CN1522450A - 多重交错集成电路变压器 - Google Patents

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Abstract

变压器的每个线圈分成两个或多个并联部分。每个线圈的多个部分相互交错以形成共面交错变压器，该变压器的耦合效率比不分段共面交错变压器高。在一个优选实施例中，多个部分的宽度减小，这样交错线圈占用的面积和不分段共面交错变压器基本相同，从而保持了和不分段变压器相同的电感。为提供最大效率，每个线圈的每个部分实施为具有和线圈的每个其它部分基本相同的长度。

Description

多重交错集成电路变压器
发明背景
本发明涉及集成电路领域，特别涉及耦合特性改善的交错变压器装置设计。
变压器包括两个电磁耦合的导线线圈。施加到通常称为初级线圈的导线线圈之一的交流信号在通常称为次级线圈的另一个线圈上引起相应的交流信号。线圈之间的耦合效率决定了从一个线圈到另一个线圈的能量传递效率，以及变压器的整体噪声灵敏度。
变压器通常用于提供信号之间的电绝缘，常常考虑电压参考平面的变化。变压器也常用于使信号耦合到共振电感电容电路，变压器线圈之一提供电感，或一部分电感。射频(RF)发射机通常包括将输出级耦合到共振天线级上的射频变压器。
分立的变压器包括两个导线线圈，线圈缠绕在可以是空气磁心或铁氧体磁心的磁心上，以获得改善的耦合效率。线圈可以叠置，在共用的磁心上一个位于另一个之上，或者在共用的磁心上一个接一个地缠绕，或者通过交错导线并随后围绕共用磁心缠绕导线的组合形成。
叠置和交错的变压器可类似地在多层集成电路上构造。叠置线圈可通过在两个层中的每一个上形成导电的导体螺线实现，其中导体螺线一个在另一个之上。带有交错线圈的变压器通过以螺旋图样在同一导电层上彼此相邻地放置每个线圈的导体形成。由于一个在另一个之上的在同一位置的两个螺线实际上形成了两个电容板，所以叠置的磁心具有高电容。在耦合过程中，该线圈之间的电容耦合导致相移和振幅误差。在带有交错线圈的变压器中，由于导体彼此相邻，而不象叠置实施例中那样一个在另一个之上，所以电容耦合相当小，从而相移更小并且振幅误差也更小。
图1示出了共面交错变压器100的示例性布置图。终端111和112是第一线圈110的终端，终端121和122是第二线圈120的终端。为易于展示和理解，对于每个线圈的导体使用了不同的影阴线。为使电阻损耗最小，两个线圈基本位于同一个集成电路层，最好是重金属层上。根据要求，考虑到布线的绝缘交叉，互连部分102位于第二电路层上。为在示图中易于区别，层之间的连接用圆形区域105示出。与叠置构造相比，图1的共面交错变压器线圈之间电容耦合更小，但占用面积更大，并且耦合效率较低。
1996年8月6日授于Peter D.Evans和William J.B.Heffernan的美国专利5,543,733，“TRANSFORMERS AND COUPLED INDUCTORS WITHOPTIMUM INTERLEAVING OF WINDINGS”，说明交错线圈之一的平行部分以实现不同的匝数比。该参考专利包括共面变压器，变压器具有围绕铁氧体磁心缠绕的连续初级线圈螺线，次级线圈具有并联的交错部分以实现非同式匝数比。为改善初级和次级线圈之间的耦合，通常使用额外的匝数。例如，在参考专利中，使用了12∶2匝数比的实际匝数以实现6∶1的电匝数比；使用了12∶6的实际匝数比以实现2∶1的匝数比，等等。这些额外的实际匝数增加了线圈之间的电感耦合，同时仍然保持了决定输入和输出电流之间比值的希望的电匝数比(n1*i1＝n2*i2)。但是，增加实现匝数的数量增加了每个线圈的电阻以及电感。在共面变压器中，增加实际匝数的数量明显增加了变压器占用的面积。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种变压器结构，其提供较低的传统共面交错变压器的电容，但具有改善的耦合效率和效能。本发明的另一个目的是提供一种共面变压器结构，其提供改善的耦合效率和效能，但不明显增加线圈的电感或电阻。
