TWI536405B - 變壓器電路及其製作方法 - Google Patents

Description

變壓器電路及其製作方法

本發明是一種應用於通訊系統中之射頻功率放大器電路的變壓器，特別是一種具有低電流電阻壓降效應和寬頻的變壓器電路。

隨著通訊產業蓬勃發展，數據傳輸速率要求不斷提升，使得4G (fourth-generation) 的 LTE（long-term evolution，簡稱LTE）技術逐漸開始普及。然而，因LTE技術所支援的操作頻帶數目遠大於習知的2G (second-generation) 通訊技術，故通訊裝置亦須提升以支援多個操作頻帶。

習知為提升通訊裝置以支援多個操作頻帶，是利用多個單頻帶之功率放大器（Power Amplifier）來支援不同的操作頻帶。而於功率放大器中，長期以來所著重之規格為變壓器電路之轉換效率，但卻忽略變壓器電路本身的電流電阻壓降效應（IR-drop Impact）才是造成功率放大器模組本身效率下降的主因。此外，隨著現今互補式金屬氧化物半導體（CMOS）製程技術演進，電晶體尺寸不斷縮小，但晶片的單位面積之所需價格卻急遽增加。而由於功率放大器之功率結合多使用磁性耦合的被動元件組成，此於先進的CMOS製程技術（例如：90奈米製程）之面積減縮有限，但所需價格卻是大幅增加。因此，功率結合的被動元件或變壓器面積要小巧，才能降低成本。

有鑑於此，本發明之其中一概念為一種變壓器電路，包含複數輸入模組與複數輸出模組。各輸入模組分別包含第一初級線圈與第二初級線圈，其中各第一初級線圈具有輸入正端與輸入負端，且第二初級線圈亦具有輸入正端與輸入負端。各輸入模組的第一初級線圈與第二初級線圈彼此電感耦合。各輸出模組則分別包含一次級線圈，其中各次級線圈之第一端電性連接至第一輸出端，且各次級線圈之第二端電性連接至第二輸出端。各輸入模組之第一初級線圈與第二初級線圈電感耦合至對應之各輸出模組之次級線圈。

本發明之其中一概念為一種變壓器電路的製作方法，包含：成對設置複數初級線圈以使成對設置之二初級線圈彼此電感耦合；連接複數次級線圈之第一端至第一輸出端，並連接此些次級線圈之第二端至第二輸出端；以及使所有成對設置之二初級線圈電感耦合至對應之各次級線圈。

綜上，依據本發明一實施例之變壓器電路及其製作方法利用一種耦合主電感架構產生額外電感耦合來增加等效電感值以換取具有較寬頻的效果，其匹配路徑將行經於史密斯圖（Smith Chart）的低品質因子(Q)曲線。並搭配佈局耦合技巧，將各輸入模組之初級線圈以一種耦合L型態樣之繞線佈局的方式來實現，以增加一次側的等效電感值，且將所有輸出模組之電感以彼此間鄰環繞如同漩渦狀之繞線佈局來實現，以增加二次側的等效電感值。因此，本發明一實施例之變壓器藉由佈局耦合技巧，除可提升整體等效電感值來達到寬頻匹配之訴求外，相較於習知的繞線佈局方式更可大幅縮小變壓器電路所需繞線長度及面積，並進而降低變壓器電路整體的電流電阻壓降效應。

以下在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者瞭解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。

請參閱第1圖，為本發明一實施例之變壓器電路的概要示意圖，揭露一變壓器電路1包含複數輸入模組與複數輸出模組。以下以二輸入模組11、12與二輸出模組13、14為例進行說明，然輸入模組與輸出模組之數量端視實際使用需求而定。此外，在本實施例中，複數輸入模組11、12可稱為變壓器電路1的一次側，而複數輸出模組13、14則可稱為變壓器電路1的二次側。

因此，在變壓器電路1的一次側，各輸入模組11、12分別包含二初級線圈L _p，且各初級線圈L _p分別具有輸入正端（以“+”表示）與輸入負端（以“-”表示）並分別電性連接至對應之前級電路（圖未示），以接收來自前級電路（圖未示）之輸入訊號並依據輸入訊號產生初級線圈電流I _P。於此，所述之前級電路可為功率放大器，然本發明並不以此為限。

各輸入模組11、12之二初級線圈L _p分別包含中心抽頭端（圖未示），且此中心抽頭端可電性連接至一電源電壓。其中，此中心抽頭端可電性連接至一定電壓源以作為電源電壓之來源，然而，此中心抽頭端亦可電性連接至其他電路來作為電源電壓之來源。

