TW201717227A - 電隔離器構裝結構及電隔離器的製造方法 - Google Patents

電隔離器構裝結構及電隔離器的製造方法 Download PDF

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Abstract

一種電隔離器構裝結構以及電隔離器的製造方法。所述電隔離器構裝結構包括第一基板、第二基板、線圈以及磁場感測器。線圈設置於第一基板。磁場感測器則設置於第二基板。線圈的位置依照所述磁場感測器的位置而相應設置，以使所述線圈傳遞訊號至磁場感測器。藉此，可利用線圈與磁場感測器並透過磁性耦合來實現電隔離器。

Description

電隔離器構裝結構及電隔離器的製造方法
本發明是有關於一種訊號傳輸技術，且特別是有關於一種電隔離器構裝結構及電隔離器的製造方法。
在訊號傳輸領域中，時常需要將訊號或能量從一個電壓域的電路中傳遞到另一個電壓域的電路，或是將訊號或能量從一種介質傳遞到另一種介質。然而，由於電壓域或介質種類的不同，訊號在傳遞過程中可能會藉由寄生路徑來干擾或擊穿周邊的電路而造成毀損。因此，為了電路的可靠度著想，通常會藉由電隔離器、耦合器或是隔離護欄（isolation barrier）用以在不同電壓域的電路之間傳遞訊號，藉以保護電路。
電隔離器可以適用於許多電源電路領域中，例如電源系統（如，電源供應器、馬達控制系統、伺服器供電系統、家電…等）、照明控制系統（如，LED控制器）以及工業馬達系統（如，機器手臂、車用馬達）…等。上述這些電源電路系統通常是透過控制電路來產生訊號或命令，藉以控制輸出級電路並將能量傳遞到負載。
目前來說，電隔離器通常採用光耦合器、電容器或是變壓器來實現。若以光耦合器作為電隔離器，由於發光二極體（LED）的製程無法相容於電晶體製程（例如，CMOS製程），並且LED本身具有光衰、熱損…等議題，因此無法將LED整合到晶片中而需另外封裝。若採用可整合至晶片上的變壓器或電容器來做為電隔離器，則可能需要傳輸高頻的訊號才能達到有效的傳輸效率，導致採用此種電隔離器的電路需要另外設計調變與解調變功能，才能順利地傳輸訊號。因此，目前廠商仍然在積極尋求可以節省功耗並具備低訊號失真度的電隔離器實現技術。
本發明提供一種電隔離器構裝結構以及電隔離器的製造方法，其利用線圈與磁場感測器並透過磁性耦合（magnetic coupling）來實現電隔離器的功能。
本發明一實施例的電隔離器構裝結構包括第一基板、第二基板、線圈以及磁場感測器。線圈設置於所述第一基板。磁場感測器設置於所述第二基板。所述線圈的位置依照所述磁場感測器的位置而相應設置，以使所述線圈傳遞訊號至所述磁場感測器。
本發明一實施例的電隔離器的製造方法包括下列步驟。在第一基板上設置線圈。以及，在第二基板的上設置磁場感測器，所述線圈的位置依照所述磁場感測器的位置而相應設置，以使所述線圈傳遞訊號至所述磁場感測器。
基於上述，本發明實施例所述的電隔離器構裝結構利用線圈與磁場感測器，並透過磁性耦合（magnetic coupling）來實現電隔離器的功能。本發明實施例的電隔離器可與晶片製程相結合，其傳輸的訊號可以為高頻訊號與低頻訊號，且不需要將訊號進行調變及解調。藉此，本發明實施例利用線圈與磁場感測器來實現的電隔離器可使功耗降低、減少訊號失真度。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
圖1是依照本發明一實施例的一種採用電隔離器110的電路100的示意圖。電路100包括電隔離器110、第一電路120、第二電路130以及負載140。第一電路120的電源連接至第一電壓域VD1，且第二電路130的電源連接至第二電壓域VD2。第一電路120可以是輸入級電路或控制電路，而第二電路130則可以是輸出級電路。負載140連接至第二電路130的輸出端。
在本實施例中，第一電壓域VD1與第二電壓域VD2可以不相同。電路100可適用於電源電路系統中，因此第二電壓域VD2可能為20V至35kV不等，端視應用的電源電路系統而定。第一電壓域VD1則為控制電路常用的電壓範圍，例如1.25V、3.3V、5V…等。此外，依照電源電路系統的應用不同，負載140可以是電源供應器、照明設備、馬達、家電、機器手臂、車用馬達…等。本發明實施例並不受限於此。