这些目的和其它目的是这样实现的，即将每个线圈拆分成两个或多个并联部分，并将每个线圈的多个部分相互交错以形成交错的线圈，这种线圈具有比不分段交错变压器更大的耦合效率。由于每个线圈的多个部分并联，线圈的电阻降低，或者可在保持相同电阻的同时减少用于形成线圈的导体的宽度。通过减少在共面变压器中所用导体的宽度，可在与传统变压器基本相同的面积内放置额外的并联部分，从而保持相同的电感。为提供最大效率，每个线圈的每个部分实施为具有和线圈的每个其它部分基本相等的长度。
附图说明
通过参考附图借助实例更详细地解释本发明，其中：
图1示出了现有技术交错变压器的实例布置图；
图2示出了根据本发明的交错变压器的实例布置图；
图3示出了包括根据本发明的交错变压器实例的手持通讯装置。
在这些附图中，同一附图标记表示类似或对应的特征或功能。
具体实施方式
本发明试图增加变压器线圈之间的电感耦合，而不明显增加线圈之间的电容耦合。为使电容耦合最小，线圈最好位于共同的平面或层内，这样在线圈中实际上仅仅导体的边缘对线圈之间的电容起作用。为增加电感耦合，使用了多个线圈部分以形成变压器初级和次级线圈中的每一个。多个线圈部分中的每个都与形成变压器初级或次级线圈的多个线圈部分中的其它线圈部分并联。
如果和传统变压器线圈中所用的一样，在多个线圈部分的每一个中都使用同样数量的等尺寸导体绕组，则代替单个线圈的多个线圈部分的布置要比传统交错变压器占据更多的面积。公知的是，集成电路或印刷电路板上单位导体长度的电阻与导体宽度成反比。在传统变压器实施例中，为每个线圈限定最大电阻性损耗，因此导体宽度也限定了。根据本发明，由于形成初级和次级线圈的多个线圈部分中的每一个都是并联的，所以导体宽度可相应减少而不增加线圈电阻。即，例如，如果传统变压器线圈的导体是20微米宽，并且如果两个线圈部分并联以形成根据本发明的线圈，则两个线圈部分中每一个的导体可减小到10微米宽，而不增加线圈的电阻。这样，多个线圈部分导体占据的面积和传统线圈导体占据的面积相同，并且唯一附加的面积是提供导体之间绝缘空间所需的面积。
根据本发明，通过多个线圈部分实现的耦合改善通常考虑了每个线圈所需绕组的减少。而且，或者作为另外一种选择，增加的耦合提供了更有效的能量传递，因此基于能量需求的减少，噪声过滤需要的减少等等，可能增加的变压器面积可由系统其它部件的减少来抵消。
如该技术领域公知的，平面线圈的电感由有效线圈直径和线圈中的匝数决定。如上所述，通过在线圈部分中使用较窄的导体，用于替代单个线圈的多个线圈部分的直径不必明显增加线圈的有效直径。根据本发明，多个线圈部分具有和传统线圈一样的匝数，因此线圈的电感保持和传统线圈基本相同。如下面进一步所述，线圈电感会稍稍减小，这是由于最里面的线圈部分电感较低造成的，但该较低的电感可由通过本发明实现的较高耦合系数稍稍抵消掉。
图2示出了实例共面交错变压器200的布置图，其包括形成根据本发明的变压器200的初级线圈210的两个平行构造的线圈部分210a，210b，以及形成次级线圈220的两个平行构造的线圈部分220a，220b。和图1中一样，线圈部分基本位于单个集成电路面或层内，最好是重金属层内，以使导体电阻最小。在与线圈层绝缘的不同层上提供了部分202，从而考虑了根据需要的交叉，利用通孔205在层之间进行连接。
根据本发明，由于每个线圈有两个线圈部分，所以形成每个线圈部分210a-b，220a-b的导体是图1中对应导体110，120宽度的一半，从而线圈210，220具有和对应线圈110，120基本相同的电阻。因为在每个线圈210，220之间连接了两倍的导体，所以变压器200中的耦合效率比变压器100中的耦合效率大得多。
