TWI573315B

TWI573315B - 電隔離器電路

Info

Publication number: TWI573315B
Application number: TW105101495A
Authority: TW
Inventors: 張元泰; 莊凱翔
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2016-01-19
Filing date: 2016-01-19
Publication date: 2017-03-01
Also published as: CN106982054A; US20170207655A1; US10044223B2; TW201727992A; JP2017130906A

Description

電隔離器電路

本發明是有關於一種電隔離器電路。

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、訊號隔離器、耦合器或是隔離護欄（isolation barrier）以在不同電壓域的電路之間傳遞訊號，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，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…等問題，因此無法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較為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電路，其利用線圈與磁場感測器並透過磁性耦合（magnetic coupling）來實現電隔離功能。

依照本發明的電隔離器電路一實施例，包括線圈以及磁場感測器。線圈耦接至第一電路。磁場感測器耦接至第二電路，且磁場感測器與線圈相應設置。所述第一電路藉由所述線圈以傳遞磁場訊號至所述磁場感測器。所述磁場感測器將所述磁場訊號轉換為輸出訊號並提供給所述第二電路。

依照本發明的電隔離器電路一實施例，包括第一線圈、第二線圈、第一磁場感測器以及第二磁場感測器。第一線圈及第二線圈耦接傳輸端電路。第一磁場感測器以及第二磁場感測器分別耦接第一接收端電路以及第二接收端電路。第一磁場感測器與所述第一線圈相應設置，且第二磁場感測器與所述第二線圈相應設置。所述傳輸端電路藉由第一線圈及第二線圈以分別傳遞第一磁場訊號以及第二磁場訊號至所述第一磁場感測器與所述第二磁場感測器。第一磁場感測器將所述第一磁場訊號轉換為第一輸出訊號以提供給所述第一接收端電路，且所述第二磁場感測器將所述第二磁場訊號轉換為第二輸出訊號以提供給所述第二接收端電路。

基於上述，依照本發明的實施例所述的電隔離器電路利用線圈與磁場感測器，並透過磁性耦合來實現電隔離器的功能。依照本發明的電隔離器實施例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，依照本發明實施例的電隔離器電路較可使功耗降低、減少訊號失真度、降低製程成本以及封裝成本。並且，此種電隔離器可藉由半導體製程來製作，因此可整合到晶片中。另一方面，可藉由兩組線圈以及兩組磁場感測器來實現電隔離功能，消除共模雜訊且放大差模訊號，抵抗雜訊干擾。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉依照本發明的實施範例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是依照本發明的一種採用電隔離器110的電路100的第一實施例示意圖。電路100主要包括電隔離器110、第一電路120以及第二電路130。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。換句話說，第一電路120屬於第一電壓域VD1，而第二電路130則屬於第二電壓域VD2。電路100還可以包括負載140。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，如此一來便需要電隔離器110來傳遞訊號並隔離電壓域。於本實施例中，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是依照本發明第一實施例的一種採用電隔離器110的電路100的功能方塊圖。請參照圖2，電隔離器110包括線圈210以及磁場感測器220。於本實施例中，磁場感測器220可以利用霍爾感測器（Hall sensor；或稱為，霍爾元件）來實現。第一電路120可包括控制電路230以及傳輸端電路240。控制電路230可產生控制訊號CS。於本實施例中，控制訊號CS是以脈衝寬度調變（Pulse Width Modulation；PWM）訊號來實現，但不限於此。傳輸端電路240耦接至線圈210。傳輸端電路240主要是接收控制訊號CS，並依據該控制訊號以產生傳輸電流I至線圈210，使線圈210產生磁場訊號B。

第二電路130可包括接收端電路250以及輸出級電路260。磁場感測器220會依據磁場訊號B的大小而產生輸出訊號VS。於本實施例中，磁場感測器220可以是霍爾感測器。接收端電路250用以接收輸出訊號VS，並將輸出訊號進行處理，例如放大訊號、對訊號進行濾波…等。輸出級電路260則可依據處理後的輸出訊號SA來判斷是否提供能量給圖1的負載140。於本實施例中，輸出級電路260可以是功率輸出級電路。