在一些實施例中，各輸入模組11、12內的二初級線圈L _P彼此電感耦合M’，以增加等效電感值，來達到寬頻匹配所需的高電感值。

在變壓器電路1的二次側，各輸出模組13、14則分別包含一次級線圈L _S。其中，各輸出模組13、14之次級線圈L _S的第一端電性連接至第一輸出端V _O1，且輸出模組13、14之次級線圈L _S的第二端電性連接至第二輸出端V _O2，故各輸出模組13、14之次級線圈L _S是以並聯的形式於二次側結合。

在一些實施例中，第二輸出端V _O2可連接至地或另一電路。

又，各輸入模組11、12之二初級線圈L _P對應於各輸出模組13、14之次級線圈L _S之設置，以使得各輸入模組11、12之二初級線圈L _P分別電感耦合M至對應之輸出模組13、14之次級線圈L _S，進而促使輸出模組13、14之次級線圈L _S產生同相的次級線圈感應電流I _S。由於各輸出模組13、14於二次側是以並聯之形式結合，故各輸出模組13、14之次級線圈L _S的次級線圈感應電流I _S是於二次側相加之後才輸出至第一輸出端V _O1或第二輸出端V _O2。於此，因是以二輸出模組13、14為例，故第一輸出端V _O1或第二輸出端V _O2所輸出之電流即為次級線圈L _S之次級線圈感應電流I _S的兩倍。

如前所述，本發明之一實施例為達到寬頻之特性，利用各輸入模組11、12內的二初級線圈L _P彼此電感耦合M’，以增加等效電感值來達到寬頻匹配。然而，於電路佈局時若採用習知的長條形、方形等態樣之繞線佈局方式來達到所需之等效電感值，其耗費之佈局長度、面積將過大，並存有嚴重的電流電阻壓降效應之問題。因此，本發明一實施例之變壓器電路之一次側的各輸入模組11、12是採用一種耦合L型之繞線佈局方式進行佈局，以使各輸入模組11、12內的二初級線圈L _P可產生額外電感耦合來增加一次側之等效電感值，且可大幅縮減各輸入模組11、12之二初級線圈L _P所需之繞線佈局長度，進而減小佈局面積並降低電流電阻壓降效應。

請參閱第2圖，為第1圖中的其中一輸入模組採用耦合L型態樣之繞線佈局的概要示意圖。輸入模組11包含二初級線圈（以下，分別稱之為第一初級線圈111與第二初級線圈112），於輸入模組11之繞線佈局中，第一初級線圈111的繞線佈局包含第一走線1111與第二走線1112，且第二初級線圈112的繞線佈局亦包含第一走線1121與第二走線1122。

第一初級線圈111之繞線佈局的第一走線1111之一端是連接於其第二走線1112之一端而與其第二走線1112相互垂直。因此，第一初級線圈111之繞線佈局大致上是呈現L型態樣。同樣地，第二初級線圈112之繞線佈局的第一走線1121之一端是連接於其第二走線1122之一端而與其第二走線1122相互垂直。因此，第二初級線圈112之繞線佈局大致上等同於第一初級線圈111之繞線佈局，而亦呈現L型態樣。

此外，第一初級線圈111之繞線佈局的第一走線1111大致上平行且鄰近於第二初級線圈112之繞線佈局的第一走線1121，第一初級線圈之繞線佈局的第二走線1112大致上平行且鄰近於第二初級線圈112之繞線佈局的第二走線1122，且第一初級線圈111之繞線佈局的第一走線1111垂直通過第二初級線圈112之繞線佈局的第二走線1122而與第二初級線圈112之繞線佈局的第二走線1122相交會，因而構成本發明之耦合L型態樣的繞線佈局。

於此，輸入模組11藉由第一初級線圈111之繞線佈局與第二初級線圈112之繞線佈局彼此緊密相鄰來產生額外的電感耦合M’，以增加等效的電感值。

在一些實施例中，第一初級線圈111之繞線佈局與第二初級線圈112之繞線佈局是佈局於同一層的金屬，且第一初級線圈111之繞線佈局與第二初級線圈112之繞線佈局的交會處即為其中心抽頭端CT1，可電性連接至電源電壓。

