TW202333466A - 用於混合電容器及電感器之數位隔離器架構 - Google Patents
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Abstract
通常，所揭示之一個態樣可具一裝置之特徵，該裝置包括：一接收器，其包括一接收器電感器-電容器(LC)槽；一發射器，其包括一振盪器；及電耦合在該發射器之一輸出與該接收器之一輸入之間的一電容隔離障壁。
Description
所揭示之技術大體上係關於電子資料通信，且更特定言之，一些實施例係關於跨一電流隔離障壁之電子資料通信。
通常，所揭示之一個態樣可具一裝置之特徵，該裝置包括：一接收器，其包括一接收器電感器-電容器(LC)槽；一發射器，其包括一振盪器；及電耦合在該發射器之一輸出與該接收器之一輸入之間的一電容隔離障壁。
裝置之實施例可包含以下特徵之一或多者。在一些實施例中，該振盪器經調諧至該LC槽之一諧振頻率。在一些實施例中，該接收器LC槽包括：具有一中心抽頭之一接收器耦合電感器對。在一些實施例中，該電感器對使用標準CMOS程序實施。在一些實施例中，該發射器發射一關注信號；且具有一中心抽頭之該接收器耦合電感器對經組態以抵消任何共模信號，而不衰減該關注信號。
在一些實施例中，該接收器包括一差分接收放大器。在一些實施例中，具有該中心抽頭之該接收器耦合電感器對電耦合在該差分接收放大器之差分輸入之間。在一些實施例中，該電容隔離障壁包括：電耦合至該差分接收放大器之一第一輸入之一第一電容器；及電耦合至該差分接收放大器之一第二輸入之一第二電容器。一些實施例包括耦合至該差分接收放大器之一第一差分輸入之一第一可調諧電容器；及耦合至該差分接收放大器之一第二差分輸入之一第二可調諧電容器。
在一些實施例中，該發射器包括一差分發射驅動器。在一些實施例中，該振盪器電耦合在該發射器之一輸入與該差分發射驅動器之輸入之間。在一些實施例中，該振盪器藉由一第一電容器電耦合至該差分發射驅動器之一第一輸入；且該振盪器藉由一第二電容器電耦合至該差分發射驅動器之一第二輸入。在一些實施例中，該電容隔離障壁包括：電耦合至該差分發射驅動器之一第一輸出之一第一電容器；及電耦合至該差分發射驅動器之一第二輸出之一第二電容器。
在一些實施例中，該發射器進一步包括一發射器LC槽，其中該發射器LC槽經調諧至該接收器LC槽之該諧振頻率。在一些實施例中，該發射器LC槽包括具有與該接收器LC槽分離之一第二中心抽頭之一發射器耦合電感器對。在一些實施例中，該電感器對使用標準CMOS程序實施。在一些實施例中，該發射器包括一差分發射驅動器；且具有該第二中心抽頭之該發射器耦合電感器對電耦合在該差分發射驅動器之差分輸出之間。在一些實施例中，一第一可調諧電容器耦合至該差分發射驅動器之一第一差分輸出；及耦合至該差分發射驅動器之一第二差分輸出之一第二可調諧電容器。
在一些實施例中，該發射器及接收器藉由調變該發射器處可用之一載波來採用開關鍵控通信。一些實施例包括：一第二接收器，其包括一第二接收器LC槽；一第二發射器，其包括一第二振盪器，其中該第二振盪器經調諧至該第二接收器LC槽之一諧振頻率，且其中該第二接收器LC槽之該諧振頻率不同於該發射器LC槽之該諧振頻率；及電耦合在該第二發射器之一輸出與該第二接收器之一輸入之間的一第二電容隔離障壁。
相關申請案之交叉參考
本申請案主張2022年1月21日申請之美國臨時專利申請案第63/301,719號之優先權利，該申請案題為「用於混合電容器及電感器之數位隔離器架構」，其揭示之全文以引用之方式併入本文中。
在諸如工業、汽車、再生能源及醫療設備之許多應用中，需要在兩個電域之間提供電流隔離，同時在電域之間交換資訊。此等方法通常採用一載波信號之開關鍵控(OOK)來跨一電流隔離障壁交換資訊。OOK信號在圖1中繪示，其中一輸入信號TX IN及對應輸出信號RX OUT為方波。輸入信號TX IN OOK調變一載波信號CS，用於跨電流隔離障壁發射。存在載波信號CS指示OOK信號之「關」狀態，而缺少載波信號CS指示「開」狀態。接著，載波信號CS在電流隔離障壁之另一側經OOK解調，以產生輸出信號RX OUT。
