TW202221733A

TW202221733A - 變壓器裝置

Info

Publication number: TW202221733A
Application number: TW110106259A
Authority: TW
Inventors: 顏孝璁; 王柏之
Original assignee: 瑞昱半導體股份有限公司
Priority date: 2020-11-18
Filing date: 2021-02-23
Publication date: 2022-06-01
Also published as: US20220157514A1; TWI763412B; TW202221738A; TWI748878B; CN114520105A; CN114520106A

Abstract

變壓器裝置包含第一線圈、第二線圈以及第三線圈。第一線圈包含多個第一線段與第一連接部。該些第一線段經由第一連接部相互連接。第二線圈包含多個第二線段與多個第二連接部。該些第二線段經由該些第二連接部相互連接。第三線圈包含多個第三線段與多個第三連接部。該些第三線段經由該些第三連接部形成環形結構，以耦合第一線圈與第二線圈。該些第一線段中的第一部分與該些第二線段中的第二部分位於環形結構之一範圍內，該些第一線段中的第一部分位於第二線圈之一範圍，且該些第一線段中的第二部分位於第一線圈之一範圍。

Description

變壓器裝置

本案是關於變壓器裝置，尤其是關於可用於功率合併的平面式變壓器裝置。

用於射頻訊號的部分積體電路需將訊號在共模（common mode）模式與差動（differential）模式之間作轉換。此類轉換可使用一種巴倫（BALUN）器達成。巴倫器為變壓器的一種應用，在積體電路中也是由線圈所組成。因此，如何安排其線圈，使線圈具有良好的耦合效果、高的品質因素（quality factor）並具有良好的線路平衡為重要的課題。

於一些實施例中，變壓器裝置包含第一線圈、第二線圈以及第三線圈。第一線圈包含複數個第一線段與第一連接部。該些第一線段經由該第一連接部相互連接。第二線圈包含複數個第二線段與複數個第二連接部。該些第二線段經由該些第二連接部相互連接。第三線圈包含複數個第三線段與複數個第三連接部。該些第三線段經由該些第三連接部形成一環形結構，以耦合該第一線圈與該第二線圈。該些第一線段中的第一部分與該些第二線段中的第二部分位於環形結構之一範圍內，該些第一線段中的該第一部分位於該第二線圈之一範圍，且該些第一線段中的該第二部分位於該第一線圈之一範圍。

有關本案的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。

本文所使用的所有詞彙具有其通常的意涵。上述之詞彙在普遍常用之字典中之定義，在本案的內容中包含任一於此討論的詞彙之使用例子僅為示例，不應限制到本案之範圍與意涵。同樣地，本案亦不僅以於此說明書所示出的各種實施例為限。

關於本文中所使用之『約』或『實質』一般通常係指數值之誤差或範圍約百分之二十以內，較好地是約百分之十以內，而更佳地則是約百分五之以內。文中若無明確說明，其所提及的數值皆視作為近似值，即如『約』或『實質』所表示的誤差或範圍。

另外，為易於說明，本文中可能使用例如『左』、『右』、『上』、『下』等空間相對性用語來說明圖中所示的一個元件（或特徵）與另一元件（或特徵）的關係。除圖式中所繪示的定向外，這些空間相對性用語旨在涵蓋裝置在使用或操作中的不同定向。裝置可具有其他定向（例如為旋轉90度或處於其他定向），且本文中所使用的空間相對性描述語可同樣相應地進行解釋。

關於本文中所使用之『耦接（或耦合）』或『連接』，均可指二或多個元件相互直接作實體或電性接觸，或是相互間接作實體或電性接觸，亦可指二或多個元件相互操作或動作。如本文所用，用語『電路』可為由至少一個電晶體與/或至少一個主被動元件按一定方式連接以處理訊號的裝置。

如本文所用，用語『與/或』包含了列出的關聯項目中的一個或多個的任何組合。在本文中，使用第一、第二與第三等等之詞彙，是用於描述並辨別各個元件。因此，在本文中的第一元件也可被稱為第二元件，而不脫離本案的本意。為易於理解，於各圖式中的類似元件將被指定為相同標號。