圖2是依照本發明一實施例的一種電隔離器110的電路圖。請參照圖2，電隔離器110包括線圈210以及磁場感應器220。於本實施例中，磁場感測器220可以利用霍爾感應器（或稱為，霍爾元件）來實現。線圈210的兩端可連接至由控制電路所控制的電流產生器，且藉由電流產生器所產生的電流在線圈210中流動而產生磁場訊號。藉此，電隔離器110可藉由線圈210來發射磁場訊號，並經由磁場感應器220來接收此磁場訊號以轉化為電壓訊號，並將此電壓訊號傳遞給後方的電路，從而達成電隔離或電耦合的功能。經實驗得知，磁場訊號以及磁場感應器220所產生的電壓訊號的操作頻率範圍十分寬廣，例如磁場訊號及電壓訊號可操作在100kHz至2MHz的頻率之間，因此可依據其需求而適用於低頻或是高頻訊號傳輸。
由於線圈210以及磁場感測器220皆可透過半導體製程來實現，因此可輕易地整合至晶片中而不需另外封裝電隔離器110，藉以降低製程成本以及封裝成本。若是以現有的變壓器或電容器來實現電隔離器，在傳輸訊號的過程中，通常會需要將訊號進行調變以及解調變之後才能順利地進行傳輸，而調變以及解調變皆會使訊號波形略為失真。相對來說，本發明實施例的電隔離器110則可直接將圖1中第一電路120輸入到電隔離器的控制訊號（如，PWM訊號）藉由電流編碼器以及電流產生器來使圖2中的線圈210產生磁場訊號，磁場感應器220便可直接藉由磁場訊號來直接得知其控制訊號的內容，而不需將訊號進行調變/解調變的操作，從而避免訊號失真。換句話說，本發明實施例的電隔離器110不需要進行訊號的調變以及解調變，因此將會降低電能消耗，還可具備較低的訊號失真度。此外，本發明實施例所述的電隔離器構裝結構無需設置雜訊濾除功能的模組，因此並不會發生迴路延遲的情況，可相對應地提升電路的操作速度以及電路迴路的穩定度。
圖3是依照本發明第一實施例的一種電隔離器構裝結構300的示意圖。圖3用以例舉說明以單一晶片來實現電隔離器構裝結構300。電隔離器構裝結構300主要包括第一基板310、第二基板320、線圈330以及磁場感測器340。第一基板310以及第二基板320可以是P型矽基板。本實施例是將第二基板320作為晶片基板，並將第一基板310透過隔離電位層350而設置在第二基板320當中。第一基板310具有第一表面S1以及相對於第一表面S1的第二表面S2。第二基板320具有第三表面S3以及相對於第三表面S3的第四表面S4。線圈330的位置依照磁場感測器340的位置而相應設置，以使線圈330傳遞訊號至磁場感測器340。為使電隔離器構裝結構300能夠實現在單一晶片上，第一基板310與第二基板320之間設置有隔離電位層350，藉以隔離第一基板310與第二基板320的電位。
在此詳細描述第一基板310以及線圈330。第一基板310的第一表面S1上除了線圈330以外還包括多個第一焊墊360以及輸入放大器370，但不以此為限，線圈330的位置可依照磁場感測器340的位置而相應設置。輸入放大器370的輸入端透過多個第一焊墊360以及導線而耦接至輸入級電路。換句話說，輸入級電路可透過導線以及第一焊墊360以耦接至輸入放大器370的輸入端，藉以傳送輸入訊號至輸入放大器370。輸入放大器370的輸出端連接至線圈330的兩端，藉以透過線圈330來將輸入訊號以磁場耦合方式來傳遞磁場訊號給位於第二基板320上第三表面S3的磁場感測器340。於本實施例中，線圈330的位置設置在磁場感測器340的上方，且線圈330與磁場感測器340之間具備不會妨礙磁場訊號的隔離層。於其他實施例中，線圈330的位置也可設置在磁場感測器340的下方或是兩側，使得線圈330的磁場信號得以傳遞至磁場感測器340即可。
在此詳細描述第二基板320以及磁場感應器340。第二基板320的第三表面S3上除了磁場感應器340以外，還包括多個第二焊墊380以及輸出放大器390。輸出放大器390的接收端連接至磁場感測器340的輸出端，且輸出放大器390的輸出端則連接至多個第二焊墊380。也就是說，磁場感測器340透過輸出放大器390以電性連接第二焊墊380。輸出級電路可透過導線與第二焊墊380相耦接。藉此，當磁場感應器340接收到磁場訊號時，便會將磁場訊號轉換為輸出訊號，並將此輸出訊號提供給輸出放大器390。於本實施例中，此處的輸出訊號為一種電壓訊號。輸出放大器390將此輸出訊號放大後，透過導線以及第二焊墊380以將輸出放大器390的輸出訊號傳送給輸出級電路。藉此，輸出級電路便可藉由此輸出訊號來將能量或訊號提供給耦接至輸出級電路的輸出端的負載。