在一種方法中，光耦合器已用於達成此隔離，其中藉由調變電流障壁一側上之一發光發射器產生一信號，且使用電流障壁另一側上之一光接收器接收光形式之信號。
近年來，此等器件已被基於矽之隔離器替代，該隔離器使用在兩個不同的矽晶片上實施之一發射器器件及一接收器器件，矽晶片被電流隔離。此等解決方案之關鍵要求之一者為允許在發射器與接收器晶片之間存在較大DC及瞬態電壓差。特定言之，即使在兩個晶片(發射器與接收器)之間存在一較大共模電壓變化，大約為10 KV/us至100 KV/us，也不發生信號損壞。此為數位隔離器之一關鍵指標，且通常稱為「共模瞬態抗擾度」(CMTI)。目前，有兩種主要方法來達成跨電流障壁之信號發射：電感及電容。
圖2繪示用於跨電流障壁發射信號之一電感方法。參考圖2，一變壓器202之初級側連接至一發射器204，而變壓器202之次級側連接至一接收器206。在變壓器初級與次級之間之耦合用於感測次級側上之初級信號，且因此達成信號通信。
然而，歸因於在矽上實施及驅動變壓器202之要求，此實施為面積及功率密集型。此方法亦需要專門處理及組裝，以達成良好的效能。此等解決方案主要由擁有其等自有專屬鑄造廠及組裝業務之矽供應商採用。
圖3繪示用於跨電流障壁發射信號之一電容方法。參考圖3，一電容隔離障壁302串聯連接在一發射器304與一接收器306之間。此為目前最常見之基於矽之隔離器的實施方案，但有數個缺點。此實施方案對接收器晶片及發射器晶片兩者上之對地寄生電容敏感。CMTI效能受耦合電容與寄生電容之比之限制。
在發射器304與接收器306之間之電容耦合藉由相同因子衰減關注信號及共模雜訊信號。由於一CMTI事件期間之共模信號約為10 KV至100 KV，且關注信號約為1 V，此進一步限制此等解決方案之CMTI效能。
穩健之信號偵測需要在發射側調變信號，且在接收側解調信號。為避免關注信號在一共模瞬態事件期間被更大的共模信號破壞，解調需要更多時間，且有時需要額外電路來拒絕共模信號。此增加信號延遲，且係對效能之又一進一步限制。
圖4為根據所揭示技術之一些實施例之一基於混合電容器及電感器之數位隔離器電路400的一電路方塊圖。參考圖4，電路400包含串聯連接在一發射器404與一接收器406之間之一電容隔離障壁402。發射器404可包含一可調諧振盪器408及一發射(TX)驅動器410，兩者耦合至一輸入信號TX IN。發射驅動器410可為差分的，且振盪器408可耦合至差分TX驅動器410之差分輸入，舉例而言，藉由電容器C7及C8。發射器404可包含輸出電容器C1及C2。
接收器406可包含一LC槽410及提供一輸出信號RX OUT之一接收(RX)放大器412。接收器406可包含輸入電容器C3及C4。接收放大器412可為差分的。LC槽410可包含耦合在接收放大器412之差分輸入之間的一電感器L1。電感器L1可為具有一中心抽頭CT之一成對電感器。LC槽410可包含兩個可調諧電容器C5及C6，各電容器耦合至接收器放大器412之差分輸入之一者。
振盪器408可在工廠調諧至LC槽410之諧振頻率。關注之差分信號可藉由LC槽410放大。LC槽410中之成對電感器可以抵消穿過其等之共模信號而不衰減關注之差模信號的一方式耦合。與關注之差分信號比較，此導致不期望之共模瞬態信號之一衰減。此等特徵之組合可根本上改良在關注之差分信號與要拒絕之共模信號之間的信雜比，因此根本上改良可達成之CMTI。為電感器之完美耦合，共模信號將降低至零，而不對差分信號產生任何影響。因為電路400抵消共模瞬態信號，所以不需要分配額外時間或電路來拒絕共模信號。此改良延遲。電感器L1對損耗不太敏感，且可使用標準CMOS程序實施。此容許使用商用第三方矽鑄造廠程序及標準組裝技術來實施此等晶片。圖4之基於混合電容器及電感器之數位隔離器電路400同時達成一高CMTI及低延遲兩者。
在一些實施例中，可在發射器404中實施一額外LC槽。圖5為根據所揭示技術之一些實施例之基於一混合電容器及電感器之數位隔離器電路500的一電路方塊圖，該電路在發射器及接收器兩者中具有LC槽。參考圖5，電路500類似於電路400，但在發射器404上增加一LC槽510。LC槽510可包含耦合在發射驅動器410之差分輸出之間的一電感器L2。電感器L2可為具有一中心抽頭CT之一成對電感器。LC槽410可包含兩個可調諧電容器C9及C10，各電容器耦合至發射驅動器410之差分輸出之一者。第二LC槽510可經調諧至第一LC槽410之諧振頻率。此配置可將CMTI進一步改良兩倍。
