圈异名端；第一可变电容Cv1和第二可变电容Cv2反向串联后与第二电容C2一起并联在功率变压器T1的源边线圈同名端和异名端之间；第一可变电容Cv1和第二可变电容Cv2之间的节点连接至斜坡生成单元的输出端的输出端。第四场效应管Q4和第五场效应管Q5的源极均连接至第七场效应管Q7的漏极；第六场效应管Q6和第七场效应管Q7的源极连接接地端VSS；第六场效应管Q6的漏极和栅极连接至第七场效应管Q7的栅极并接收振幅调节信号IBvco。
上述电感电容谐振射频振荡器120为采用射频电感电容谐振腔的振荡电路，空心的功率变压器T1的源边线圈作为振荡器的谐振电感被并联入振荡腔环路，振荡器谐振电容由固定电容量的第二电容C2，以及第一可变电容Cv1和第二可变电容Cv2构成，通过控制压控可变电容的偏置电压即频率控制信号Vctrl可使可变电容的电容发生连续变化，与空心功率变压器源边电感配合可使射频振荡器振荡频率在350MHz至450MHz间连续变化，其偏置电压即频率控制信号Vctrl由斜坡生成电路110产生。本发明通过改变斜坡电压的周期可控制电感电容谐振射频振荡器120频率变化速度，改变斜坡电压的幅度可控制电感电容谐振射频振荡器120频率变化范围，实现功率变压器线圈的频率连续可变以减小能量发射过程中的电磁干扰问题。通过电感电容谐振射频振荡器120的可控电流源引入控制电流即振幅调节信号IBvco可连续改变射频振荡器的电压摆幅，该振幅调节信号IBvco由隔离稳压反馈控制电路产生，可以使线圈的输出能量经整流后稳定在一个固定的预设电压值附近。
倍压整流滤波单元130包括：第八场效应管Q8、第九场效应管Q9、第三电容C3和第四电容C4。第八场效应管Q8的栅极和源极以及第九场效应管Q9的漏极连接在一起，并通过第三电容C3连接至功率变压器T1的副边线圈异名端；第九场效应管Q9的栅极和源极连接在一起，并连接至功率变压器T1的副边线圈同名端和开关电源的负极VLO；第八场效应管Q8的漏极连接至开关电源的正极VHI；开关电源的正极VHI和负极VLO之间并联有第四电容C4。交流能量通过芯片的片上无芯功率变压器T1的副边线圈后输入至倍压整流滤波单元130，采用电容倍压整流电路使整流后输出电压幅值变大。受限于数百MHz信号的射频频率和半导体工艺器件限制，由栅源或栅漏连接的场效应管替代经典的整流二极管进行倍压整流，整流后的直流电压需并联去耦电容即第四电容C4实现稳压，根据负载电流的大小和动态跳变指标要求，可通过芯片外部引脚继续外挂片外去耦电容实现更好的电压稳定性能。
本发明采用上述隔离能量传输电路，可以由功率变压器T1进行交流能量传输，通过电感电容谐振射频振荡器120产生振荡频率循环变化且摆幅可变(2V至5V)范围的交流电压，通过特殊设计的平面垂直堆叠功率变压器将交流能量通过电磁场耦合传递至副边线圈，由与副边线圈相连接的倍压整流滤波单元130将交流能量重新变换为直流电压，以驱动副边的内部电路，同时对外提供500mW(典型为10V、50mA或5V、100mA)以内的隔离稳压电源输出能力。
请参阅图3，为根据本发明一个优选实施例的隔离稳压反馈控制电路的电路原理图。如图3所示，其中占空比反馈采样单元210可以包括：第三运算放大器A3、第四运算放大器A4、第三电阻R3至第五电阻R5、第五电容C5和第六电容C6。具体地，第三电阻R3和第四电阻R4串联后连接在开关电源的正极VHI和负极VLO之间，第三电阻R3和第四电阻R4之间的节点连接至第三运算放大器A3的反向输入端，第三运算放大器A3的同向输入端接入参考基准电压Vref。第五电阻R5和第五电容串联后与第六电容C6一起并联在第三运算放大器A3的反向输入端和输出端之间，且第三运算放大器A3的输出端接入第四运算放大器A4的反向输入端，第四运算放大器A4的同向输入端接入斜坡生成单元，第四运算放大器A4的输出端作为占空比反馈采样单元210的输出端输出PWM调制信号Vpwm。