參照圖1A至圖1C，圖1A為根據本案一些實施例繪製一種變壓器裝置100的示意圖，圖1B為根據本案一些實施例繪製圖1A中的線圈120與線圈140之示意圖，且圖1C為根據本案一些實施例繪製圖1A中的線圈160之示意圖。於一些實施例中，變壓器裝置100可操作為（但不限於）功率合成器（power combiner），其可將來自兩個對稱的線圈之訊號耦合至單一線圈，以輸出為單一訊號。為易於說明，變壓器裝置100包含的多個構件分別示於圖1B與圖1C。於一些實施例中，變壓器裝置100可由圖1B的多個線圈120與140、圖1C中的線圈160形成。

線圈120與線圈140中每一者可為一平面式電感。如圖1B所示，線圈120包含多個線段L1（以斜條紋表示）以及連接部CP1（以點狀表示）。多個線段L1經由連接部CP1互相連接，以形成線圈120。例如，連接部CP1的兩端分別設置有至少一導孔（VIA）（以黑色表示），以耦接連接部CP1至對應的線段L1。類似地，線圈140包含多個線段L2（以白色表示）以及多個連接部CP2（以點狀表示）。多個線段L2經由連接部CP2互相連接，以形成線圈140。例如，各個連接部CP2的兩端分別設置有至少一導孔，以耦接連接部CP2至對應的線段L2。

於一些實施例中，線圈120與線圈140中每一者可操作為一差動電感。例如，線圈120包含端點P1-1、端點P1-2以及端點P1-3。端點P1-1以及端點P1-2可輸出（或接收）一組差動訊號。於一些實施例中，端點P1-3為端點P1-1與端點P1-2之間的一中間端點。換言之，端點P1-1至端點P1-3之間的走線長度實質上相同於端點P1-2至端點P1-3之間的走線長度。於一些實施例中，端點P1-3可用以接收一共模電壓（例如為交流地電壓）。於一些實施例中，端點P1-3可操作為中心抽頭（center tap）端點。

類似地，線圈140包含端點P2-1、端點P2-2以及端點P2-3。端點P2-1以及端點P2-2可輸出（或接收）一組差動訊號。於一些實施例中，端點P2-3為端點P2-1與端點P2-2之間的一中間端點。換言之，端點P2-1至端點P2-3之間的走線長度實質上相同於端點P2-2至端點P2-3之間的走線長度。於一些實施例中，端點P2-3可用以接收一共模電壓（例如為交流地電壓）。於一些實施例中，端點P2-3可操作為中心抽頭點。

於一些實施例中，端點P2-3位於端點P1-1以及端點P1-2之間的一中間位置。例如，端點P1-1以及端點P1-2之間的中間位置存在參考線A-A'，且端點P2-3位於參考線A-A'上。類似地，端點P1-3位於端點P2-1以及端點P2-2之間的一中間位置。例如，端點P2-1以及端點P2-2之間的中間位置存在參考線B-B'，且端點P3-1位於該參考線B-B'上。於一些實施例中，線圈120以及線圈140之間存在參考線S-S'，使得線圈120以及線圈140相對於參考線S-S'實質上為鏡像對稱。應當理解，參考線S-S'實質上位於線圈120以及線圈140之間的中間位置，且參考線A-A'、參考線B-B'與參考線S-S'並非變壓器裝置100中之實體元件。

線圈160可為一平面式電感，其可用於耦合線圈120以及線圈140。如圖1C所示，線圈160包含多個線段L3（以橫條紋表示）以及多個連接部CP3（以點狀表示）。多個線段L3經由多個連接部CP3相互連接，以形成具有兩圈的一環形結構。例如，部分連接部CP3的兩端分別設置有至少一導孔，以耦接連接部CP3至對應的線段L3。線圈160可設置為（但不限於）單端訊號（single-ended signaling）應用。例如，線圈160包含端點P3-1以及端點P3-2。端點P3-1可接收一單端訊號，且端點P3-2可接收一直流電壓（例如為共模電壓或是地電壓），其中端點P3-2可由一個連接部CP3形成。於一些實施例中，線圈160的環形結構相對於參考線S-S'實質上為鏡像對稱。換言之，如圖1A所示，變壓器裝置100實質上具有一雙邊對稱的結構。