在一些實施例中，基於一多通道混合電容器及電感器之數位隔離器電路包含複數個揭示之基於混合電容器及電感器之數位隔離器電路。圖6描繪根據所揭示技術之一些實施例之一個此電路600。參考圖6，電路600包含N個隔離器電路400A至400N。隔離器電路400A至400N之各者可如參考圖4所描述實施。在一些實施例中，隔離器電路400A至400N之各者可如參考圖5所描述實施。隔離器電路400A至400N之各者可經調諧至一不同的頻率，以增加在通道之間串擾的免疫力。在一些實施例中，隔離器電路400A至400N之一或多者可共用一振盪器。
圖7繪示根據所揭示技術之一些實施例之具有一中心抽頭的一成對電感器。參考圖7，電感器可包含將一對輸入P及N連接至一共同抽頭CT之兩條跡線。各跡線可包含頂部金屬層706及頂部1金屬層708。一跡線中之頂部金屬層706可藉由複數個通孔702連接至該跡線中之頂部1層708。電感器可被金屬結構704圍繞，金屬結構704減少電感器至鄰近電結構之磁耦合。
如本文使用，可利用任何形式之硬體或硬體及軟體之一組合來實施一電路。舉例而言，可實施一或多個處理器、控制器、ASIC、PLA、PAL、CPLD、FPGA、邏輯組件、軟體常式或其他機制來組成一電路。在實施方案中，本文描述之各種電路可實施為斷續電路，或所描述之功能及特徵可在一或多個電路之間部分或全部共用。即使各種特徵或功能元件可個別描述或要求為不同的電路，此等特徵及功能可在一或多個共同電路之間共用，且此描述不應要求或暗示需要不同的電路來實施此等特徵或功能。
如本文使用，術語「或」可解釋為包含或排除之含義。此外，單數形式之資源、操作或結構之描述不應暸解為排除複數形式。除非另有明確規定，或在所使用之上下文中以其他方式暸解，否則條件語言，諸如「可」、「可」、「可」或「可」，通常旨在傳達某些實施例包含某些特徵、元件及/或步驟，而其他實施例不包含。
除非另有明文規定，否則此文件中使用之術語及片語及其變動應解釋為開放式，而非限制性。諸如「習知」、「傳統」、「正常」、「標準」、「已知」之形容詞及類似意謂之術語不應被解釋為將所描述之物項限制至一給定時段或限制至在一給定時間可用之一物項，但替代性地，應暸解為包含現在或將來任何時間可用或已知之習知、傳統、正常或標準技術。在一些情況下，存在諸如「一或多者」、「至少」、「但不限於」或其他類似片語之擴充詞語及片語，不應暸解為意謂在可缺少此等擴充片語之情況下，旨在或需要更窄的情況。
為說明及描述之目的，已提供本發明之前述描述。其並非旨在詳盡或將本發明限制於所揭示之精確形式。本發明之廣度及範疇不應受到任何上述例示性實施例之限制。許多修改及變動對於熟悉此項技術者來說顯而易見。修改及變動包含所揭示特徵之任何相關組合。選擇及描述實施例係為了最好解釋本發明之原理及其實際應用，藉此使其他熟悉此項技術者能夠暸解本發明之各種實施例及適合於預期之特定用途的各種修改。本發明之範疇旨在藉由隨附發明申請專利範圍及其等等同物來界定。
202:變壓器
204:發射器
206:接收器
302:電容隔離障壁
304:發射器
306:接收器
400:電路
400A,400N:隔離器電路
402:電容隔離障壁
404:發射器
406:接收器
408:振盪器
410:發射(TX)驅動器/電感器-電容器(LC)槽
410A:發射(TX)驅動器
412:接收(RX)放大器
500:電路
510:電感器-電容器(LC)槽
702:通孔
704:金屬結構
706:頂部金屬層
708:頂部1金屬層
C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10:電容器
L,L1,L2:電感器
根據一或多個各種實施例，參考以下圖詳細描述本發明。提供該等圖僅用於說明目的，且僅描繪典型或實例實施例。
圖1繪示一載波信號之開關鍵控(OOK)，以跨一電流隔離障壁交換資訊。