通过为每个线圈210，220使用一半宽度的两个导体210a-b，220a-b，变压器200的尺寸不会明显大于图1变压器100，因此每个线圈210，220的有效直径和对应的线圈110，120基本相同。这样，每个线圈210，220的电感和每个线圈110，120的电感基本相同。但要注意到，变压器200最里面的线圈部分的直径比对应的变压器100的线圈稍小，因此产生的电感稍小。与其它线圈部分的电感并联的该较小电感减少了线圈的整体电感。但该电感减少被并联线圈部分的耦合系数改善稍稍抵消(有效电感＝电感*(1+耦合系数))。
线圈210，220之间的耦合效率可通过提供额外的并联线圈部分进一步提高。根据本发明，每个额外的线圈部分允许使用的导体宽度相应减小，从而使变压器整体尺寸保持基本不变。即，例如，在三个并联线圈部分时，每个导体的宽度是图1传统变压器100的宽度的三分之一；四个并联线圈部分使用四分之一宽度的导体，等等。只有当导体之间的空间累积相当大，或者确定的减小的宽度小于制造技术所允许的最小导体尺寸时，与图1相比，变压器的尺寸才会明显变化。
形成每个初级线圈210和次级线圈220的每个线圈部分210a，210b和220a，220b最好各自具有基本相同的长度和相同的电感，以平衡并联通路之间的电流。如图所示，从外边缘到内边缘，线圈部分的导体按210a，220a，210b，220b，210a，220a，210b，220b的次序布置，以下称为aa-bbb-aa-bb布置，表示“a”初级和次级线圈位于外侧电路，然后是“b”初级和次级线圈，然后还是“a”线圈，然后“b”线圈。在该示例布置中，“a”线圈比“b”线圈长度稍长。替代的aa-bb-bb-aa布置可提供更平衡的长度，尽管长度相等不是关键的，仅需要近似相等就可以。
图2示出了可选择的初级线圈210上的中间抽头210c；作为另外一种选择，或作为补充，可在次级线圈220上提供中间抽头。对于该技术领域的普通技术人员来说很明显，也可提供其它的抽头，如比例抽头(ratioed taps)。
本发明特别适合手持装置，如蜂窝式电话，在这类装置中重量轻并且设计紧凑是优选的。图3示出了典型的手持发射机，该发射机包括变压器200，变压器位于包括传统发射放大器315的同一个集成电路310上。如图所示，中间抽头的变压器200的初级线圈由放大器驱动，电容320耦合在次级线圈上，以形成耦合在发射天线325上的共振电路。如该技术领域公知的，共振电路的共振频率由电感和电容的乘积决定，共振电路的质量由共振电路的电阻决定。接收例如来自传声器335的声音信号的调制器330提供放大器315的输入。作为选择，调制器330可和放大器315一样包括在同一个集中电路310中。
通过提供多个并联线圈部分，这些线圈部分基本保持了传统变压器的电感和电阻，但提高了耦合效率，通过本发明可改善装置300的性能，而不导致明显的设计变化。
图2示出了形成每个初级线圈210和次级线圈220的两个并联线圈部分(“a”和“b”)，但本发明的原则适用任何数量的并联线圈。例如，三个线圈可布置为aa-bb-cc-aa-bb-cc，或者aa-bb-cc-bb-cc-aa，或者有助于提供近似相等的线圈长度的其它组合。按类似方式，为实现不同的匝数比，一个线圈210，220可具有一个数量的并联线圈，另一个线圈可具有不同数量的并联线圈。例如，对于3∶2的匝数比，如果一个线圈具有并联线圈a，b和c，另一个线圈具有并联线圈A和B，则布置方式可以是a-A-b-B-c-a-A-b-B-c。但应该注意，在1∶1的匝数比时交错变压器效率最高，因为在1∶1匝数比布置中不出现一个线圈的重复导体(在该实例中“c-a”布置)。
上述内容仅示出了本发明的原则。因此应该理解，该技术领域的普通技术人员可发明各个布置，尽管这里没有明确描述或展示这些布置，这些布置也实施了本发明的原则，所以它们也包括在下面权利要求的精神和范围内。

Claims (15)

1.变压器(200)，包括：
一个初级线圈(210)和
一个次级线圈(220)，
其中
初级线圈(210)和次级线圈(220)是共面的，并且每个初级线圈(210)和次级线圈(220)包括多个线圈部分(210a-b，220a-b)，这些线圈部分构造为向对应的初级线圈(210)和次级线圈(220)的输入终端提供并联电流通路，多个线圈部分(210a-b，220a-b)中的每一个也是共面的。