圖4是依照本發明第二實施例的一種電隔離器構裝結構400的示意圖。圖4與圖3之間的不同處在於，圖4的實施例是將第一基板410作為晶片基板，並將第二基板420透過隔離電位層450而設置在第一基板410當中。圖4中的線圈430、磁場感測器440、第一焊墊460、輸入放大器470、第二焊墊480及輸出放大器490皆與圖3中的線圈330、磁場感測器340、第一焊墊360、輸入放大器370、第二焊墊380及輸出放大器390相似。
圖5A及圖5B是依照本發明第三實施例的一種電隔離器構裝結構500的示意圖。圖5A及圖5B用以例舉說明以兩個晶片來實現電隔離器構裝結構500的做法。電隔離器構裝結構500主要包括第一基板510、第二基板520、線圈530以及磁場感測器540。第一基板510包括第一表面S1以及對應的第二表面S2，且第二基板520包括第三表面S3以及對應的第四表面S4。第一基板510與第二基板520分別屬於不同晶片。本實施例在第一基板510的第一表面S1上設置線圈530、多個第一焊墊560以及輸入放大器570。並且，在第二基板520的第三表面S3上設置磁場感測器540、多個第二焊墊580以及輸出放大器590。當兩個基板510、520完成配置後（如圖5A所示），本發明實施例便將第一基板510的第二表面S2配置在第二基板520的第三表面S3的上方（如圖5B所示），並使線圈530的位置設置在磁場感測器540的正上方，藉以使線圈530與磁場感測器540之間的距離最短。藉此，線圈530便可傳送磁場訊號給磁場感測器540。圖5A與圖5B中的線圈530、磁場感測器540、第一焊墊560、輸入放大器570、第二焊墊580及輸出放大器590與圖3及圖4具相同名稱的元件相類似，在此不予贅述。於某些實施例中，線圈530的位置也可設置在磁場感測器540的下方或是兩側，例如將第一基板510設置在第二基板520的下方。應用本實施例者並不僅限於圖5A、5B的教示，而可適度調整元件之間的擺放位置。
圖6A及圖6B是依照本發明第四實施例的一種電隔離器構裝結構600的示意圖。圖6A及圖6B用以例舉說明以三個或三個以上的晶片來實現電隔離器構裝結構300。圖6A、圖6B與上述圖5A、圖5B的不同之處在於，圖6中的電隔離器構裝結構600除了具備第一基板610與第二基板620以外，還包括第三基板615。也就是說，第一基板610、第二基板620與第三基板615可以分別屬於不同的晶片。於本實施例中，第一基板610的第一表面S1上可以僅具備線圈630以及第一焊墊660。第一焊墊660與線圈630的兩端相互電性連接。輸入放大器670並非設置於第一基板610，而是設置於第三基板615上。
特別說明的是，應用本實施例者還可將控制電路675配置在第三基板615上，藉以讓具有第三基板615的晶片作為控制晶片。詳細來說，本發明實施例將輸入放大器670整合到控制電路675當中，並將控制電路675電性連接至第三基板615中的多個第三焊墊665，以耦接至線圈630。線圈630連接至第一基板610中第一表面S1上的多個第一焊墊660。控制電路675藉由第三基板615中的第三焊墊665、第一基板610中的第一焊墊660以及當中的導線而電性連接至線圈630。控制電路675還可藉由第三焊墊665來連接器其他晶片上的電路來實現相應功能。於本實施例中，控制電路675可包括輸入放大器670、電流編碼器以及電流產生器。電流編碼器接收控制信號，並將控制信號透過電流產生器轉換為電流，藉以產生磁場訊號。圖6A與圖6B中的線圈630、磁場感測器640、第一焊墊660、輸入放大器670、第二焊墊680及輸出放大器690與圖3、圖4、圖5A及圖5B具相同名稱的元件功能相類似，在此不予贅述。
圖7是依照本發明第一實施例的電隔離器的製造方法的流程圖。請參照圖7，於步驟S710中，在第一基板設置線圈。此第一基板具有第一表面以及對應之第二表面。於步驟S720中，在第二基板設置磁場感測器。此第二基板具有第三表面以及對應之第四表面。線圈的位置依照磁場感測器的位置而相應設置，以使此線圈傳遞訊號至磁場感測器。電隔離器的製造方法相關描述已揭露於上述其他實施例中，應用本實施例者可依照其需求，並以適當的步驟流程來實現圖3至圖6B中任一種電隔離器構裝結構實施例。
