CN111711370A - 隔离型功率变换器 - Google Patents

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CN111711370A CN202010606525.5A CN202010606525A CN111711370A CN 111711370 A CN111711370 A CN 111711370A CN 202010606525 A CN202010606525 A CN 202010606525A CN 111711370 A CN111711370 A CN 111711370A
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郜小茹
胡黎强
朱臻
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Abstract

本申请提供一种隔离型功率变换器，包括原边电路、副边电路以及电磁感应器；所述原边电路和所述副边电路藉由变压器元件耦接且相互隔离，所述原边电路具有原边控制器，所述副边电路具有副边控制器；所述电磁感应器设置于印刷电路板上，且具有相互耦合的第一感应元件和第二感应元件；其中所述第一感应元件耦接所述原边控制器，所述第二感应元件耦接所述副边控制器。

Description

隔离型功率变换器
技术领域
本发明主要涉及集成电路和印刷电路板设计，尤其涉及一种隔离型功率变换器。
背景技术
目前在隔离型功率变换电路中，通常使用变压器实现输入输出的电气隔离，为了实现输出控制和保护功能，需要采样输入或输出电学信号(例如，电流或电压)，并将采样信号和/或对应的控制信号传送至输出或输入侧，为满足隔离型功率变换器的安全需求，需要在信号的传送过程中设置隔离器件。
采用分立的隔离器件增加了电路板面积和成本，和电路设计的复杂度。
发明内容
本发明提供一种直接设计在印刷电路板(PCB)上的电磁感应器，来实现隔离型功率变换器输入/输出侧的信号单向和/或双向传输，并实现输入/输出侧的隔离。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种隔离型功率变换器，包括原边电路、副边电路以及电磁感应器；原边电路和副边电路藉由变压器元件耦接且相互隔离，原边电路具有原边控制器，副边电路具有副边控制器；电磁感应器设置于印刷电路板上，且具有相互耦合的第一感应元件和第二感应元件；其中第一感应元件耦接原边控制器，第二感应元件耦接副边控制器。
在本发明的一实施例中，所述第一感应元件和第二感应元件包括线圈。
在本发明的一实施例中，所述线圈包括印刷电路板中的导线。
与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：实现隔离型功率变换器输入/输出侧的信号单向或双向传输的同时，满足隔离型功率变换器的安全需求，设计灵活，并可降低制造成本。
附图说明
附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。
附图中：
图1是本发明一实施例的隔离型功率变换器的电路结构示意图。
图2是本发明另一实施例的隔离型功率变换器的电路结构示意图。
图3是本发明一实施例的原副边控制器设置在印刷电路板同一侧时电磁感应器的平面结构示意图。
图4是本发明一实施例的原副边控制器设置在印刷电路板不同侧时电磁感应器的平面结构示意图。
图5A是本发明一实施例的原副边控制器设置在印刷电路板不同侧时电磁感应器的第一导线和第二导线为单圈同方向绕线的示意图。
图5B是本发明一实施例的原副边控制器设置在印刷电路板不同侧时电磁感应器的第一导线和第二导线为单圈反方向绕线的示意图。
图6A是本发明一实施例的原副边控制器设置在印刷电路板不同侧时电磁感应器的第一导线和第二导线为多圈同方向绕线的示意图。
图6B是本发明一实施例的原副边控制器设置在印刷电路板不同侧时电磁感应器的第一导线和第二导线为多圈反方向绕线的示意图。
图7A是本发明一实施例的电磁感应器设置于单层印刷电路板上表面时的剖面示意图。
图7B是本发明一实施例的电磁感应器设置于单层印刷电路板下表面时的剖面示意图。
图7C是本发明一实施例的电磁感应器设置于单层印刷电路板上、下表面时的剖面示意图。
图8A是本发明一实施例的隔离型功率变换器设置于双层印刷电路板上层绝缘层上表面的电磁感应器的剖面示意图。
图8B是本发明一实施例的隔离型功率变换器设置于双层印刷电路板下层绝缘层下表面的电磁感应器的剖面示意图。
图8C是本发明一实施例的隔离型功率变换器设置于双层印刷电路板之间的电磁感应器的剖面示意图。
