CN111653410A - 基于全对称线圈结构的磁隔离器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于全对称结构的磁隔离器，属于磁性传感器领域，旨在解决现有技术中存在的CMTI指标难以提升的问题。包括自上而下依次层叠的磁场发生单元、隔离介质板、磁场感应单元和介质基板，磁场发生单元的上表面，以及磁场感应单元与介质基板之间，各设置有用以吸收外界干扰磁场的屏蔽层，磁场发生单元包括全对称线圈结构和第一介质体，全对称线圈结构镶嵌在第一介质体内，且包括上下排布且旋转方向相同的平面螺旋状第一线圈和第二线圈，第一线圈的输出端与第二线圈的输入端之间通过导体柱连接，导体柱位于第一线圈和第二线圈的旋转轴上，该旋转轴与第一介质体的中心法线重合，第二线圈的底面与第一介质体的底面重合。

Description

基于全对称线圈结构的磁隔离器

技术领域

本发明属于通信电路技术领域，涉及一种磁隔离器，具体涉及一种基于全对称线圈结构的磁隔离器，可用于信号隔离通信系统。

背景技术

磁隔离器是一种用于通信系统的电气隔离设备，属于通信电路技术领域，由于两个通信子系统之间的电压等级不同，为了保证设备安全，两个系统之间需要隔离器。目前在驱动系统中应用的隔离方式包括光耦隔离、电容隔离、磁隔离，其中磁隔离主要包括了基于变压器原理的iCoupler系列产品以及基于巨磁阻效应的IsoLoop系列产品。而基于巨磁阻效应的IsoLoop系列产品由于具有良好的抗辐照能力，应用场景更加广泛。基于巨磁阻效应的磁隔离器主要包括了磁场发生单元、隔离介质板、磁场感应单元、介质基板、和屏蔽层，其主要指标包括了隔离电压、传输速率、供电等级，及CMTI(共模瞬态抑制)指标。影响CMTI指标的因素主要有磁场发生单元与磁场感应单元的耦合电容大小，以及采用差分驱动方式时磁场发生单元中线圈结构的输入端、输出端等效电容的一致性。为了提高CMTI，研发人员通常通过增加隔离介质板的厚度或采用介电常数更高的绝缘材料，将磁场发生单元与磁场感应单元的耦合电容减小从而提高CMTI，但是这种方法需要更高的驱动功率，或更复杂的工艺技术。

申请公布号为CN 109752578 A，名称为“一种磁隔离器”的专利申请，公开了一种基于巨磁阻效应的磁隔离器，该发明包括基板、磁场发生单元、磁场感应单元、屏蔽层、隔离介质，磁场发生单元包含电流导体，电流导体在基板的一侧沿第一方向延伸设置，磁场感应单元与电流导体设置于基板的同侧，磁场感应单元位于电流导体的侧方，且沿第二方向上，电流导体与磁场感应单元之间的距离大于0，其中，第一方向与第二方向垂直；电流导体和磁场感应单元之间设置有隔离介质；电流导体和磁场感应单元之间第二方向上距离内设置隔离介质，可以起到电气隔离的作用，有利于提高隔离强度，工艺简单。屏蔽层可以吸收外界的干扰磁场，进一步提高信噪比。但是该发明提出的单层线圈结构从线圈输入端和线圈输出端等效的电容不一致，导致CMTI指标不够高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于全对称线圈结构的磁隔离器，旨在解决现有技术中存在的单层线圈结构从线圈输入端和线圈输出端等效的电容不一致，导致CMTI指标较低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于全对称线圈结构的磁隔离器，包括自上而下依次层叠的磁场发生单元1、隔离介质板2、磁场感应单元3和介质基板4，所述磁场发生单元1的上表面，以及磁场感应单元3与介质基板4之间，各设置有用以吸收外界干扰磁场的屏蔽层5，其中：

所述磁场发生单元1，包括全对称线圈结构11和第一介质体12，所述全对称线圈结构11镶嵌在第一介质体12内；所述全对称线圈结构11包括上下排布且旋转方向相同的平面螺旋状第一线圈111和第二线圈112，所述第一线圈111的输出端与第二线圈112的输入端之间通过导体柱113连接,且导体柱113位于第一线圈111和第二线圈112的旋转轴上；