该占空比反馈采样单元210可以将隔离电源输出电压经分压电阻即第三电阻R3和第四电阻R4形成的输出反馈电压与参考基准电压Vref输入进由第三运算放大器A3构成的误差放大器的同向和反向输入端，将电压差值放大后生成误差电压信号Vea，同时通过挂载在误差放大器输入输出端的电阻电容网络（第五电阻R5、第五电容C5和第六电容C6）形成有源二阶低通滤波器对误差电压信号进行低通滤波，滤波后与斜坡生成电路110相同的电路生成的单边锯齿波进行电压比较后可形成PWM调制信号Vpmw，调制信号的占空比与误差电压信号Vea的大小为线性正相关。
射频环形振荡器220包括：第十场效应管Q10至第十五场效应管Q15。具体地，第十场效应管Q10、第十一场效应管Q11和第十二场效应管Q12的源极连接至开关电源的正极VHI，第十三场效应管Q13、第十四场效应管Q14和第十五场效应管Q15的源极连接至开关电源的负极VLO。第十场效应管Q10和第十三场效应管Q13的栅极连接，并连接至第十二场效应管Q12和第十五场效应管Q15的漏极；第十场效应管Q10和第十三场效应管Q13的漏极连接在一起，并与第十一场效应管Q11和第十四场效应管Q14的栅极连接；第十一场效应管Q11和第十四场效应管Q14的漏极连接在一起，并与第十二场效应管Q12和第十五场效应管Q15的栅极连接；第十二场效应管Q12和第十五场效应管Q15的漏极连接在一起，并与第十场效应管Q10和第十三场效应管Q13的栅极连接，同时连接至射频环形振荡器220的输出端，输出连续射频信号Vrxosc。射频环形振荡器220通过奇数个的级联反相器头尾环形串联的电路结构产生自振荡频率，通过电流源控制振荡频率和振荡摆幅，由于信号振荡器满足信号传输与解调要求即可，设置射频环振信号Vrxosc频率为200MHz、幅度为500mV，将射频环振信号通过射频开关电路形成调制后的射频信号Vrxrf并输出至信号变压器T2的源边线圈。
射频开关单元230可以包括：第二反向器INV2、第三反向器INV3、第十六场效应管Q16、第十七场效应管Q17和第七电容C7。具体地，其中第十六场效应管Q16的漏极通过第七电容C7连接至射频环形振荡器的输出端。占空比反馈采样单元的输出端通过第二反向器INV2连接至第十六场效应管Q16的栅极，并通过第三反向器INV3连接至第十七场效应管Q17的栅极。第十六场效应管Q16的源极和第十七场效应管Q17的漏极连接并连接至信号变压器T2源边线圈的同名端；第十七场效应管Q17的源极连接至开关电源的负极VLO和信号变压器T2源边线圈的异名端。
射频信号检测单元240包括：第十八场效应管Q18至第二十八场效应管Q28、第六电阻R6、第八电容C8和数字缓冲器BUF。其中第十八场效应管Q18和第十九场效应管Q19的源极连接至工作电源VDD。第十九场效应管Q19的栅极、第十八场效应管Q18的栅极和漏极连接在一起，并连接至第二十场效应管Q20和第二十二场效应管Q22的漏极。第十九场效应管Q19的漏极与第二十三场效应管Q23的漏极连接，并连接至第二十一场效应管Q21的漏极。第二十二场效应管Q22和第二十三场效应管Q23的源极连接至第二十六场效应管Q26的漏极。第二十一场效应管Q21和第二十场效应管Q20的源极连接至第二十五场效应管Q25的漏极。第二十二场效应管Q22和第二十一场效应管Q21的栅极连接至信号变压器T2的副边线圈同名端，信号变压器T2的副边线圈异名端连接至第二十场效应管Q20和第二十三场效应管Q23的栅极。第二十四场效应管Q24的漏极和栅极，以及第二十五场效应管Q25和第二十六场效应管Q26的栅极均通过偏置电流源连接至工作电压VDD，第二十四场效应管Q24、第二十五场效应管Q25和第二十六场效应管Q26的源极均连接至接地端VSS。第二十七场效应管Q27和第二十八场效应管Q28的源极均连接至接地端工作电压VCC，并通过第八电容C8连接至第二十八场效应管Q28的栅极、第二十七场效应管Q27的栅极和漏极、第十九场效应管Q19的漏极。 