图8D是本发明一实施例的隔离型功率变换器设置于双层印刷电路板上层绝缘层上表面和下表面的电磁感应器的剖面示意图。
图8E是本发明一实施例的隔离型功率变换器设置于双层印刷电路板上层绝缘层上表面和下层绝缘层下表面的电磁感应器的剖面示意图。
图9是本发明一实施例的隔离型功率变换器设置于五层印刷电路板内部带屏蔽层的电磁感应器的剖面示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。
应当理解，当一个部件被称为“在另一个部件上”、“连接到另一个部件”、“耦合于另一个部件”或“接触另一个部件”时，它可以直接在该另一个部件之上、连接于或耦合于、或接触该另一个部件，或者可以存在插入部件。相比之下，当一个部件被称为“直接在另一个部件上”、“直接连接于”、“直接耦合于”或“直接接触”另一个部件时，不存在插入部件。同样的，当第一个部件被称为“电接触”或“电耦合于”第二个部件，在该第一部件和该第二部件之间存在允许电流流动的电路径。该电路径可以包括电容器、耦合的电感器和/或允许电流流动的其它部件，甚至在导电部件之间没有直接接触。
本发明的实施例描述隔离型功率变换器。各实施例的隔离型功率变换器可包括原边电路、副边电路以及电磁感应器。原边电路和副边电路藉由变压器元件相互隔离。原边电路具有原边控制器。副边电路具有副边控制器。电磁感应器设置于印刷电路板上，且具有相互耦合的第一感应元件和第二感应元件，其中第一感应元件耦接原边控制器，第二感应元件耦接副边控制器。本发明的实施例还包括一些示例隔离型功率变换器，包括但不限于同步反激式变换器、隔离反激式变换器、隔离同步反激式变换器、降压变换器、前向变换器、半桥变换器和全桥变换器等，以及由前述多个变换器级联构成的多级变换器。
在一个实施例中，隔离型功率变换器的原边电路和副边电路的接地电压不同。
本发明的实施例利用设置于印刷电路板上的电磁感应器提供原边和副边电信号之间的隔离，电磁感应器由制作在印刷电路板上的金属线圈构成，并在原边和副边电路之间提供信息通路。
在本发明的一个实施例中，如图1所示，以反激式开关变换器为例。图1中，反激式开关变换器包括原边电路1、副边电路2以及电磁感应器3，原边电路1从AC IN端接收交流输入。原边电路1中二极管D1、D2、D3、D4组成整流桥电路，C1为滤波电容，GND1为原边电路1的接地端。电阻R1、电容C2和二极管D5组成的吸收电路，减少漏感形成的电压尖峰。原边电路1藉由变压器4耦接副边电路2并相互隔离，变压器4中的S1和S2为变压器的同名端。副边电路2包括输出电容C3，C3两端与负载连接。D6为整流二极管。GND2、GND3为副边电路2的接地端。
原边电路1还具有原边控制器11，副边电路2具有副边控制器21，在原边控制器和副边控制器之间存在信号通路。副边控制器21检测副边电路2中的反馈信号并进行处理，得到原边功率开关动作的控制信号。在图1所示的实施例中，副边控制器21可通过例如电阻R2、R3组成的分压采样电路检测副边电路的输出电压信号，通过调节R2、R3的阻值，可以为副边控制器的反馈信号检测端FB选择合适的电压。由于原副边电路隔离，各自的接地电压不同，副边控制器21的控制信号不能直接传送到原边控制器11。图1中，副边控制器21的控制信号通过设置于控制器内的发射机22发射至印刷电路板上的电磁感应器3，经过电磁感应器3的隔离和耦合，被原边控制器11的接收机12接收，原边控制器11基于此控制信号控制原边开关器件M1的动作。开关器件M1的开通和关断实现了将能量从原边传递至副边。
本发明实施例的隔离型功率变换器，其中的印刷电路板上的电磁感应器3不局限于单向传输信号，还可以实现双向传输信号。图2示出了另一实施例的同步反激式功率变换器，该示例中的电磁感应器3为双向传输的装置。不仅原边控制器11可以通过R端接收来自副边控制器21的T端的控制信号来控制原边开关器件M1的动作，原边控制器11还可以通过T端发射控制信号给副边控制器21的R端，进而控制副边开关器件M2的开通或关断。
在该实施例中，副边控制器21直接采样输出信号，进行处理后通过印刷电路板上的电磁感应器3传输至原边控制器11，或者原边控制器11的控制信号通过印刷电路板上的电磁感应器3传输至副边控制器21，使得隔离型功率变换器的控制更精准、快速。
在本发明的一个实施例中，设置于印刷电路板上的电磁感应器3包含两个或两个以上的感应元件，如图3-4所示，所述感应元件可以为线圈13和线圈23，其中线圈13连接至原边控制芯片11，线圈23连接至副边控制芯片21。连接的方式例如可通过引脚连接。T1、T2为发射机的发射端，R1、R2为接收机的接收端。副边控制芯片中的发射机22发射电信号至线圈23，通过感生电磁场在线圈13两端形成对应的电信号，该电信号被接收机12接收，从而实现了电信号的隔离传输。