圖3是電路100中傳輸端電路240以及接收端電路250的詳細電路圖。圖3中的線圈210、磁場感測器220、控制電路230以及輸出級電路260與圖2中具有相同名稱的各元件相似。傳輸端電路240包括受控電流源310以及電流編碼器320。於本發明實施例中，電流編碼器320用以控制受控電流源310，並將控制訊號CS轉換為傳輸電流I，使線圈210產生磁場訊號B。然而，若是單純地將控制訊號CS（以PWM訊號為舉例）轉換為傳輸電流I，則會使受控電流源310在控制訊號CS致能期間連續不斷地維持傳輸電流I而耗損無謂的電力。

圖4為控制訊號CS、進行編碼前的傳輸電流IO、進行編碼後的傳輸電流IN以及輸出訊號SA的時序圖。請同時參考圖3及圖4，當控制訊號CS位於致能期間T1中時，進行編碼前的傳輸電流IO便會維持其電流量而導致耗損電力。為了節省耗電，本發明實施例的傳輸端電路240可藉由電流編碼器320來依據控制訊號CS的電位轉態部分（如，控制訊號CS從禁能狀態變成致能狀態的期間TC1以及控制訊號CS從致能狀態回到禁能狀態的期間TC2），以藉由控制受控電流源310而在進行編碼後的傳輸電流IN中產生脈衝部分（如，PL1、PL2）。藉此，經由磁場感測器220以及接收端電路250處理後的輸出訊號SA便會產生尖端狀的脈衝，以得知控制訊號CS的狀態轉換時間點。換句話說，電流編碼器320會偵測控制訊號CS在轉態時的邊緣部分，並在偵測到上述邊緣部分時在進行編碼後的傳輸電流IN產生相對應的脈衝部分（如，PL1、PL2），後續的電路（如，輸出級電路260）便可依此來得知控制訊號CS的轉態時間點，達到省電功效。

回到圖3，接收端電路250則主要包括輸出放大器330。輸出放大器330耦接磁場感測器220的兩端。換句話說，此輸出放大器330的正相接收端耦接磁場感測器220的正相輸出端，輸出放大器330的反相接收端則耦接磁場感測器220的反相輸出端。藉此，磁場感測器220便可依據其內建的輸出增益（如，內建增益為A）而將輸出訊號SA適度放大，以利後續的輸出級電路260進行訊號處理。接收端電路250還可包括濾波器、整流器…等，係依據此電路的應用領域以及設計需求而調整。

特別說明的是，本發明實施例的電路100還可以藉由調變以及解調變功能來使控制訊號CS能夠順利傳遞。在圖2及圖3當中，第一電路120中的控制電路230還可以包括調變器（未繪示），而第二電路130中的輸出級電路260則可相應地包括解調器（未繪示）。調變器用以調變控制訊號CS。第一電路120依據已調變之控制訊號CS並藉由線圈210以傳遞磁場訊號B至磁場感測器220。解調器則用以解調變磁場感測器220所產生的輸出訊號SA。然而，由於本發明實施例係採用線圈210以及磁場感測器220之間的磁場感應來進行耦合，此種方式具備較少的雜訊干擾，因此比較不需要使用調變器以及解調器來對控制訊號CS進行傳輸時的保護。

在部分實施例中，為了避免通過單一電隔離器的訊號丟失或受到雜訊干擾，可能會使用兩組電隔離器來傳遞訊號。圖5是依照本發明的一種採用兩組電隔離器510、520的電路500的第二實施例功能方塊圖。電路500主要包括由第一線圈512以及磁場感測器514所組成的電隔離器510以及由第二線圈522以及磁場感測器524所組成的電隔離器520。

此外，電路500還包括傳輸端電路530以及接收端電路540。由於使用兩組電隔離器來傳遞訊號，傳輸端電路530便會包括兩組電流編碼器532、534以及受控電流源536、538。電流編碼器532、534分別接收不同的控制訊號CS1及CS2，並分別控制受控電流源536、538以產生傳輸電流I1以及I2。若控制訊號CS1及CS2兩者相同，則可以僅只有單個電流編碼器來同時控制受控電流源536、538以產生傳輸電流I1以及I2。接收端電路540包括兩個輸出放大器542、544，分別接收並放大磁場感測器514與磁場感測器524的訊號，產生輸出訊號SA1、SA2。