所述磁场感应单元3，包括磁阻传感器31和第二介质体32，所述磁阻传感器31镶嵌在第二介质体32内；所述磁阻传感器31包括平面布局且通过惠斯通电桥方式连接第一磁阻311、第二磁阻312、第三磁阻313和第四磁阻314，其中第一磁阻311和第二磁阻312构成第一桥臂，第三磁阻313和第四磁阻314构成第二桥臂，且四个磁阻的上表面与第二介质体32的上表面重合；

所述第一磁阻311和第三磁阻313位于第一线圈111输入端一侧，第二磁阻312和第四磁阻314位于第二线圈112输出端一侧；

所述第一线圈111的输入端、第二线圈112的输出端分别作为磁场发生单元1的输入端、输出端，第一桥臂和第二桥臂的两端分别作为与外接电源接口相连接入端，施加在磁场发生单元1输入端与输出端之间的电流脉冲信号，在第一磁阻311和第四磁阻314所处位置产生与该两个磁阻敏感磁场方向相同的磁场，同时在第二磁阻312和第三磁阻313所处位置产生与该两个磁阻敏感磁场方向相反的磁场，并通过第一桥臂的中点和第二桥臂的中点输出差分感应信号。

上述基于全对称线圈结构的磁隔离器，所述第一线圈111和第二线圈112的旋转轴，与第一介质体12的中心法线重合，且第二线圈112的底面与第一介质体12的底面重合。

上述基于全对称线圈结构的磁隔离器，所述隔离介质板2，采用苯并环丁烯、聚酰亚胺、二氧化硅、氮化铝、氧化铝、氮化硅、氧化硅中的一种。

上述基于全对称线圈结构的磁隔离器，所述屏蔽层5，采用坡莫合金铁氧体。

上述基于全对称线圈结构的磁隔离器，所述第一磁阻311、第二磁阻312、第三磁阻313和第四磁阻314，采用巨磁阻或隧道磁电阻。

上述基于全对称线圈结构的磁隔离器，所述通过惠斯通电桥方式连接第一磁阻311、第二磁阻312、第三磁阻313和第四磁阻314所形成的惠斯通电桥的中心，位于第二介质体32的中心法线上。

上述基于全对称线圈结构的磁隔离器，所述第一介质体12、隔离介质板2、第二介质体32、介质基板4和屏蔽层5的中心法线重合，且第一介质体12、隔离介质板2和第二介质体32的板面尺寸相同，屏蔽层5的板面尺寸大于第一介质体12、隔离介质板2和第二介质体32的板面尺寸。

上述基于全对称线圈结构的磁隔离器，当输入信号为电压脉冲信号时，所述磁场发生单元1的输入端与输出端之间加载有输入逻辑模块6，用于将输入的电压脉冲信号转化为差分形式的电流脉冲信号。

上述基于全对称线圈结构的磁隔离器，所述磁场感应单元3的输出端，加载有包括依次连接的滤波模块、放大模块、比较模块和反馈模块的输出逻辑模块7。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1、本发明包括自上而下依次层叠的磁场发生单元、隔离介质板、磁场感应单元和介质基板，其中磁场发生单元包括了全对称线圈结构，该全对称线圈结构包括上下排布且结构对称的平面螺旋状第一线圈和第二线圈，由于线圈结构是完全对称的，因此从线圈输入端和线圈输出端等效的电容大小完全相等。由于输入信号为电流脉冲信号，当电路中有共模瞬态噪声时，在两个等效电容上耦合的干扰电压是一致的，两者之间的差模电压非常小，对差模电压敏感的差分系统不受干扰，从而解决了传统单层线圈结构从线圈输入端和线圈输出端等效的电容不一致导致的CMTI指标较低的问题，实现了提升CMTI指标的效果。

2、本发明包括自上而下依次层叠的磁场发生单元、隔离介质板、磁场感应单元和介质基板，其中磁场发生单元包括了全对称线圈结构，该全对称线圈结构包括上下排布且结构对称的平面螺旋状第一线圈和第二线圈。由于采用了双层线圈结构，在同等电流等级条件下可实现更加强烈的磁场，当磁场感应单元感应到更加强烈的磁场时才能产生有效输出。当电路中有共模瞬态噪声作用于磁场发生单元产生干扰磁场时，但是由于干扰磁场不够强烈，没有达到较高的磁场噪声容限，因此不会影响磁场感应单元的有效输出。该方案解决了传统技术方案中磁场噪声容限低，对噪声的抑制能力不强的问题，进一步提高了CMTI。