第二十八场效应管Q28的漏极通过第六电阻R6连接至接地端VSS，且第二十八场效应管Q28的漏极通过数字缓冲器BUF连接射频信号检测单元240的输出端。本发明将信号变压器T2副边线圈耦合出的差分反馈射频信号接入射频信号检测单元240，通过该射频信号包络检测电路设计，其中非平衡的差分放大器可快速获得摆幅电流差值，将该差值电流滤波后经第六电阻R6生成包络电压信号后输出至数字缓冲器可还原出原始的PWM占空比调制波形，得到还原的PWM调制信号Vrxpwm。采用峰值包络检波电路构成进行射频信号检测的优点是响应延时小，且对信号摆幅要求非常低，该电路最高能还原10MHz调制PWM波形，使本隔离电源方案具备类似线性稳压的高环路带宽响应。
优选地，看门狗单元250包括：第一与门G1、延时器DLY、第二十九场效应管Q29、第三十场效应管Q30、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电容C9、第十电容C10、第四反向器INV4和第二与非门G2。具体地，其中第一与门G1的第一输入端与射频信号检测单元240的输出端连接，并通过第七电阻R7连接至第二十九场效应管Q29的源极。第二十九场效应管Q29的栅极与第一与门G1的输出端连接，第二十九场效应管Q29的漏极连接至接地端VSS。第三十场效应管Q30的源极连接至工作电压VDD，第十电容C10连接在第三十场效应管Q30的源极和栅极之间，并且第三十场效应管Q30的漏极通过第八电阻连接第二与非门G2的第二输入端。第三十场效应管Q30的栅极连接至第二十九场效应管Q29的源极后，再通过第九电容C9连接至接地端VSS。第二十九场效应管Q29的源极还通过第四反向器INV4连接至第二与非门G2的第二输入端，第二与非门G2的第一输入端与射频信号检测单元240的输出端连接。第三十场效应管Q30的漏极通过延时器DLY连接至第一与门G1的第二输入端。第二与非门G2的输出端作为看门狗单元250的输出端。将还原出的PWM调制信号Vrxpwm通过占空比调制电路，可判断其是否一直为高电平并采取打嗝保护动作，若长期处于满负载充电状态，会使隔离电源系统的工作状态偏离预定设计应力，与隔离电源输出负载过载或隔离电源内部通信故障等因素存在相关联系，故采用看门狗电路可保护隔离电源自身安全的同时也可保障隔离负载故障情况下的系统安全。考虑到容性负载启动延时，看门狗预设200ms的最大恒高充电允许时间并设置500ms的保护打嗝间隔，由于时间设置均较大，采用数字计数器方案会浪费大量的芯片面积，故采用阻容充放电式电路进行，电阻一般设置在MΩ量级。
摆幅调节控制单元260包括：第三十一场效应管Q31至第三十五场效应管Q35、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电容C11和第十二电容C12。具体地，第三十一场效应管Q31、第三十四场效应管Q34和第三十五场效应管Q35的源极均连接至工作电压VDD。第三十一场效应管Q31的漏极和第三十二场效应管Q32的漏极连接在一起，并连接至第三十三场效应管Q33的栅极。第三十一场效应管Q31的栅极和第三十二场效应管Q32栅极均连接至看门狗单元250的输出端。第三十二场效应管Q32的源极连接至接地端VSS。第九电阻R9与第十一电容C11串联后与第十二电容C12一起并联在第三十一场效应管Q31的栅极和接地端VSS之间。第三十三场效应管Q33的源极通过第十电阻R10连接至接地端VSS。第三十四场效应管Q34和第三十五场效应管Q35的栅极相连，并连接至第三十四场效应管Q34的漏极和第三十三场效应管Q33的漏极。第三十五场效应管Q35的漏极连接至摆幅调节控制单元260的输出端，输出振幅调节信号IBvco。还原出的PWM调制信号Vrxpwm经看门狗单元250后输出给摆幅调节控制电流，其作用为将PWM调制信号通过电荷泵对RC二阶滤波器进行电压滤波后转换为偏置电流即振幅调节信号IBvco以控制电感电容谐振射频振荡器输出摆幅。请结合参阅图4，为根据本发明的片上隔离开关电源环路工作波形图。其中VT1为功率变压器T1振荡信号；Vout为开关电源输出信号即通过开关电源正极VHI和VLO输出的开关电源输出信号；Vpwm为PWM调制信号，IBvco为振幅调节信号。如图4可见，偏置电流即振幅调节信号IBvco与PWM占空比大小为线性正相关。