然而，電路500若是受到外來的磁場雜訊的干擾時，磁場感測器514與磁場感測器524會同時受到影響，導致輸出訊號SA1、SA2也可能會失真。為了降低雜訊干擾且同時達到省電需求，本發明實施例透過共模雜訊消除以及差模訊號放大的概念來另外設計電隔離器電路。圖6是依照本發明的一種採用電隔離器電路600的第三實施例功能方塊圖。於圖6中，電隔離器電路600僅使用一組受控電流源636以及電流編碼器632來做為傳輸端電路630。受控電流源636的第一端耦接第一線圈612的第一端，第一線圈612的第二端耦接第二線圈622的第一端，且受控電流源636的第二端耦接第二線圈622的第二端。此外，特別說明的是，本發明實施例係希望讓兩組磁場訊號B1及B2具備訊號差動輸入的功能，因此，本實施例將第一線圈612的纏繞方向與第二線圈622的纏繞方向設計為不同。例如，當第一線圈612的纏繞方向為順時鐘方向時，則第二線圈622的纏繞方向變為逆時鐘方向。藉此，當電流編碼器632控制受控電流源636產生傳輸電流I時，此傳輸電流I會同時流經第一線圈612以及第二線圈622，並同時產生不同相位的磁場訊號B1以及磁場訊號B2。如此一來，電路600便不需要具備兩組電流編碼器以及受控電流源，以節省成本以及電力消耗。

另一方面，電路600的接收端電路640包括第一接收端電路（以第一輸出放大器642為例）以及第二接收端電路（以第二輸出放大器644為例）。特別說明的是，本發明實施例還特別設計第一磁場感測器614、第二磁場感測器624、第一輸出放大器642以及第二輸出放大器644之間的連接關係，使其能夠消除共模雜訊，並放大差模訊號的振幅。詳細來說，第一輸出放大器642的正相接收端將耦接第一磁場感測器614的正相輸出端，第一輸出放大器642的反相接收端則耦接第二磁場感測器624的反相輸出端。另一方面，第二輸出放大器644的正相接收端耦接第一磁場感測器614的反相輸出端，且第二輸出放大器644的反相接收端則耦接第二磁場感測器624的正相輸出端。藉此，由於磁場訊號B1以及B2互為相反相位，因此經過輸出放大器642以及644的運算之後將會放大磁場訊號B1以及B2當中蘊含的控制訊號。相對地，若是發生磁場雜訊干擾時，由於第一磁場感測器614以及第二磁場感測器624將會同時偵測到磁場雜訊，因而經過輸出放大器642以及644的運算之後將會消除此共模雜訊。

於部分實施例中，也可將第一線圈612的纏繞方向與第二線圈622的纏繞方向設計為相同，只是在設計接收端電路640時可將磁場感測器以及後級放大器相互連接的方式略為調整，讓接收端電路640可在後級放大器處具備訊號差動輸入的功能即可。

圖7是依照本發明的一種採用電隔離器電路700的第四實施例功能方塊圖。電隔離器電路700包括第一線圈712以及第二線圈722、第一磁場感測器714以及第二磁場感測器724、傳輸端電路730以及接收端電路740。圖7中的接收端電路740、輸出放大器742以及744皆與圖6中的接收端電路640、輸出放大器642以及644相似。圖7與圖6的不同之處在於，圖7中的傳輸端電路730主要具備兩組電流編碼器732、734以及兩組受控電流源736、738。受控電流源736、738分別耦接至第一線圈712及第二線圈722。第一線圈712的纏繞方向與第二線圈722的纏繞方向相同，例如皆為順時鐘纏繞或逆時鐘纏繞。詳細來說，受控電流源736的正相傳輸端連接至第一線圈712的第一端，受控電流源736的反相傳輸端連接至第一線圈712的第二端。相對地，受控電流源738的正相傳輸端則連接至第二線圈722的第二端，受控電流源738的反相傳輸端則連接至第二線圈722的第一端。如此一來，受控電流源736所產生的第一傳輸電流I1會從第一線圈712的第一端流入，而受控電流源738所產生的第二傳輸電流I2則會從第二線圈722的第二端流入。藉此，便可使第一線圈712以及第二線圈722產生互為相反相位的磁場訊號B1、B2。