如圖1B以及圖1C所示，於一些實施例中，多個線段L1、多個線段L2以及多個線段L3可由第一金屬層實施，連接部CP1、多個連接部CP2以及多個連接部CP3可由第二金屬層實施，且第一金屬層不同於第二金屬層。例如，第一金屬層可為（但不限於）超厚金屬（ultra thick metal, UTM）層，且第二金屬層可為（但不限於）重佈線層（re-distribution layer, RDL）。

一併參照圖1A至圖1C，多個線段L1中的第一部分L11以及多個線段L2中的第二部分L21位於圖1C所示的環形結構之一範圍內。例如，第一部分L11與第二部分L21設置於圖1C中的環形結構之一最內圈與一最外圈之間。第一部分L11位於線圈140的一範圍內，且第二部分L21位於線圈160的一範圍內。藉由上述設置方式，線圈160的環形結構可以耦合線圈120以及線圈140。如此一來，線圈160所接收的訊號可以同時耦合給線圈140以及線圈160，以輸出兩組差動訊號。或是，線圈140以及線圈160所接收的差動訊號可耦合給線圈120，以合成為單一訊號。

於一些實施例中，端點P1-1、端點P1-2、端點P2-1以及端點P2-2皆設置於圖1C中的環形結構之一最外圈之外。詳細而言，端點P1-1、端點P1-2、端點P2-1以及端點P2-2設置於該環形結構之一第一側，端點P3-1以及端點P3-1設置於該環形結構之一第二側（其相對於該第一側）。例如，第一側可為方向+Y之一側，且第二側為方向-Y之一側。上述各個端點之設置方式用於示例，且本案並不以此為限。

多個線段L1可經由連接部CP1自端點P1-1按照順時鐘方向連接至端點P1-2，並跨越環形結構之最外圈三次。例如，自端點P1-1開始，多個線段L1與連接部CP1可依序跨越該環形結構中最右邊的外圈、端點P3-2以及環形結構中最左邊的外圈，以連接至端點P1-2。如圖1A所示，在線圈120中，自端點P1-1至端點P1-2，多個線段L1與連接部CP1依序形成約1/4圈的外圈、約1/4圈的內圈、約1/4圈的外圈以及約1/4圈的內圈。其中該些內圈是沿對角線地設置，且該些外圈是沿對角線地設置。

類似地，多個線段L2可經由多個連接部CP2自端點P2-1按照逆時鐘方向連接至端點P2-2，並跨越環形結構之最外圈三次。例如，自端點P2-1開始，多個線段L2與多個連接部CP2可依序跨越該環形結構中最左邊的外圈、端點P3-1以及該環形結構中最右邊的外圈，以連接至端點P2-2。如圖1A所示，在線圈140中，自端點P2-1至端點P2-2，多個線段L2與多個連接部CP2依序形成約1/4圈的外圈、約1/4圈的內圈、約1/4圈的外圈以及約1/4圈的內圈。其中該些內圈是沿對角線地設置，且該些外圈是沿對角線地設置。

藉由上述設置方式，多個線段L1的第一部分L11以及多個線段L2的第二部分L21可設置於該環形結構的最外圈與最內圈之間。多個線段L1的第一部分L11可位於線圈120的一範圍內。例如，第一部分L11（例如為線圈120中的兩個1/4圈的內圈）皆位於線圈140的外圈之內。多個線段L2的第二部分L21可位於線圈140的一範圍內。例如，第二部分L21（例如為線圈140中的兩個1/4圈的內圈）皆位於線圈120的外圈之內。如此一來，線圈120的線長可以實質相同於線圈140的線長，以輸出兩組更為匹配的差動訊號。

於一些實施例中，如圖1B與圖1C所示，線圈120與線圈140中每一者具有一圈繞組（即前述的2個1/4圈的內圈與2個1/4圈的外圈之組合），且線圈160具有兩圈繞組。因此，線圈160、線圈120以及線圈120之間的一繞組圈數比為2:1:1。應當理解，本案圖式僅用於示例，且本案並不以此為限。線圈120、線圈140以及線圈160中每一者的繞組圈數可視實際需求相應調整。