2.根据权利要求1中所述的变压器(200)，其特征在于，共面的初级线圈(210)和次级线圈(220)位于共同的集成电路层上。
3.根据权利要求1中所述的变压器(200)，其特征在于，还包括位于至少初级线圈(210)和次级线圈(220)之一上的一个中间抽头终端(210c)。
4.根据权利要求1中所述的变压器(200)，其特征在于，多个线圈部分(210a-b，220a-b)中的每一个包括与多个线圈部分(210a-b，220a-b)中的其它线圈部分的导体长度近似相等的导体。
5.根据权利要求1中所述的变压器(200)，其特征在于，初级线圈(210)和次级线圈(220)中的每一个包括相等数量的线圈部分。
6.集成电路，包括
变压器(200)，包括：
一个初级线圈(210)和
一个次级线圈(220)，
其中
初级线圈(210)和次级线圈(220)是共面的，并且每个初级线圈(210)和次级线圈(220)包括多个线圈部分(210a-b，220a-b)，这些线圈部分构造为向对应的初级线圈(210)和次级线圈(220)的输入终端提供并联电流通路，多个线圈部分(210a-b，220a-b)中的每一个也是共面的。
7.根据权利要求6中所述的集成电路，其特征在于，共面的初级线圈(210)和次级线圈(220)位于共同的集成电路层上。
8.根据权利要求6中所述的集成电路，还包括
位于至少初级线圈(210)和次级线圈(220)之一上的一个中间抽头终端(210c)。
9.根据权利要求6中所述的集成电路，其特征在于，多个线圈部分(210a-b，220a-b)中的每一个包括与多个线圈部分(210a-b，220a-b)中的其它线圈部分的导体长度近似相等的导体。
10.根据权利要求6中所述的集成电路，还包括
耦合在至少初级线圈(210)和次级线圈(220)之一上以形成共振电路的电容器(320)。
11.根据权利要求6中所述的集成电路，其特征在于，初级线圈(210)和次级线圈(220)中的每一个包括相等数量的线圈部分。
12.移动装置(300)，包括：
一集成电路，包括：
构造为提供输出信号的放大器(315)，和
可操作地耦合在放大器(315)上的变压器(200)，包括：
构造为接收输出信号的初级线圈(210)，可操作地耦合在电容器上以形成共振电路的次级线圈(220)，和
可操作地耦合在共振电路上的天线；
其中
变压器(200)包括：
可操作地并联耦合以形成初级线圈(210)的第一多个线圈部分(210a-b)，和
可操作地并联耦合以形成次级线圈(220)的第二多个线圈部分(220a-b)；而且，
初级线圈(210)和次级线圈(220)基本位于共同的集成电路层上。
13.根据权利要求12中所述的移动装置(300)，还包括：
构造为调制输入信号以形成到放大器(315)的调制输入的调制器(330)。
14.根据权利要求13中所述的移动装置(300)，其特征在于，调制器(330)位于集成电路内。
15.设计变压器(200)的方法，包括：
确定与具有初级线圈(210)和次级线圈(220)的传统变压器相关的一组参数，
至少初级线圈(210)和次级线圈(220)之一的一组参数包括规定的线圈直径和规定的形成线圈的导体宽度，
限定初级线圈(210)和次级线圈(220)中每一个的布置图，包括为每个初级线圈(210)和次级线圈(220)的并联多个N线圈部分(210a-b，220a-b)的布置图，
每个初级线圈(210)和次级线圈(220)的多个N线圈部分(210a-b，220a-b)交错并在共同的平面上形成直径基本等于规定直径的回路，
其中
至少一个线圈的多个N线圈部分(210a-b，220a-b)分别利用宽度基本等于除以N的规定宽度的导体形成。
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