请参阅图5，为根据本发明优选实施例的片上隔离开关电源的芯片与变压器线圈布置图。如图5所示，片上隔离开关电源由第一芯片1和第二芯片2构成，第一芯片1上集成有功率变压器T1。第二芯片上集成有信号变压器T2。功率变压器T1和信号变压器T2均为无芯变压器，通过半导体后道工艺垂直堆叠在芯片上表面。在一个更优选实施例中，如图1所示，该第一芯片1上还集成了功率变压器T1的源边电路以及信号变压器T2的副边电路，即该第一芯片1还集成有斜坡生成单元110、电感电容谐振射频振荡器120、射频信号检测单元240和摆幅调节控制单元260，优选地，还集成有看门狗单元250。相应地，第二芯片2上集成有信号变压器T1的副边电路和信号变压器T2的源边电路，即该第二芯片2上还集成有倍压整流滤波单元130、占空比反馈采样单元210、射频开关单元230和射频环形振荡器220。第一芯片1和第二芯片2之间可以通过键合丝3等多根键合丝进行互联。本发明最终的电路可由着两颗内嵌隔离无芯变压器线圈的芯片构成，通过功率变压器T1形成完整的隔离能量振荡传输与整流电路，通过信号变压器T2形成第二条电压信号反馈通路，最终实现完整的片上隔离开关电源闭环反馈稳压控制回路。优选地，第一芯片1的尺寸为1.5mm*2mm，第二芯片2的尺寸为1mm*2mm，最终实现隔离器件低电磁干扰、轻量化、高效率和芯片化。
请结合参阅图6a至6c为根据本发明优选实施例的片上隔离开关电源的功率变压器的结构图，其中图6a为功率变压器上层的副边线圈的结构图，图6b为功率变压器下层的源边线圈的结构图，图6c为功率变压器布置在第一芯片上的剖面示意图。如图6a至6c所示，功率变压器T1包括下层的源边线圈5和上层的副边线圈4，均由从内至外每圈宽度渐变的椭圆线圈金属条构成，并且上层的椭圆线圈金属条与下层的椭圆线圈金属条错位设置。
优选地，源边线圈和副边线圈的椭圆线圈金属条的宽度均满足：
其中，
为从内至外第i圈椭圆线圈的金属条宽度，即第i圈线圈线宽，
为最内圈椭圆线圈的金属条宽度，n为椭圆线圈的总圈数，k为内外线宽比，其取值范围为
至
，更优选取值为
。
在一个实施例中，设置最外层线圈线宽为最内层线圈线宽的二分之一，根据线圈匝数线性等比例缩减每一圈线圈的线宽。具体地，设置最外层线圈线宽为10um、最内层线圈线宽为20um，从内向外共10圈线圈每绕一圈线圈线宽减小1um，线圈间距可以与相邻内侧线圈线宽相等。仿真数据表明，通过上述公式设计的渐变椭圆线圈的Q值比非渐变线圈高7%，损耗比非渐变线圈低5%，实验数据表明，渐变椭圆线圈的能量传输效率比非渐变线圈高2%。
如图6a至6c所示，上层的源边线圈4具有表层焊盘6，其它表层焊盘通过过孔连接至裸芯片9上的芯片焊盘8，方便芯片上的焊盘进行引出打线。下层的副边线圈5具有过孔，可连接至裸芯片9上的芯片焊盘。
为了使能量传输线圈的磁能传输效率最大化，本发明设计了一种内外线宽不同的叠层的变压器，上下层中间可以通过例如聚酰亚胺进行隔离填充，隔离介质厚度为20um，构成线圈的椭圆线圈金属条的尺寸为10um~20um宽，并且由内向外逐渐变窄。为了尽可能减小器件电容耦合带来的隔离电气安全隐患，源副边线圈虽然为上下叠层设置，但会使得各自的椭圆线圈金属条错位布置，使线圈引入的隔离电容最小化，功率变压器线圈为1mm*1.5mm椭圆形，匹配芯片的外形尺寸。信号变压器的线圈可设计为标准的叠层线圈，信号变压器线圈直径为400um。