參照圖2A至圖2C。圖2A為根據本案一些實施例繪製一種變壓器裝置200的示意圖，圖2B為根據本案一些實施例繪製圖2A中的部分線段之示意圖，且圖2C為根據本案一些實施例繪製圖2A中的部分線段之示意圖。相較於圖1A，變壓器裝置200更包含多個線段L4、連接部CP4、多個線段L5、多個連接部CP5以及多個線段L6。為易於說明，變壓器裝置200包含的多個構件分別示於圖2B與圖2C。於一些實施例中，變壓器裝置200可由圖2B的多個線圈120、線圈140、線圈160、多個線段L4、連接部CP4、多個線段L5、多個電容C1～C2以及多個連接部CP5、圖2C中的多個線段L6形成。

如圖2B所示，多個線段L4（以斜條紋表示）與連接部CP4（以點狀表示）實質上設置於多個線段L1與連接部CP1之旁邊。例如，多個線段L4鄰近設置於多個線段L1，並設置於線圈120外。連接部CP4鄰近設置於連接部CP，並用以連接多個線段L4。例如，連接部CP4的兩端設置有至少一導孔，以連接多個線段L4。於一些實施例中，多個線段L1中每一者的線寬d1大於多個線段L4中每一者的線寬d2，但本案並不以此為限。於不同實施例中，線寬d1可大於、等於或小於線寬d2。於一些實施例中，多個線段L4可設置以接收第一預設電壓（例如為系統高電壓）與第二預設電壓（例如為系統低電壓或地電壓）中之一者，且多個線段L1可設置以接收第一預設電壓與第二預設電壓中之另一者。

類似地，多個線段L5與多個連接部CP5實質上設置於多個線段L2與多個連接部CP2之旁邊。例如，多個線段L5鄰近設置於多個線段L2，並設置於線圈140外。多個連接部CP5分別鄰近設置於多個連接部CP2，並用以連接多個線段L5。例如，多個連接部CP5的兩端設置有至少一導孔，以連接多個線段L5。於一些實施例中，多個線段L2中每一者的線寬d3大於多個線段L5中每一者的線寬d4，但本案並不以此為限。於不同實施例中，線寬d3可大於、等於或小於線寬d4。於一些實施例中，多個線段L5可設置以接收前述第一預設電壓與前述第二預設電壓中之一者，且多個線段L2可設置以接收第一預設電壓與第二預設電壓中之另一者。於一些實施例中，多個線段L4與多個線段L5可由前述的UTM層實施，且連接部CP4以及多個連接部CP5可由前述的RDL實施。

如圖2C所示，多個線段L6（以點狀表示）包含第一部分L61以及第二部分L62。第一部分L61耦接於多個線段L4。例如，如圖2B所示，各個線段L4上設置有數個導孔（或至少一個導孔），以耦接線段L4至第一部分L61中之對應線段。第二部分L62耦接於多個線段L5。例如，如圖2B所示，各個線段L5上設置有數個導孔（或至少一個導孔），其用以耦接線段L5至第二部分L62中之對應線段。如圖2A所示，在結合圖2B以及圖2C中的結構後，第一部分L61部分覆蓋於多個線段L4、多個線段L1以及多個線段L3，且第二部分L62部分覆蓋於多個線段L5、多個線段L2以及多個線段L3。

如圖2B所示，於一些實施例中，變壓器裝置200更包含多個電容C1與多個電容C2。為易於說明，圖2A與圖2B中僅示出數個電容C1與數個電容C2之擺放位置，且本案並不以圖2A或圖2B中示出的電容個數為限。多個電容C1沿著多個線段L1與多個線段L4設置並位於多個線段L1與多個線段L4之下方，以耦合多個線段L1與多個線段L4。多個電容C2沿著多個線段L2與多個線段L5設置並位於多個線段L2與多個線段L5之下方，以耦合多個線段L2與多個線段L5。