請參閱第3圖，為第1圖中之複數輸入模組採用耦合L型態樣之繞線佈局的概要示意圖。輸入模組12之二初級線圈121、122亦是以如前述之耦合L型態樣之繞線佈局方式進行佈局，故輸入模組12之繞線佈局大致上等同於輸入模組11之繞線佈局，其詳細態樣於此便不再贅述。

因此，在一取得同樣大小的等效電感值的情形下，複數輸入模組11、12採用耦合L型態樣之繞線佈局的方式佈局相較於採用習知之繞線佈局的方式佈局，更能大幅縮減繞線長度與佈局面積，進而降低所需之成本。

請參閱第4圖，為第1圖中之複數輸出模組之繞線佈局的概要示意圖。各輸出模組13、14之次級線圈L _S是佈局於同一金屬層，且各次級線圈L _S的第一端N1至第二端N2是互相間隔且螺旋環繞。於此，此些次級線圈L _S呈現多圈之結構，其繞線佈局呈現的態樣如同漩渦，彼此一圈一圈交錯緊靠來增加等效電感值。

在一些實施例中，輸出模組13、14之次級線圈L _S是佈局於一第一金屬層（以虛線表示者）且是以同一點為中心而互相對稱地螺旋環繞。因此，各次級線圈L _S之第一端N1彼此相對，且可經由穿孔（Via）（以填充線表示者）連通至一第二金屬層（以實線表示者）而共同連接並電性連接至第一輸出端V _O1，然本發明並不以此為限，各次級線圈L _S之繞線佈局的第一端N1亦可直接彼此連接而不需透過穿孔（Via）至第二金屬層再作連接。

又，各次級線圈L _S之第二端N2可經由穿孔（Via）連通至第二金屬層跨過各次級線圈L _S於第一金屬層之繞線佈局後，再經由穿孔（Via）連通至第一金屬層並往中心處延伸而共同連通並電性連接至第二輸出端V _O2，然本發明並不以此為限，各次級線圈L _S之繞線佈局的第二端N2亦可直接分別電性連接至第二輸出端V _O2。

在一些實施例中，第二輸出端V _O2是電性連接至地。

此外，各次級線圈L _S之繞線佈局於轉向時是以大致上45度或更小之角度之繞線作轉折，來減少傳輸反射。

請參閱第5圖，為本發明一實施例之變壓器電路之繞線佈局的概要示意圖。本發明之變壓器電路1僅需使用二金屬層（以下分別稱之為第一金屬層與第二金屬層）佈局。在本實施例之繞線佈局中，複數輸出模組13、14佈局於第一金屬層（以虛線表示者），而複數輸入模組11、12相對於此些佈局輸出模組13、14之繞線佈局而對稱分佈於不同於第一金屬層的第二金屬層（以實線表示者）。

於此，以複數輸入模組11、12所在之第二金屬層疊放在複數輸出模組13、14所在之第一金屬層上，然本發明並不以此為限，即亦可以複數輸出模組13、14所在之第一金屬層疊放在複數輸入模組11、12所在之第二金屬層上。

如第5圖所示，本實施例之變壓器電路1的繞線佈局大致上即為前述如第3圖所示之複數輸入模組的繞線佈局疊放前述如第4圖所示之複數輸出模組的繞線佈局，故於此不再贅述。

請參閱第6圖，為本發明另一實施例之變壓器電路之繞線佈局的概要示意圖。在本實施例中，本發明之變壓器電路1僅利用二不同之金屬層（以下分別稱之為第一金屬層與第二金屬層）來佈局。以下，以四輸入模組佈局於第二金屬層（以虛線表示者）與四輸出模組佈局於第一金屬層（以實線表示者）為例進行說明。

各輸出模組之次級線圈33~36的第一端之繞線佈局拉至中心點處相連，並電性連接至第一輸出端V _O1。此外，各輸出模組之次級線圈33~36的繞線佈局為互相對稱螺旋繞線。於此，各次級線圈33~36的第一端至第二端之繞線佈局皆以同一中心為基準，並分別以概如漩渦形式的環狀繞線佈局而相互緊密繞置，來增加等效電感值。於此，各輸出模組之次級線圈33~36的繞線佈局之樣式為對稱圖形，以使各輸出模組之次級線圈33~36間於製程變異之下的差異相近。

各輸出模組之次級線圈33~36的第二端之繞線佈局可經由穿孔（Via）連通至第二金屬層跨過各次級線圈於第一金屬層之繞線佈局後，再經由穿孔（Via）連通至第一金屬層並往中心處延伸而共同連通並電性連接至第二輸出端V _O2，然本發明並不以此為限，各次級線圈之繞線佈局的第二端亦可直接分別電性連接至第二輸出端V _O2。在一些實施例中，第二輸出端V _O2是電性連接至地。