在本发明的一个优选实施例中，线圈13和线圈23由印刷电路板上的导线组成，且电磁感应器3不包含磁芯。导线的材质例如可为铜。在其他实施例中，感应元件也可以为其他金属材料构成的可以产生电磁场的结构，例如天线。
在一些实施例中，如图3所示，线圈13和线圈23的耦合部分设置于印刷电路板的同一侧，相应的原边控制芯片11和副边控制芯片21设置于印刷电路板的同一侧。且耦合部分之间具有间距A1，A1可以为例如10mm。线圈13和线圈23的耦合部分之间由于存在一定间距，而保证了电信号的有效隔离，使得隔离型功率变换器可以安全工作，并且实现原副边的通信。
在一些实施例中，如图4所示，线圈13和线圈23的耦合部分分别设置于印刷电路板的不同侧，相应的原边控制芯片11和副边控制芯片21设置于印刷电路板的不同侧。对于业界通常使用的印刷电路板基板，隔离耐压非常高。例如厚度为1.5mm，材质为FR-4的单层双面板，其击穿电压可达到38kV，因此本申请的电磁感应器的隔离方案安全可靠，保证了电信号的有效隔离，使得隔离型功率变换器可以安全工作，并且实现原副边的通信。
对于图3和图4中线圈耦合部分的形状和相对位置都可以有合理的变化，以适应具体的应用需求。例如图5A是本发明的实施例的原副边控制器设置在印刷电路板不同侧时电磁感应器的第一导线和第二导线为单圈同方向绕线的示意图。图5B是本发明的实施例的原副边控制器设置在印刷电路板不同侧时电磁感应器的第一导线和第二导线为单圈反方向绕线的示意图。图6A是本发明的实施例的原副边控制器设置在印刷电路板不同侧时电磁感应器的第一导线和第二导线为多圈同方向绕线的示意图。图6B是本发明的实施例的原副边控制器设置在印刷电路板不同侧时电磁感应器的第一导线和第二导线为多圈反方向绕线的示意图。具体地，例如第一导线(或称线圈)的绕线方向为顺时针方向，第二导线(或称线圈)的绕线方向为逆时针方向。或第一导线(或称线圈)的绕线方向为逆时针方向，第二导线(或称线圈)的绕线方向为顺时针方向。
本发明的实施例的隔离型功率变换器，包括制作在印刷电路板上的电磁感应器，线圈的面积和形状可根据需求设计，从而可以发射/接收不同强度的信号，实现灵活应用。
本发明的实施例的隔离型功率变换器中电磁感应器所在的印刷电路板具有至少一个绝缘层，形成第一感应元件的第一导线(或称线圈)和形成第二感应元件的第二导线(或称线圈)既可以在绝缘层的同一侧，也可以在不同侧，其剖面图可如图7A，7B和7C所例示。具体地，剖面图例如沿图3、图5A或图5B的剖面线A-A’形成。也可为图6A或6B以相似的方式形成剖面图。图8A-图8E和图9亦可为该方式形成的剖面图，其后不再赘述。
图7A为本发明的一实施例的电磁感应器设置于单层印刷电路板上表面时的剖面示意图。图7B为本发明的一实施例的电磁感应器设置于单层印刷电路板下表面时的剖面示意图。图7C为本发明的一实施例的电磁感应器的第一感应元件和第二感应元件分别设置于单层印刷电路板上、下表面时的剖面示意图。图中所示的印刷电路板具有绝缘层8，图中所示的感应元件(例如线圈13和线圈23)为单圈线圈，也可为多圈绕线；线圈的绕线方向可以为同方向，亦可为反方向。可以通过设置不同的绕线方式，获得不同的磁通面积，从而可以发射/接收不同强度的信号，实现灵活应用。
本发明的实施例的隔离型功率变换器中电磁感应器所在的印刷电路板还可以为具有多个绝缘层的印刷电路板，两个绕线线圈既可以在其中一个绝缘层的同一侧，也可以被至少一个绝缘层隔开，换言之，分别设置于任意两个绝缘层的一侧，其剖面图可如图8A-8E所例示。
图8A为本发明的实施例的隔离型功率变换器中电磁感应器形成第一感应元件的第一导线和形成第二感应元件的第二导线，在印刷电路板上的分布方式为设置于上层绝缘层81的上表面的电磁感应器剖面示意图。第一导线和第二导线的线圈布线方式可为单圈绕线，也可为多圈绕线。
图8B为本发明的实施例的隔离型功率变换器中电磁感应器形成第一感应元件的第一导线和形成第二感应元件的第二导线，在印刷电路板上的分布方式为设置于下层绝缘层82的下表面的电磁感应器剖面示意图。第一导线和第二导线的线圈布线方式可为单圈绕线，也可为多圈绕线。
图8C为本发明的实施例的隔离型功率变换器中电磁感应器形成第一感应元件的第一导线和形成第二感应元件的第二导线，在印刷电路板上的分布方式为设置于上层绝缘层81和下层绝缘层82之间的电磁感应器剖面示意图。第一导线和第二导线的线圈布线方式可为单圈绕线，也可为多圈绕线。