為易於理解，參照圖2D，圖2D為根據本案一些實施例繪製圖2A或圖2B中的線圈120與線圈140的側面示意圖。為易於理解，圖2D示出1個電容C1與1個電容C2、多個線段L1～L6以及多個連接部CP1～CP2之間的設置方式。電容C1與電容C2位於多個線段L1～L5之一第一側（例如為該些線段L1～L5之下方），且多個線段L6位於多個線段L1～L5之一第二側（例如為該些線段L1～L5之上方）。電容C1位於線段L1與線段L4之下方，以耦合線段L1與線段L4。類似地，電容C2位於線段L2與線段L5之下方，以耦合線段L2與線段L5。於一些實施例中，電容C1與電容C2可為（但不限於）金屬－絕緣體－金屬（metal-insulator-metal, MIM）電容、金屬－氧化物－金屬（metal-oxide-metal, MOM）電容或是由電晶體實施的電容。由於電容C1對交流訊號呈現低阻抗，故當線段L1（或線段L4）接收到交流訊號時，這些交流訊號可經由電容C1所形成的訊號路徑傳給線段L4（或線段L1）。類似地，由於電容C2對交流訊號呈現低阻抗，故當線段L2（或線段L5）接收到交流訊號時，這些交流訊號可經由電容C2所形成的訊號路徑傳給線段L5（或線段L2）換言之，藉由設置多個電容C1與電容C2，可以提高線圈120以及線圈140的交流耦合能力。如此一來，依據實際電路應用，可以增加線圈120以及線圈140的交流訊號傳輸能力，或是增加線圈120以及線圈140的雜訊消除能力。

第一部分L61部分覆蓋於線段L4、線段L1以及線段L3。藉由上述設置方式，第一部分L61與線段L1之間會形成電容C3，以耦合線圈120。第一部分L61與線段L3之間會形成電容C4，以提高線圈120與線圈160之間的耦合。類似地，第二部分L62部分覆蓋於線段L5、線段L2以及線段L3。如此，第二部分L62與線段L2之間會形成電容C5，以耦合線圈140。第二部分L62與線段L3之間會形成電容C6，以提高線圈140與線圈160之間的耦合。如此一來，可以更進一步提升線圈120與線圈140的交流訊號傳輸能力，或是增加線圈120以及線圈140的雜訊消除能力。於另一些實施例中，多個線段L1（與/或多個線段L2）上可設置更多導孔（未示出），以耦接對應的線段L1（與/或對應的線段L2）至對應的線段L6。

圖3為根據本案一些實施例示出圖2A的變壓器裝置200之實驗結果圖。曲線Q1對應於線圈160的品質因數（quality factor），曲線Q2對應於線圈120（或線圈140）的品質因數，曲線M1對應於線圈160的電感值，且曲線M2對應於線圈120（或線圈140）的電感值。當應用於2.5吉兆赫（GHz）時，線圈160的電感值約為2.5857奈亨利（nH），並具有約為12.4831的品質因數。線圈120（或線圈140）的電感值約為0.8199奈亨利（nH），並具有約為9.3953的品質因數。換言之，在圖2A的例子中，線圈160的電感值與線圈120（或線圈140）的電感值之間的比例約為3:1。上述數值僅用於示例，本案並不限於上述數值。

上述多個變壓器裝置的實施方式（例如：繞組圈數、材料、連接端個數、形狀等等）以及多個應用例僅用於示例，且本案並不以上述例子為限。例如，線圈120、線圈140與線圈160的形狀可以為其他多邊形或是圓形。線圈120、線圈140與線圈160的繞組圈數，或是各個線段之間的線距可以依實際需求調整。

綜上所述，本案一些實施例中之變壓器裝置利用三組線圈實施鏡像對稱的電感結構。如此，變壓器裝置可達到更好的線路平衡，以適用於功率合併、平衡至不平衡轉換、不平衡至平衡轉換等等應用。另外，依據不同應用，變壓器裝置更可利用多個電容提升交流訊號耦合能力，或是提升雜訊消除能力。

雖然本案之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本案，本技術領域具有通常知識者可依據本案之明示或隱含之內容對本案之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本案所尋求之專利保護範疇，換言之，本案之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。

100, 200:變壓器裝置 120, 140, 160:線圈 A-A', B-B', S-S':參考線 C1~C6:電容 CP1, CP2, CP3, CP4, CP5:連接部 d1~d4:線寬 L1, L2, L3, L4, L5, L6:線段 L11, L61:第一部分 L21, L62:第二部分 M1, M2, Q1, Q2:曲線 P1-1, P1-2, P1-3, P2-1, P2-2, P2-3, P3-1, P3-2:端點 RDL:重佈線層 UTM:超厚金屬層 +Y, -Y:方向