綜上所述，依照本發明的實施例所述的電隔離器電路利用線圈與磁場感測器（如，霍爾感測器），並透過磁性耦合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，本發明實施例的電隔離器電路較可使功耗降低、減少訊號失真度、降低製程成本以及封裝成本。並且，此種電隔離器可藉由半導體製程來製作，因此可整合到晶片中。另一方面，可藉由兩組線圈以及兩組磁場感測器來實現電隔離功能，消除共模雜訊且放大差模訊號，抵抗雜訊干擾。

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、500、600、700‧‧‧電路

110‧‧‧電隔離器

120‧‧‧第一電路

130‧‧‧第二電路

140‧‧‧負載

VD1、VD2‧‧‧電壓域

210、512、522、612、622、712、722‧‧‧線圈

220、514、524、614、624、714、724‧‧‧磁場感測器

230：控制電路 240、530、630、730‧‧‧傳輸端電路

250、540、640、740‧‧‧接收端電路

260‧‧‧輸出級電路

CS、CS1、CS2‧‧‧控制訊號

I、I1、I2‧‧‧傳輸電流

B、B1、B2‧‧‧磁場訊號

VS、SA、SA1、SA2‧‧‧輸出訊號

310、536、538、636、736、738‧‧‧受控電流源

320、532、534、632、732、734‧‧‧電流編碼器

330、542、544、642、644、742、744‧‧‧輸出放大器

IO‧‧‧進行編碼前的傳輸電流

IN‧‧‧進行編碼後的傳輸電流

T1‧‧‧控制訊號的致能期間

TC1、TC2‧‧‧期間

PL1、PL2‧‧‧脈衝部分

圖1是依照本發明的一種採用電隔離器的電路的第一實施例示意圖。圖2是依照本發明第一實施例的一種採用電隔離器的電路的功能方塊圖。圖3是電路中傳輸端電路以及接收端電路的詳細電路圖。圖4為控制訊號、進行編碼前的傳輸電流、進行編碼後的傳輸電流以及輸出訊號的時序圖。圖5是依照本發明的一種採用兩組電隔離器的電路第二實施例的功能方塊圖。圖6是依照本發明的一種電隔離器電路的電路第三實施例方塊圖。圖7是依照本發明的一種電隔離器電路的電路第四實施例方塊圖。