图8D为本发明的实施例的隔离型功率变换器中电磁感应器形成第一感应元件的第一导线和形成第二感应元件的第二导线，在印刷电路板上的分布方式为，第一导线设置于上层绝缘层81的上表面，第二导线设置于上层绝缘层81的下表面的电磁感应器剖面示意图。也可为第一导线设置于上层绝缘层81的下表面，第二导线设置于上层绝缘层81的上表面。第一导线和第二导线的线圈布线方式可为单圈绕线，也可为多圈绕线。
图8E为本发明的实施例的隔离型功率变换器中电磁感应器形成第一感应元件的第一导线和形成第二感应元件的第二导线，在印刷电路板上的分布方式为，第一导线设置于上层绝缘层81的上表面，第二导线设置于下层绝缘层82的下表面的电磁感应器剖面示意图。也可为第一导线设置于下层绝缘层82的下表面，第二导线设置于上层绝缘层81的上表面。第一导线和第二导线的线圈布线方式可为单圈绕线，也可为多圈绕线。
在一些实施例中，本申请的隔离型功率变换器，还包括至少部分包裹电磁感应器的感应元件的屏蔽元件。
图9为本发明实施例的隔离型功率变换器的电磁感应器，实施为带屏蔽层的五层印刷电路板内部的电磁感应器的剖面示意图。如图9所例示，五层印刷电路板各绝缘层分别为101-105。电磁感应器包括形成第一感应元件的第一导线106和形成第二感应元件的第二导线107构成。图中还包括屏蔽层108和109。屏蔽层的材料可以为金属材料，具体材料可实际需求选用，例如为铜或铝。屏蔽层108和109至少部分地包覆感应元件106和107的耦合部分，屏蔽层的分布位置亦可根据需要进行调整，例如分别布置在印刷电路板的最上层的上表面和最下层的下表面。
设置屏蔽层后的电磁感应器更容易屏蔽掉外界电磁信号的干扰，从而使得第一导线(即线圈1)和第二导线(即线圈2)之间有更好的信号传递效果。
在一些实施例中，电磁感应器还可以制作在独立的印刷电路板上，以插板的形式安装在主印刷电路板上。插板可以是单层或多层板。
本申请的隔离型功率变换器，利用印刷电路板上的金属导线设计电磁感应器，来进行隔离的电信号传输，具体实现方式灵活方便，并可降低制造成本，且隔离耐压高，安全可靠。
上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明的实施例披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。
同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
虽然本申请已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本申请，在没有脱离本申请精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本申请的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种隔离型功率变换器，其特征在于，包括：
原边电路、副边电路以及电磁感应器；
所述原边电路和所述副边电路藉由变压器元件耦接且相互隔离，所述原边电路具有原边控制器，所述副边电路具有副边控制器；
所述电磁感应器设置于印刷电路板上，且具有相互耦合的第一感应元件和第二感应元件；
其中所述第一感应元件耦接所述原边控制器，所述第二感应元件耦接所述副边控制器。
2.如权利要求1所述的隔离型功率变换器，其特征在于，所述第一感应元件和第二感应元件包括线圈，所述线圈包括耦合部分。
3.如权利要求2所述的隔离型功率变换器，其特征在于，所述线圈包括所述印刷电路板上的导线。
4.如权利要求1所述的隔离型功率变换器，其特征在于，所述印刷电路板具有一绝缘层。
5.如权利要求4所述的隔离型功率变换器，其特征在于，所述第一感应元件和第二感应元件的耦合部分设置于所述绝缘层的同一侧。
6.如权利要求4所述的隔离型功率变换器，其特征在于，所述第一感应元件和第二感应元件的耦合部分设置于所述绝缘层的不同侧。
7.如权利要求1所述的隔离型功率变换器，其特征在于，所述印刷电路板具有多个绝缘层。
8.如权利要求7所述的隔离型功率变换器，其特征在于，所述第一感应元件和第二感应元件的耦合部分分别设置于所述多个绝缘层中任意两个的一侧。
9.如权利要求1所述的隔离型功率变换器，其特征在于，所述电磁感应器还包括至少一个屏蔽元件，所述屏蔽元件至少部分包覆所述第一感应元件和第二感应元件中的至少一个的耦合部分。
10.如权利要求9所述的隔离型功率变换器，其特征在于，所述屏蔽元件设置于所述印刷电路板上。
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