［圖1A］為根據本案一些實施例示出一種變壓器裝置的示意圖；［圖1B］為根據本案一些實施例繪製圖1A中的兩個線圈之示意圖；［圖1C］為根據本案一些實施例繪製圖1A中的線圈之示意圖；［圖2A］為根據本案一些實施例繪製一種變壓器裝置的示意圖；［圖2B］為根據本案一些實施例繪製圖2A中的部分線段之示意圖；［圖2C］為根據本案一些實施例繪製圖2A中的部分線段之示意圖；［圖2D］為根據本案一些實施例繪製沿著圖2A或圖2B中的多個線圈之側面示意圖；以及［圖3］為根據本案一些實施例示出圖2A的變壓器裝置之實驗結果圖。

100:變壓器裝置

120,140,160:線圈

A-A',B-B',S-S':參考線

CP1,CP2,CP3:連接部

L1,L2,L3:線段

L11:第一部分

L21:第二部分

P1-1,P1-2,P1-3,P2-1,P2-2,P2-3,P3-1,P3-2:端點

RDL:重佈線層

UTM:超厚金屬層

+Y,-Y:方向

Claims

一種變壓器裝置，包含：一第一線圈，包含複數個第一線段與一第一連接部，其中該些第一線段經由該第一連接部相互連接；一第二線圈，包含複數個第二線段與複數個第二連接部，其中該些第二線段經由該些第二連接部相互連接；以及一第三線圈，包含複數個第三線段與複數個第三連接部，其中該些第三線段經由該些第三連接部形成一環形結構，以耦合該第一線圈與該第二線圈，其中該些第一線段中的一第一部分與該些第二線段中的一第二部分位於該環形結構之一範圍內，該些第一線段中的該第一部分位於該第二線圈之一範圍，且該些第一線段中的該第二部分位於該第一線圈之一範圍。
如請求項1之變壓器裝置，其中該些第一線段、該些第二線段以及該些第三線段由一第一金屬層實施，該第一連接部、該些第二連接部與該些第三連接部由一第二金屬層實施，且該第一金屬層不同於該第二金屬層。
如請求項1之變壓器裝置，其中該些第一線段的該第一部分與該些第二線段的該第二部分設置於該環形結構的一最內圈與一最外圈之間。
如請求項1之變壓器裝置，其中該第一線圈包含一第一端點與一第二端點，該第一端點與該第二端點設置於該環形結構的一最外圈之外，且該些第一線段經由該第一連接部自該第一端點按照一順時鐘方向連接至該第二端點，並跨越該最外圈三次。
如請求項4之變壓器裝置，其中該第二線圈包含一中間端點，且該中間端點位於該第一端點與該第二端點之間的一中間位置。
如請求項1之變壓器裝置，其中該第二線圈包含一第一端點與一第二端點，該第一端點與該第二端點設置於該環形結構的一最外圈之外，且該些第二線段經由該第二連接部自該第一端點按照一逆時鐘方向連接至該第二端點，並跨越該最外圈三次。
如請求項1之變壓器裝置，更包含：複數個第四線段，鄰近設置於該些第一線段，並設置於該第一線圈外；複數個第一電容，設置於該些第一線段與該些第二線段之一第一側，並用以耦合該些第一線段與該些第四線段；一第四連接部，鄰近設置於該第一連接部，並用以連接該些第四線段；複數個第五線段，鄰近設置於該些第二線段，並設置於該第二線圈外；複數個第二電容，設置於該些第一線段與該些第二線段之一第二側，並用以耦合該些第二線段與該些第五線段；複數個第五連接部，用以連接該些第四線段；以及複數個第六線段，設置於該些第一線段與該些第二線段之該第一側，其中該些第六線段中的一第一部分耦接於該些第四線段，並部分覆蓋於該些第一線段，且該些第六線段中的一第二部分耦接於該些第五線段，並部分覆蓋於該些第二線段。
如請求項7之變壓器裝置，其中該些第六線段中的該第一部分與該些第一線段用以形成一第三電容，以耦合該第一線圈。
如請求項7之變壓器裝置，其中該些第六線段中的該第二部分與該些第二線段用以形成一第四電容，以耦合該第二線圈。
如請求項7之變壓器裝置，其中該第一側與該第二側為該些第一線段與該些第二線段的相對兩側。