綜上所述，本發明實施例所述的電隔離器構裝結構利用線圈與磁場感測器（如，霍爾感測器），並透過磁性耦合（magnetic coupling）來實現電隔離器的功能。本發明實施例的電隔離器可與晶片製程相結合，其傳輸的訊號可以為高頻訊號與低頻訊號，且不需要將訊號進行調變及解調變。藉此，本發明實施例利用線圈與磁場感測器來實現的電隔離器可使功耗降低、減少訊號失真度。此外，本發明實施例所述的電隔離器構裝結構無需設置調變/解調變/雜訊濾除功能的模組，因而相對應地提升操作速度以及電路迴路的穩定度。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧電路
110‧‧‧電隔離器
120‧‧‧第一電路
130‧‧‧第二電路
140‧‧‧負載
VD1‧‧‧第一電壓域
VD2‧‧‧第二電壓域
210‧‧‧線圈
220‧‧‧磁場感應器
300、400、500、600‧‧‧電隔離器構裝結構
310、410、510、610‧‧‧第一基板
320、420、520、620‧‧‧第二基板
330、430、530、630‧‧‧線圈
340、440、540、640‧‧‧磁場感應器
350、450‧‧‧隔離電位層
360、460、560、660‧‧‧第一焊墊
370、470、570、670‧‧‧輸入放大器
380、480、580、680‧‧‧第二焊墊
390、490、590、690‧‧‧輸出放大器
S1‧‧‧第一表面
S2‧‧‧第二表面
S3‧‧‧第三表面
S4‧‧‧第四表面
615‧‧‧第三基板
665‧‧‧第三焊墊
圖1是依照本發明一實施例的一種採用電隔離器的電路的示意圖。 圖2是依照本發明一實施例的一種電隔離器的電路圖。 圖3是依照本發明第一實施例的一種電隔離器構裝結構的示意圖。 圖4是依照本發明第二實施例的一種電隔離器構裝結構的示意圖。 圖5A及圖5B是依照本發明第三實施例的一種電隔離器構裝結構的示意圖。 圖6A及圖6B是依照本發明第四實施例的一種電隔離器構裝結構的示意圖。 圖7是依照本發明第一實施例的電隔離器的製造方法的流程圖。
300‧‧‧電隔離器構裝結構
310‧‧‧第一基板
320‧‧‧第二基板
330‧‧‧線圈
340‧‧‧磁場感應器
350‧‧‧隔離電位層
360‧‧‧第一焊墊
370‧‧‧輸入放大器
380‧‧‧第二焊墊
390‧‧‧輸出放大器
S1‧‧‧第一表面
S2‧‧‧第二表面
S3‧‧‧第三表面
S4‧‧‧第四表面

Claims (25)

  1. 一種電隔離器構裝結構，包括： 一第一基板； 一第二基板； 一線圈，設置於該第一基板；以及 一磁場感測器，設置於該第二基板， 其中該線圈的位置依照該磁場感測器的位置而相應設置，以使該線圈傳遞訊號至該磁場感測器。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電隔離器構裝結構，其中該磁場感測器為一霍爾感應器。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的電隔離器構裝結構，更包括： 一輸入放大器，配置於該第一基板， 其中該輸入放大器連接至該線圈的兩端。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的電隔離器構裝結構，其中該第一基板具有多個第一焊墊，且該線圈透過該輸入放大器以電性連接該些第一焊墊。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的電隔離器構裝結構，更包括： 一輸入級電路，透過多個導線以及該些第一焊墊以耦接至該輸入放大器的輸入端，藉以傳送輸入訊號至該輸入放大器。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的電隔離器構裝結構，更包括： 一輸出放大器，配置於該第二基板， 其中該輸出放大器連接至該磁場感測器的輸出端。