此外，各輸出模組之次級線圈33~36之繞線佈局於轉向時是以大致上45度或更小之角度之繞線作轉折，來減少傳輸反射。

在本實施例中，各輸入模組之二初級線圈31、32分別是以長條狀（Slab）態樣之繞線佈局方式佈局且彼此繞線鄰近以電感耦合M’來增加等效電感值。於此，各輸入模組分別相對於各輸出模組之次級線圈33~36之繞線佈局呈環狀設置而對稱分佈。

於前述說明中，各輸入模組之初級線圈31、32之繞線佈局彼此平行相鄰，而僅於繞線中央處交會相連接，此繞線交會處可電性連接至電源電壓。於此，繞線交會處即為初級線圈31、32的中心抽頭端CT3。

各輸入模組之初級線圈31、32的繞線佈局是相對於輸出模組之次級線圈33~36的繞線佈局設置（即，初級線圈31、32的繞線堆疊於次級線圈33~36的繞線之上或之下），以將所接收之訊號電感耦合M至輸出模組之次級線圈33~36。

綜上所述 _，根據本發明之變壓器電路及其製作方法，利用耦合主電感架構使複數初級線圈間產生額外的電感耦合來增加變壓器電路之一次側的等效電感值以達到較寬頻的匹配效果，且其匹配路徑將行經於史密斯圖（Smith Chart）的低Q曲線。此外，本發明之變壓器電路僅需使用兩層之金屬製成，並利用佈局耦合技巧藉由將各輸入模組之電感以耦合L型或耦合長條狀態樣之繞線佈局的方式來實現，以增加一次側的等效電感值，且將所有輸出模組之電感以彼此對稱螺旋環繞如同漩渦狀之繞線佈局來實現，以增加二次側的等效電感值，進而達到變壓器電路所需之高等效電感值且大幅縮小整體功率結合變壓器電路所需之佈局面積，更降低變壓器電路整體的電流電阻壓降效應，並促使搭配應用本發明一實施例之變壓器電路的功率放大器模組可因電流電阻壓降效應下降而提升整體功率放大器模組之效率。

本發明之技術內容已以較佳實施例揭示如上述，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所做些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明之範疇內，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1              變壓器電路 11、12     輸入模組 111          第一初級線圈 1111        第一走線 1112        第二走線 112          第二初級線圈 1121        第一走線 1122        第二走線 121、122  初級線圈 13、14     輸出模組 31、32     初級線圈 33~36       次級線圈 CT1~CT3  中心抽頭端 I _P初級線圈電流 I _S次級線圈感應電流 L _P初級線圈 L _S次級線圈 M、M’      電感耦合 N1           第一端 N2           第二端 V _O1第一輸出端 V _O2第二輸出端

[第1圖] 為根據本發明一實施例之變壓器電路的概要示意圖。 [第2圖] 為第1圖中的其中一輸入模組採用耦合L型態樣之繞線佈局的概要示意圖。 [第3圖] 為第1圖中之複數輸入模組採用耦合L型態樣之繞線佈局的概要示意圖。 [第4圖] 為第1圖中之複數輸出模組之繞線佈局的概要示意圖。 [第5圖] 為本發明一實施例之變壓器電路之繞線佈局的概要示意圖。 [第6圖] 為本發明另一實施例之變壓器電路之繞線佈局的概要示意圖。

1              變壓器電路 11、12     輸入模組 13、14     輸出模組 IP初級線圈電流 IS次級線圈感應電流 LP初級線圈 LS次級線圈 M、M’      電感耦合 VO1第一輸出端 VO2第二輸出端

Claims (22)