圖2繪示用於跨電流障壁發射信號之一電感方法。
圖3繪示用於跨電流障壁發射信號之一電容方法。
圖4為根據所揭示技術之一些實施例之基於一混合電容器及電感器之數位隔離器電路的一電路方塊圖。
圖5為根據所揭示技術之一些實施例之基於一混合電容器及電感器之數位隔離器電路的一電路方塊圖，該電路在發射器及接收器兩者中具有LC槽。
圖6描繪一多通道基於混合電容器及電感器之數位隔離器電路，其包含根據所揭示技術之一些實施例之複數個所揭示之基於混合電容器及電感器的數位隔離器電路。
圖7繪示根據所揭示技術之一些實施例之具有一中心抽頭的一成對電感器。
該等圖並不詳盡，且不將本發明限制於所揭示之精確形式。
400:電路
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404:發射器
406:接收器
408:振盪器
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Claims (20)
- 一種裝置，其包括： 一接收器，其包括一接收器電感器-電容器(LC)槽； 一發射器，其包括一振盪器；及 一電容隔離障壁，其電耦合在該發射器之一輸出與該接收器之一輸入之間。
- 如請求項1之裝置，其中： 該振盪器經調諧至該LC槽之一諧振頻率。
- 如請求項1之裝置，其中，該接收器LC槽包括： 具有一中心抽頭之一接收器耦合電感器對。
- 如請求項3之裝置，其中，該電感器對使用標準CMOS程序實施。
- 如請求項3之裝置，其中： 該發射器發射一關注信號；且 具有一中心抽頭之該接收器耦合電感器對經組態以抵消任何共模信號，而不衰減該關注信號。
- 如請求項3之裝置，其中： 該接收器包括一差分接收放大器。
- 如請求項6之裝置，其中： 具有該中心抽頭之該接收器耦合電感器對電耦合在該差分接收放大器之差分輸入之間。
- 如請求項6之裝置，其中，該電容隔離障壁包括： 一第一電容器，其電耦合至該差分接收放大器之一第一輸入；及 一第二電容器，其電耦合至該差分接收放大器之一第二輸入。
- 如請求項6之裝置，其進一步包括： 一第一可調諧電容器，其耦合至該差分接收放大器之一第一差分輸入；及 一第二可調諧電容器，其耦合至該差分接收放大器之一第二差分輸入。
- 如請求項1之裝置，其中： 該發射器包括一差分發射驅動器。
- 如請求項10之裝置，其中： 該振盪器電耦合在該發射器之一輸入與該差分發射驅動器之輸入之間。
- 如請求項10之裝置，其中： 該振盪器藉由一第一電容器電耦合至該差分發射驅動器之一第一輸入；且 該振盪器藉由一第二電容器電耦合至該差分發射驅動器之一第二輸入。
- 如請求項10之裝置，其中，該電容隔離障壁包括： 一第一電容器，其電耦合至該差分發射驅動器之一第一輸出；及 一第二電容器，其電耦合至該差分發射驅動器之一第二輸出。
- 如請求項2之裝置，其中： 該發射器進一步包括一發射器LC槽，其中該發射器LC槽經調諧至該接收器LC槽之該諧振頻率。
- 如請求項14之裝置，其中： 該發射器LC槽包括具有與該接收器LC槽分離之一第二中心抽頭之一發射器耦合電感器對。
- 如請求項15之裝置，其中該電感器對使用標準CMOS程序實施。
- 如請求項15之裝置，其中： 該發射器包括一差分發射驅動器；且 具有該第二中心抽頭之該發射器耦合電感器對電耦合在該差分發射驅動器之差分輸出之間。
- 如請求項10之裝置，其進一步包括： 一第一可調諧電容器，其耦合至該差分發射驅動器之一第一差分輸出；及 一第二可調諧電容器，其耦合至該差分發射驅動器之一第二差分輸出。
- 如請求項1之裝置，其中： 該發射器及接收器藉由調變該發射器處可用之一載波來採用開關鍵控通信。
- 如請求項1之裝置，其進一步包括： 一第二接收器，其包括一第二接收器LC槽； 一第二發射器，其包括一第二振盪器，其中該第二振盪器經調諧至該第二接收器LC槽之一諧振頻率，且其中該第二接收器LC槽之該諧振頻率不同於該發射器LC槽之該諧振頻率；及 一第二電容隔離障壁，其電耦合在該第二發射器之一輸出與該第二接收器之一輸入之間。
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