3、本发明包括自上而下依次层叠的磁场发生单元、隔离介质板、磁场感应单元和介质基板，输入的差分形式的电流脉冲信号作用于磁场发生单元。当输入信号为电压脉冲信号时还增加了输入逻辑模块6，用于将输入的电压脉冲信号转化为差分形式的电流脉冲信号，从而解决了传统共模电压驱动方式造成的对共模噪声敏感的问题，实现了适用性更强的效果。

附图说明

图1为本发明第二实施例的整体结构示意图。

图2为本发明的第一实施例主视图。

图3为本发明的磁场发生单元结构示意图。

图4为本发明的全对称线圈结构示意图。

图5为本发明的磁场感应单元结构示意图。

图6为本发明四个磁阻的惠斯通电桥连接方式图。

图7为本发明的全对称线圈结构与磁阻相对位置关系图。

图8为本发明实例的带输入端逻辑模块和输出端逻辑模块的电气连接示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

参照图1和图2，一种基于全对称线圈结构的磁隔离器，包括自上而下依次层叠的磁场发生单元1、隔离介质板2、磁场感应单元3和介质基板4，所述磁场发生单元1的上表面，以及磁场感应单元3与介质基板4之间，各设置有用以吸收外界干扰磁场的屏蔽层5；

所述磁场发生单元1，其结构如图3所示，包括全对称线圈结构11和第一介质体12；所述全对称线圈结构11包括上下排布且旋转方向相同的平面螺旋状第一线圈111和第二线圈112，其结构如图4所示，第一介质体12采用硅材料或氮化铝材料，本实施例采用硅材料，全对称线圈结构11采用材料为金属导体材料，其金属导体材料可以为金、银、铜、铝，本实施例采用材料为金；所述全对称线圈结构11的单匝线圈宽7um，厚度1um，匝与匝之间的间距5um，建立笛卡尔坐标系，使垂直地面方向为y方向，第一线圈111的输入端沿x方向，垂直于x、y构成平面的方向为z方向，最外圈的线圈边长为300um，以每次逆时针旋转90度的方式向内绕制6匝，第一线圈111的输出端位于第一线圈111的旋转轴上，且方向沿z方向，第一线圈111的输出端通过导体柱113连接第二线圈112的输入端，导体柱113的直径为7um，长度为1um，沿y方向延伸，第二线圈112以和第一线圈111对称的方式每次逆时针旋转90度的向外绕制6匝，最终沿x方向的反方向输出；所述第一介质体12的长度为350um，沿x方向，宽度为350um，沿z方向，厚度为10um，沿y方向，其中心法线与第一线圈111和第二线圈112的旋转轴重合，全对称线圈结构11镶嵌在第一介质体12内，且第二线圈112的底面与第一介质体12的底面重合。

所述隔离介质板2的材料为苯并环丁烯、聚酰亚胺、二氧化硅、氮化铝、氧化铝、氮化硅、氧化硅中的一种，本实施例采用二氧化硅作为隔离材料，隔离介质板2的厚度为5um，长、宽与第一介质体12相同。该结构可以起到电气隔离的作用，保持了原有技术中提高隔离强度、工艺简单的技术优点。

所述磁场感应单元3，其结构如图5所示，包括磁阻传感器31和第二介质体32，其中磁阻传感器31采用的磁阻类型为巨磁阻或隧道磁电阻，本实施例采用巨磁阻，第二介质体32采用硅材料或氮化铝材料，本实施例采用硅材料；如图6所示，所述磁阻传感器31包括平面布局且通过惠斯通电桥方式连接第一磁阻311、第二磁阻312、第三磁阻313和第四磁阻314，其中第一磁阻311和第二磁阻312构成第一桥臂，第三磁阻313和第四磁阻314构成第二桥臂；如图7所示，第一磁阻311和第三磁阻313位于第一线圈111输入端一侧，第二磁阻312和第四磁阻314位于第二线圈112输出端一侧，磁阻的宽度与线圈的宽度相同，磁阻的阻值大小采用同类型中基础阻值较小、阻值随磁场变化范围较大的磁阻，本实施例采用基础阻值为2.5kΩ,随外界磁场变化范围为0.03％/Oe的巨磁阻；所述第二介质体32的尺寸与第一介质体12相同，四个磁阻构成惠斯通电桥的中心位于第二介质体32的中心法线上，且四个磁阻的上表面与第二介质体32的上表面重合。