1. 一種變壓器電路，包含： 複數輸入模組，各該輸入模組分別包含一第一初級線圈與一第二初級線圈，該第一初級線圈具有輸入正端與輸入負端，該第二初級線圈具有輸入正端與輸入負端，且該第一初級線圈與該第二初級線圈彼此電感耦合；及 複數輸出模組，各該輸出模組分別包含一次級線圈，各該次級線圈之第一端電性連接至一第一輸出端，且各該次級線圈之第二端電性連接至一第二輸出端，其中各該輸入模組中之該第一初級線圈與該第二初級線圈電感耦合至對應之各該輸出模組之次級線圈。
2. 如請求項1所述之變壓器電路，其中各該輸入模組之該第一初級線圈與該第二初級線圈包含一中心抽頭端。
3. 如請求項1所述之變壓器電路，其中各該輸入模組分別對應於該些輸出模組中之一，以使各該輸出模組之次級線圈所感應的電流於該第一輸出端與該第二輸出端之間同相地相加。
4. 如請求項1所述之變壓器電路，其中該些輸出模組線圈之繞線佈局與該些輸入模組線圈之繞線佈局係位於不同金屬層。
5. 如請求項4所述之變壓器電路，其中各該輸出模組之次級線圈之繞線佈局互相間隔並螺旋環繞。
6. 如請求項5所述之變壓器電路，其中各該輸出模組之次級線圈之繞線佈局係相互對稱且交錯相鄰。
7. 如請求項4至6任一項所述之變壓器電路，其中各該輸入模組中之該第一初級線圈與該第二初級線圈的繞線佈局分別包含： 一第一走線與一第二走線，該第一走線之一端連接於該第二走線之一端而與該第二走線相互垂直。
8. 如請求項7所述之變壓器電路，其中該第一初級線圈之繞線佈局的該第一走線平行於該第二初級線圈之繞線佈局的該第一走線，該第一初級線圈之繞線佈局的該第二走線平行於該第二初級線圈之繞線佈局的該第二走線，該第一初級線圈之繞線佈局的該第一走線交會於該第二初級線圈之繞線佈局的該第二走線。
9. 如請求項7所述之變壓器電路，其中該些輸入模組之繞線佈局係相對於該些輸出模組之繞線佈局而對稱分佈。
10. 如請求項4至6任一項所述之變壓器電路，其中各該輸入模組之該第一初級線圈與該第二初級線圈的繞線佈局係為長條狀且第一初級線圈的繞線佈局相鄰於第二初級線圈的繞線佈局以彼此電感耦合。
11. 如請求項10所述之變壓器電路，其中該些輸入模組的繞線佈局相疊於該些輸出模組之繞線佈局並呈環狀配置，以分別電感耦合至對應之各該輸出模組。
12. 一種變壓器電路的製作方法，包含： 成對設置複數初級線圈，以使成對設置之二該初級線圈彼此電感耦合； 連接複數次級線圈之第一端至一第一輸出端，並連接該些次級線圈之第二端至一第二輸出端；及 使所有成對設置之二該初級線圈電感耦合至對應之各該次級線圈。
13. 如請求項12所述之變壓器電路的製作方法，更包含： 連接各該初級線圈之一中心抽頭端連接至一電源電壓。
14. 如請求項12所述之變壓器電路的製作方法，其中各該次級線圈所感應的電流係於該第一輸出端與該第二輸出端之間同相地相加。
15. 如請求項12所述之變壓器電路的製作方法，其中該些次級線圈所在之金屬層不同於該些初級線圈所在之金屬層。
16. 如請求項15所述之變壓器電路的製作方法，其中該些次級線圈之繞線佈局係以相互間隔且螺旋環繞之方式佈局。
17. 如請求項16所述之變壓器電路的製作方法，其中各該次級線圈之繞線佈局係為相互對稱且交錯相鄰。
18. 如請求項15至17任一項所述之變壓器電路的製作方法，其中各該初級線圈的繞線佈局分別包含一第一走線與一第二走線，該第一走線之一端連接於該第二走線之一端而與該第二走線相互垂直。
19. 如請求項18所述之變壓器電路的製作方法，其中所有成對設置之二該初級線圈的該第一走線彼此平行，且所有成對設置之二該初級線圈的該第二走線彼此平行，其中成對設置之二該初級線圈之一的第一走線交會於另一該初級線圈的第二走線。
20. 如請求項18所述之變壓器電路的製作方法，其中於使所有成對設置之二該初級線圈電感耦合至對應之各該次級線圈之步驟更包括：使該些初級線圈之繞線佈局相疊於該些次級線圈之繞線佈局，其中該些初級線圈之繞線佈局係對稱分佈。
21. 如請求項15至17任一項所述之變壓器電路的製作方法，其中各該初級線圈之繞線佈局為長條狀，且彼此相鄰以電感耦合。
22. 如請求項21所述之變壓器電路的製作方法，其中該些初級線圈的繞線佈局相疊於該些次級線圈之繞線佈局並呈環狀配置，以分別電感耦合至對應之各該次級線圈。