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的電隔離器構裝結構，其中該第二基板具有多個第二焊墊，且該磁場感測器透過該輸出放大器以電性連接該些第二焊墊。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的電隔離器構裝結構，更包括： 一輸出級電路，透過多個導線以及該些第二焊墊以耦接至該輸出放大器的輸出端，藉以接收該輸出放大器的輸出訊號。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的電隔離器構裝結構，更包括： 一負載，耦接至該輸出級電路的輸出端。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的電隔離器構裝結構，更包括： 一隔離電位層，設置於該第一基板與該第二基板之間，用以隔離該第一基板與該第二基板， 其中該第一基板與該第二基板設置於相同晶片上。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的電隔離器構裝結構，其中該第二基板作為晶片基板，並該第一基板透過該隔離電位層而設置在該第二基板當中。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的電隔離器構裝結構，其中該第一基板作為晶片基板，並該第二基板透過該隔離電位層而設置在該第一基板當中。
  13. 如申請專利範圍第1項所述的電隔離器構裝結構，其中該第一基板配置在該第二基板的上方，從而使該線圈的位置設置在該磁場感測器的正上方。
  14. 如申請專利範圍第1或13項所述的電隔離器構裝結構，更包括： 一第三基板；以及 一控制電路，配置於該第三基板，且該控制電路電性連接該第三基板中的多個第三焊墊， 其中該線圈連接至該第一基板的多個第一焊墊，該控制電路藉由該第三基板中的該些第三焊墊以及該第一基板中的該些第一焊墊而電性連接至該線圈。
  15. 一種電隔離器的製造方法，包括： 在一第一基板上設置一線圈；以及 在一第二基板上設置一磁場感測器，其中該線圈的位置依照該磁場感測器的位置而相應設置，以使此線圈傳遞訊號至該磁場感測器。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的製造方法，其中該磁場感測器為一霍爾感應器。
  17. 如申請專利範圍第15項所述的製造方法，更包括： 在該第一基板設置多個第一焊墊，其中該線圈電性連接該些第一焊墊。
  18. 如申請專利範圍第15項所述的製造方法，更包括： 在該第一基板設置一輸入放大器，其中該輸入放大器連接至該線圈的兩端，該線圈透過該輸入放大器以電性連接該些第一焊墊。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的製造方法，更包括： 設置一輸入級電路，透過多個導線以及該些第一焊墊以耦接至該輸入放大器的輸入端，藉以傳送輸入訊號至該輸入放大器。
  20. 如申請專利範圍第15項所述的製造方法，更包括： 在該第二基板設置多個第二焊墊，其中該磁場感測器電性連接該些第二焊墊。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的製造方法，更包括： 在該第二基板設置一輸出放大器，其中該輸出放大器連接至該磁場感測器的輸出端，且該磁場感測器透過該輸出放大器以電性連接該些第二焊墊。
  22. 如申請專利範圍第21項所述的製造方法，更包括： 設置一輸出級電路，透過多個導線以及該些第二焊墊以耦接至該輸出放大器的輸出端，藉以接收該輸出放大器的輸出訊號。
  23. 如申請專利範圍第15項所述的製造方法，更包括： 在該第一基板與該第二基板之間設置一隔離電位層，用以隔離該第一基板與該第二基板，其中該第一基板與該第二基板設置於相同晶片上。
  24. 如申請專利範圍第23項所述的製造方法，其中該第二基板作為晶片基板，並該第一基板透過該隔離電位層而設置在該第二基板當中。
  25. 如申請專利範圍第23項所述的製造方法，其中該第一基板作為晶片基板，並該第二基板透過該隔離電位層而設置在該第一基板當中。
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