所述介质基板4采用硅材料或氮化铝材料，本实施例采用硅材料，其厚度为10um，长度为900um，宽度为500um。

所述屏蔽层5采用坡莫合金铁氧体，其板面尺寸大于第一介质体12、隔离介质板2和第二介质体32的板面尺寸，本实施例屏蔽层尺寸为长度600um，宽度350um，厚度2um，该结构保留了原原有技术中可以吸收外界的干扰磁场，进一步提高信噪比的优点。

在本实施例中，所述第一线圈111的输入端、第二线圈112的输出端分别作为磁场发生单元1的输入端、输出端，第一桥臂和第二桥臂的两端分别作为与外接电源接口相连接入端，施加在磁场发生单元1输入端与输出端之间的电流脉冲信号，在第一磁阻311和第四磁阻314所处位置产生与该两个磁阻敏感磁场方向相同的磁场，同时在第二磁阻312和第三磁阻313所处位置产生与该两个磁阻敏感磁场方向相反的磁场，并通过第一桥臂的中点和第二桥臂的中点输出差分感应信号。

本发明的工作原理是：所述全对称线圈结构11通入电流脉冲信号后会在其周围产生随电流变化的磁场，通过惠斯通电桥方式连接的第一磁阻311、第二磁阻312、第三磁阻313和第四磁阻314检测到磁场的变化，并随磁场变化的大小改变其自身的电阻值，由于全对称线圈结构11在第一磁阻311和第四磁阻314所处位置产生与该两个磁阻敏感磁场方向相同的磁场，第一磁阻311和第四磁阻314的阻值变小，由于全对称线圈结构11在第二磁阻312和第三磁阻313所处位置产生与该两个磁阻敏感磁场方向相反的磁场，第二磁阻312和第三磁阻313的阻值变大，因此在第一桥臂的中点和第二桥臂的中点会输出随电流脉冲信号变化的差分感应信号，当有电流脉冲信号流过时，差分感应信号的大小远大于0，当没有电流脉冲信号流过时，差分感应信号的大小接近于0，从而实现信号传输的目的，磁场发生单元1和磁场感应单元3有隔离介质板2，该隔离介质板2避免了磁场发生单元1和磁场感应单元3之间的电气连接，起到了隔离的作用，由于全对称线圈结构11是结构完全对称的，因此其从线圈输入端和线圈输出端等效的电容是一致的，当电路中有共模噪声干扰时，避免了由于结构导致的电容不一致引起的噪声拾取，从而提高了CMTI指标。

实施例2：

参照图7，本实施例在实施例1的基础上增加有输入逻辑模块6、输出逻辑模块7；

当输入信号为电压脉冲信号时，磁场发生单元1的输入端和输出端之前加载有输入逻辑模块6，用于将输入的电压脉冲信号转化为差分形式的电流脉冲信号，输入逻辑模块6放置于磁场发生单元1的输入端、输出端一侧的介质基板4上，其信号输入端61连接输入电压脉冲信号，电源供电端62连接外界供电端，信号输出端63连接磁场发生单元1的输入端和输出端，有效地拓展了功能。

所述输出逻辑模块7包括滤波模块、放大模块、比较模块，位于磁场发生单元1的输入端、输出端对立侧的介质基板4上，滤波模块的信号输入端作为逻辑模块7的信号输入端71连接磁场感应单元3中第一桥臂的中点和第二桥臂的中点，滤波模块的信号输出端连接放大模块的信号输入端，放大模块的信号输出端连接比较模块的信号输出端，比较模块的信号输出端作为逻辑模块7的信号输出端73连接输出输出信号接口，逻辑模块7的电源供电端72连接外接电源接口，逻辑模块7可以有效地对磁场感应单元3的输出信号进行整形，实现更高的输出信号质量。

以上描述仅是本发明的一个优选实施方式，但并不仅仅受上述实施例的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于全对称线圈结构的磁隔离器，其特征在于，包括自上而下依次层叠的磁场发生单元(1)、隔离介质板(2)、磁场感应单元(3)和介质基板(4)，所述磁场发生单元(1)的上表面，以及磁场感应单元(3)与介质基板(4)之间，各设置有用以吸收外界干扰磁场的屏蔽层(5)，其中：