本发明设计了采用了片上隔离能量传输方案，采用芯片片上集成的无芯磁隔离变压器完成隔离能量传输，通过特殊设计的源边电感嵌入的电感电容谐振射频振荡器电路和内外线宽不同的交错堆叠的变压器结构实现隔离能量传输的效率和隔离电容优化，同时采用斜坡生成单元控制谐振腔内压控电容的电容值，使功率变压器的频率连续变化，将电磁干扰噪声能量平均至宽频谱域中，降低电磁干扰能量峰值水平。
由于无芯变压器损耗大，且在不同负载条件下所需的电压摆幅不同，为了减小稳压电路带来的效率损失，本发明采用线性稳压反馈控制环路进行电压稳压控制，使能量传输链路中功率变压器的摆幅随隔离电源负载大小线性连续变化，隔离稳压反馈控制电路采用误差电压占空比采样方法生成数字PWM波形方便反馈信号变压器传递数字隔离信号，并将隔离还原的占空比波形经过电荷泵电路进行控制电流还原，并使该控制电流通过控制电感电容谐振射频振荡器的电流偏置来动态闭环控制功率线圈振荡摆幅，所有反馈链路信号需具备处理10MHz频率以上数字信号的能力，并使低延时低于10ns，最终构成的隔离电源控制环路带宽大于1MHz，与线性稳压电源带宽相当，可应对负载大瞬态跳变情况下的稳压调整能力。
与现有技术相比，本发明的技术方案中提出了芯片片上集成变压器的低电磁干扰高效率隔离能量传输方法，其采用半导体工艺在芯片上植入双层垂直无芯隔离变压器，并加入了线性调节隔离能量反馈环路，使其实现芯片片上能量传输芯片化、高效率的同时保持低电磁干扰特性，降低外围电路和产品封装的EMI设计要求，最终使隔离器件具备低电磁干扰、低功耗、小型化的特性，可用于例如工业控制、电力配电等领域。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种片上隔离开关电源，其特征在于，包括：
隔离能量传输电路，至少包括集成在芯片上采用空气芯的功率变压器；所述隔离能量传输电路用于根据频率调节信号和振幅调节信号生成对应频率和振幅的射频振荡信号，并通过所述功率变压器隔离传输再进行倍压整流后作为开关电源输出；
隔离稳压反馈控制电路，至少包括信号变压器；所述隔离稳压反馈控制电路用于比较开关电源的输出反馈电压和参考基准电压的差值并生成对应占空比的PWM调制信号，转换为射频信号后通过所述信号变压器进行隔离传输，最终生成对应的振幅调节信号给所述隔离能量传输电路。
2.根据权利要求1所述的片上隔离开关电源，其特征在于，所述隔离能量传输电路还包括：斜坡生成单元、电感电容谐振射频振荡器和倍压整流滤波单元；
所述斜坡生成单元用于生成斜坡电压形式的频率调节信号；
所述电感电容谐振射频振荡器与所述斜坡生成单元和功率变压器的源边线圈连接，用于根据频率调节信号和振幅调节信号生成对应频率和振幅的射频振荡信号；
所述倍压整流滤波单元与所述功率变压器的副边线圈连接，用于对传输至功率变压器的副边线圈的射频振荡信号进行倍压整流滤波后连接开关电源输出端。
3.根据权利要求2所述的片上隔离开关电源，其特征在于，所述隔离稳压反馈控制电路还包括占空比反馈采样单元、射频开关单元、射频环形振荡器、射频信号检测单元和摆幅调节控制单元；
所述占空比反馈采样单元与所述开关电源输出端连接，用于比较开关电源的输出反馈电压和参考基准电压的差值并形成对应占空比的PWM调制信号；
所述射频开关单元与所述占空比反馈采样单元、所述射频环形振荡器和所述信号变压器的源边线圈连接，根据所述PWM调制信号将所述射频环形振荡器生成的连续射频信号进行调制，并输出给所述信号变压器的源边线圈；
所述射频信号检测单元与所述信号变压器的副边线圈连接，用于将信号变压器的副边线圈耦合出的差分反馈射频信号还原为PWM调制信号；
所述摆幅调节控制单元与所述射频信号检测单元连接，用于根据还原的PWM调制信号生成振幅调节信号。
4.根据权利要求3所述的片上隔离开关电源，其特征在于，所述隔离稳压反馈控制电路还包括看门狗单元，用于对所述射频信号检测单元输出的还原的PWM调制信号进行踢狗检测后再输出给所述摆幅调节控制单元。