100‧‧‧電路

110‧‧‧電隔離器

120‧‧‧第一電路

130‧‧‧第二電路

210‧‧‧線圈

220‧‧‧磁場感測器

230‧‧‧控制電路

240‧‧‧傳輸端電路

250‧‧‧接收端電路

260‧‧‧輸出級電路

CS‧‧‧控制訊號

I‧‧‧傳輸電流

B‧‧‧磁場訊號

VS、SA‧‧‧輸出訊號

Claims

一種電隔離器電路，包括：一第一線圈及一第二線圈，耦接一傳輸端電路；以及一第一磁場感測器以及一第二磁場感測器，分別耦接一第一接收端電路以及一第二接收端電路，其中該第一磁場感測器與該第一線圈相應設置，且該第二磁場感測器與該第二線圈相應設置，其中該傳輸端電路藉由該第一線圈及該第二線圈以分別傳遞一第一磁場訊號以及一第二磁場訊號至該第一磁場感測器與該第二磁場感測器，該第一磁場感測器將該第一磁場訊號轉換為一第一輸出訊號以提供給該第一接收端電路，且該第二磁場感測器將該第二磁場訊號轉換為一第二輸出訊號以提供給該第二接收端電路，其中該傳輸端電路包括：一受控電流源，其第一端耦接該第一線圈的第一端，該第一線圈的第二端耦接該第二線圈的第一端，且該受控電流源的第二端耦接該第二線圈的第二端，其中該第一線圈的纏繞方向與該第二線圈的纏繞方向不同，其中該受控電流源產生一傳輸電流以同時流經該第一線圈與該第二線圈。
如申請專利範圍第1項所述的電隔離器電路，其中該第一磁場感測器以及該第二磁場感測器皆為霍爾感測器。
如申請專利範圍第1項所述的電隔離器電路，其中該傳輸端電路更包括：一電流編碼器，控制該受控電流源，其中該電流編碼器依據一控制訊號的電位轉態部分，並藉由該受控電流源而在該傳輸電流中產生一脈衝部分。
如申請專利範圍第1項所述的電隔離器電路，其中該第一接收端電路為一第一輸出放大器，且該第二接收端電路為一第二輸出放大器。
如申請專利範圍第4所述的電隔離器電路，其中該第一輸出放大器的正相接收端耦接該第一磁場感測器的正相輸出端，該第一輸出放大器的反相接收端耦接該第二磁場感測器的反相輸出端，該第二輸出放大器的正相接收端耦接該第一磁場感測器的反相輸出端，該第二輸出放大器的反相接收端耦接該第二磁場感測器的正相輸出端。
如申請專利範圍第4項所述的電隔離器電路，其中該第一輸出放大器的正相接收端耦接該第一磁場感測器的正相輸出端，該第一輸出放大器的反相接收端耦接該第一磁場感測器的反相輸出端，該第二輸出放大器的正相接收端耦接該第二磁場感測器的正相輸出端，該第二輸出放大器的反相接收端耦接該第二磁場感測器的反相輸出端。
一種電隔離器電路，包括：一第一線圈及一第二線圈，耦接一傳輸端電路；以及一第一磁場感測器以及一第二磁場感測器，分別耦接一第一接收端電路以及一第二接收端電路其中該第一磁場感測器與該第一線圈相應設置，且該第二磁場感測器與該第二線圈相應設置，其中該傳輸端電路藉由該第一線圈及該第二線圈以分別傳遞一第一磁場訊號以及一第二磁場訊號至該第一磁場感測器與該第二磁場感測器，該第一磁場感測器將該第一磁場訊號轉換為一第一輸出訊號以提供給該第一接收端電路，且該第二磁場感測器將該第二磁場訊號轉換為一第二輸出訊號以提供給該第二接收端電路，其中該傳輸端電路包括：一第一受控電流源，其耦接該第一線圈，產生一第一傳輸電流；以及一第二受控電流源，其耦接該第二線圈，產生一第二傳輸電流，其中該第一線圈的纏繞方向與該第二線圈的纏繞方向相同，該第一傳輸電流從該第一線圈的第一端流入，且該第二傳輸電流從該第二線圈的第二端流入。
如申請專利範圍第7項所述的電隔離器電路，其中該傳輸端電路更包括：一電流編碼器，控制該受控電流源，其中該電流編碼器依據一控制訊號的電位轉態部分，並藉由該受控電流源而在該傳輸電流中產生一脈衝部分。
如申請專利範圍第7項所述的電隔離器電路，其中該第一接收端電路為一第一輸出放大器，且該第二接收端電路為一第二輸出放大器。
如申請專利範圍第9項所述的電隔離器電路，其中該第一輸出放大器的正相接收端耦接該第一磁場感測器的正相輸出端，該第一輸出放大器的反相接收端耦接該第二磁場感測器的反相輸出端，該第二輸出放大器的正相接收端耦接該第一磁場感測器的反相輸出端，該第二輸出放大器的反相接收端耦接該第二磁場感測器的正相輸出端。
如申請專利範圍第9項所述的電隔離器電路，其中該第一輸出放大器的正相接收端耦接該第一磁場感測器的正相輸出端，該第一輸出放大器的反相接收端耦接該第一磁場感測器的反相輸出端，該第二輸出放大器的正相接收端耦接該第二磁場感測器的正相輸出端，該第二輸出放大器的反相接收端耦接該第二磁場感測器的反相輸出端。
如申請專利範圍第7項所述的電隔離器電路，其中該第一磁場感測器以及該第二磁場感測器皆為霍爾感測器。
如申請專利範圍第7項所述的電隔離器電路，其中該傳輸端電路更包括：一電流編碼器，控制該受控電流源，其中該電流編碼器依據一控制訊號的電位轉態部分，並藉由該受控電流源而在該傳輸電流中產生一脈衝部分。