所述磁场发生单元(1)，包括全对称线圈结构(11)和第一介质体(12)，所述全对称线圈结构(11)镶嵌在第一介质体(12)内；所述全对称线圈结构(11)包括上下排布且旋转方向相同的平面螺旋状第一线圈(111)和第二线圈(112)，所述第一线圈(111)的输出端与第二线圈(112)的输入端之间通过导体柱(113)连接,且导体柱(113)位于第一线圈(111)和第二线圈(112)的旋转轴上；

所述磁场感应单元(3)，包括磁阻传感器(31)和第二介质体(32)，所述磁阻传感器(31)镶嵌在第二介质体(32)内；所述磁阻传感器(31)包括平面布局且通过惠斯通电桥方式连接第一磁阻(311)、第二磁阻(312)、第三磁阻(313)和第四磁阻(314)，其中第一磁阻(311)和第二磁阻(312)构成第一桥臂，第三磁阻(313)和第四磁阻(314)构成第二桥臂，且四个磁阻的上表面与第二介质体(32)的上表面重合；

所述第一磁阻(311)和第三磁阻(313)位于第一线圈(111)输入端一侧，第二磁阻(312)和第四磁阻(314)位于第二线圈(112)输出端一侧；

所述第一线圈(111)的输入端、第二线圈(112)的输出端分别作为磁场发生单元(1)的输入端、输出端，第一桥臂和第二桥臂的两端分别作为与外接电源接口相连接入端，施加在磁场发生单元(1)输入端与输出端之间的电流脉冲信号，在第一磁阻(311)和第四磁阻(314)所处位置产生与该两个磁阻敏感磁场方向相同的磁场，同时在第二磁阻(312)和第三磁阻(313)所处位置产生与该两个磁阻敏感磁场方向相反的磁场，并通过第一桥臂的中点和第二桥臂的中点输出差分感应信号。

2.根据权利要求1所述的基于全对称线圈结构的磁隔离器，其特征在于，所述第一线圈(111)和第二线圈(112)的旋转轴，与第一介质体(12)的中心法线重合，且第二线圈(112)的底面与第一介质体(12)的底面重合。

3.根据权利要求1所述的基于全对称线圈结构的磁隔离器，其特征在于，所述隔离介质板(2)，采用苯并环丁烯、聚酰亚胺、二氧化硅、氮化铝、氧化铝、氮化硅、氧化硅中的一种。

4.根据权利要求1所述的基于全对称线圈结构的磁隔离器，其特征在于，所述屏蔽层(5)，采用坡莫合金铁氧体。

5.根据权利要求1所述的基于全对称线圈结构的磁隔离器，其特征在于，所述第一磁阻(311)、第二磁阻(312)、第三磁阻(313)和第四磁阻(314)，采用巨磁阻或隧道磁电阻。

6.根据权利要求1所述的基于全对称线圈结构的磁隔离器，其特征在于，所述通过惠斯通电桥方式连接第一磁阻(311)、第二磁阻(312)、第三磁阻(313)和第四磁阻(314)所形成的惠斯通电桥的中心，位于第二介质体(32)的中心法线上。

7.根据权利要求1所述的基于全对称线圈结构的磁隔离器，其特征在于，所述第一介质体(12)、隔离介质板(2)、第二介质体(32)、介质基板(4)和屏蔽层(5)的中心法线重合，且第一介质体(12)、隔离介质板(2)和第二介质体(32)的板面尺寸相同，屏蔽层(5)的板面尺寸大于第一介质体(12)、隔离介质板(2)和第二介质体(32)的板面尺寸。

8.根据权利要求1所述的基于全对称线圈结构的磁隔离器，其特征在于，当输入信号为电压脉冲信号时，所述磁场发生单元(1)的输入端和输出端之前加载有输入逻辑模块(6)，用于将输入的电压脉冲信号转化为差分形式的电流脉冲信号。

9.根据权利要求1所述的基于全对称线圈结构的磁隔离器，其特征在于，所述磁场感应单元(3)的输出端，加载有包括依次连接的滤波模块、放大模块、比较模块的输出逻辑模块(7)。

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