5.根据权利要求2所述的片上隔离开关电源，其特征在于，所述斜坡生成单元包括：第一电阻、第一运算放大器、第二运算放大器、第一场效应管、第一电容、第一反向器；
所述第一电阻和第二电阻串联后连接在工作电压和接地端之间，且所述第一电阻和第二电阻连接至所述第一运算放大器的同向输入端；所述第一运算放大器的反向输入端连接至工作电压，第一运算放大器的输出端通过第一反向器连接至第一场效应管的栅极；第一场效应管的漏极连接至第一运算放大器的反向输入端，并通过第一电容接地；第一场效应管的源极连接接地端；所述第二运算放大器的同向输入端连接至工作电压，所述第二运算放大器的反向输入端与输出端连接，并作为斜坡生成单元的输出端。
6.根据权利要求2所述的片上隔离开关电源，其特征在于，所述电感电容谐振射频振荡器包括：第二电容、第一可变电容、第二可变电容、第二场效应管至第七场效应管；
所述第二场效应管和第三场效应管的源极连接至工作电压；所述第三场效应管的漏极、所述第五场效应管的漏极、所述第二场效应管的栅极、所述第四场效应管的栅极连接在一起并连接至功率变压器的源边线圈同名端；所述第二场效应管的漏极、所述第四场效应管的漏极、所述第三场效应管的栅极、所述第五场效应管的栅极连接在一起并连接至功率变压器的源边线圈异名端；所述第一可变电容和第二可变电容反向串联后与第二电容一起并联在功率变压器的源边线圈同名端和异名端之间；所述第一可变电容和第二可变电容之间的节点连接至斜坡生成单元的输出端；
所述第四场效应管和所述第五场效应管的源极均连接至第七场效应管的漏极；所述第六场效应管和第七场效应管的源极连接接地端；所述第六场效应管的漏极和栅极连接至第七场效应管的栅极并接收振幅调节信号。
7.根据权利要求2所述的片上隔离开关电源，其特征在于，所述倍压整流滤波单元包括：第八场效应管、第九场效应管、第三电容和第四电容；
所述第八场效应管的栅极和源极以及第九场效应管的漏极连接在一起，并通过第三电容连接至所述功率变压器的副边线圈异名端；所述第九场效应管的栅极和源极连接在一起，并连接至所述功率变压器的副边线圈同名端和开关电源的负极；所述第八场效应管的漏极连接至开关电源的正极；所述开关电源的正极和负极之间并联有第四电容。
8.根据权利要求3所述的片上隔离开关电源，其特征在于，所述占空比反馈采样单元包括：第三运算放大器、第四运算放大器、第三电阻至第五电阻、第五电容和第六电容；
所述第三电阻和第四电阻串联后连接在开关电源的正极和负极之间，所述第三电阻和第四电阻之间的节点连接至第三运算放大器的反向输入端，第三运算放大器的同向输入端接入参考基准电压；所述第五电阻和第五电容串联后与第六电容一起并联在第三运算放大器的反向输入端和输出端之间，且所述第三运算放大器的输出端接入第四运算放大器的反向输入端，第四运算放大器的同向输入端接入斜坡生成单元，第四运算放大器的输出端作为所述占空比反馈采样单元的输出端输出PWM调制信号。
9.根据权利要求1所述的片上隔离开关电源，其特征在于，所述功率变压器包括上层的源边线圈和下层的副边线圈，均由从内至外每圈宽度渐变的椭圆线圈金属条构成，并且上层的椭圆线圈金属条与下层的椭圆线圈金属条错位设置；
其中源边线圈和副边线圈的椭圆线圈金属条的宽度均满足：
其中，
为从内至外第i圈椭圆线圈的金属条宽度，
为最内圈椭圆线圈的金属条宽度，n为椭圆线圈的总圈数，k为内外线宽比，其取值范围为
至
。
10.根据权利要求3所述的片上隔离开关电源，其特征在于，所述片上隔离开关电源由第一芯片和第二芯片构成，所述第一芯片上集成有所述功率变压器、斜坡生成单元、电感电容谐振射频振荡器、射频信号检测单元和摆幅调节控制单元；所述第二芯片上集成有所述信号变压器、倍压整流滤波单元、占空比反馈采样单元、射频开关单元和射频环形振荡器。
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