用于产生经调节隔离供电电压的方法及设备的制造方法
【专利说明】用于产生经调节隔离供电电压的方法及设备
[0001]相关专利串请案
[0002]本申请案主张2013年3月10日由托马斯尤步科李(Thomas Youbok Lee)、卢迪加拉米洛(Rudy Jaramillo)、帕克里特凯利理查兹(Patrick Kelly Richards)及李富里(LeeFurey)申请的题为“用于产生经调节隔离供电电压的方法及设备(Method and Apparatusfor Generating Regulated Isolat1n Supply Voltage)，，的共同拥有的第 61/775，669号美国临时专利申请案的优先权；且所述申请案为了所有目的以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
[0003]本发明涉及高电压隔离，更特定来说，涉及用于产生调节式供电电压的集成高电压隔离。
【背景技术】
[0004]许多应用需要不同供电电压的隔离，特定来说，不同电压域中的参考电势(例如，接地电势等)的隔离。因此，对隔离供电电压的需求日益增加。在新近工业应用中，对电隔离(卡法尼电流(Galvanic)及直流(DC)到DC两者)的需要越来越多地用于数据通信及DC供电电压(例如，以不同接地电势)两者。典型的隔离应用已主要用于跨越隔离屏障的数据通信。但近年来，应用迫切需要隔离装置(用于数据通信)也包含隔离的DC到DC能量转移的能力。
[0005]典型的电隔离方法可包含:光学、电感(例如，使用穿过变压器的交流(AC)或电磁射频)、电容器(电容器为非常好的电流隔离器)等等。光学耦合器已成为主要信号隔离装置但受限于缓慢数据速率(小于IMHz)且体积较大不利于集成。此外，光学耦合器不能传递隔离DC功率。电感及电容性隔离实施方案提供高数据速率，给予电隔离功率转移，且制造成本低廉。对不同电压域中的装置之间的电流隔离的需求非常高以具有(例如)lkVrms、
2.5kVrms、4kVrms 等等的隔离。
【发明内容】
[0006]因此，需要在两个不同电压域之间的功率转移，其维持所述两个不同电压域之间的隔离同时产生到那些电压域中的一者中的装置的调节式供电电压。
[0007]根据实施例，一种用于在不同电压域之间产生经调节隔离供电电压的方法可包括以下步骤:提供耦合到第一电压域的初级集成电路；提供耦合到第二电压域的次级集成电路；在所述初级集成电路的一面的至少一部分上方提供第一绝缘层；提供定位于所述第一绝缘层上方的多个高额定电压隔离电容器，其中所述多个高额定电压隔离电容器中的每一者可包括在所述第一绝缘层上的第一导电层、在相应第一导电层的一部分上的高额定电压电介质层及在所述相应高额定电压电介质层上的第二导电层；在所述初级集成电路裸片中提供波形产生器，所述波形产生器具有耦合到所述第一导电层的相应者的输出；提供是在所述次级集成电路中且具有耦合到所述第二导电层的相应者的输入的交流(AC)到直流(DC)转换器，借此可将AC功率从所述波形产生器转移到所述AC到DC转换器；提供耦合到所述AC到DC转换器的电压调节器，所述电压调节器具有参考电压反馈输出；及提供具有耦合到所述电压调节器参考电压反馈输出的输入及耦合到另一第二导电层的输出的脉冲宽度调制器，其中所述波形产生器可具有耦合到相应另一第一导电层的控制输入，借此所述脉冲宽度调制器可控制所述波形产生器的所述输出。
[0008]根据另一实施例，一种用于在不同电压域之间产生经调节隔离供电电压的方法可包括以下步骤:提供耦合到第一电压域的初级集成电路；提供耦合到第二电压域的次级集成电路；在所述初级集成电路的一面的至少一部分上方提供第一绝缘层；提供定位于所述第一绝缘层上方的多个高额定电压隔离变压器，其中所述多个高额定电压隔离变压器中的每一者可包括在所述第一绝缘层上的第一电感器、在相应第一电感器的一部分上的高额定电压电介质层及在所述相应高额定电压电介质层上的第二电感器；在所述初级集成电路裸片中提供波形产生器，所述波形产生器具有耦合到所述第一电感器的相应者的输出；提供在所述次级集成电路中且具有耦合到所述第二电感器的相应者的输入的交流(AC)到直流(DC)转换器，借此可将AC功率从所述波形产生器转移到所述AC到DC转换器；提供耦合到所述AC到DC转换器的输出的电压调节器，所述电压调节器具有参考电压反馈输出；及提供具有耦合到所述电压调节器参考电压反馈输出的输入及耦合到另一第二电感器的输出的脉冲宽度调制器，其中所述波形产生器可具有耦合到相应另一第一电感器的控制输入，借此所述脉冲宽度调制器可控制所述波形产生器的所述输出。
[0009]根据又一实施例，一种具有在不同电压域之间的经调节隔离供电电压的集成电路装置可包括:初级集成电路，其耦合到第一电压域；次级集成电路，其耦合到第二电压域；第一绝缘层，其在所述初级集成电路的一面的至少一部分上方；多个高额定电压隔离电容器，其定位于所述第一绝缘层上方，其中根据实施例，所述多个高额定电压隔离电容器中的每一者可包括在所述第一绝缘层上的第一导电层、在相应第一导电层的一部分上的高额定电压电介质层及在所述相应高额定电压电介质层上的第二导电层；波形产生器，其在所述初级集成电路裸片中，所述波形产生器具有耦合到所述第一导电层的相应者的输出；交流(AC)到直流(DC)转换器，其在所述次级集成电路中且具有耦合到所述第二导电层的相应者的输入，借此可将AC功率从所述波形产生器转移到所述AC到DC转换器；电压调节器，其耦合到所述AC到DC转换器的输出，所述电压调节器具有参考电压反馈输出；及脉冲宽度调制器，其具有耦合到所述电压调节器参考电压反馈输出的输入及耦合到另一第二导电层的输出，其中所述波形产生器可具有耦合到相应另一第一导电层的控制输入，借此所述脉冲宽度调制器可控制所述波形产生器的所述输出。
[0010]根据又一实施例，可在所述初级集成电路裸片中提供推挽式驱动器，所述推挽式驱动器具有耦合到所述波形产生器的输入及耦合到所述第一导电层的相应者的输出。根据又一实施例，可在所述第二导电层的至少一部分上方、所述高额定电压电介质层及所述第一导电层的部分上方提供第二绝缘层，其中所述第二绝缘层可具有:第一开口，其在所述第一导电层上方以使第一接合线将所述第一导电层耦合到所述初级集成电路上的电路连接垫；及第二开口，其在所述第二导电层上方以使第二接合线将所述第二导电层耦合到所述次级集成电路上的电路连接垫。[0011 ] 根据又一实施例，集成电路封装可囊封所述初级及次级集成电路以及所述高额定电压隔离电容器。根据又一实施例，所述初级集成电路可为微控制器。根据又一实施例，所述高额定电压电介质层可包括二氧化硅(S12)。根据又一实施例，所述高额定电压电介质层可包括氮化硅(SiN)。根据又一实施例，所述高额定电压电介质层可包括氮氧化物。根据又一实施例，所述高额定电压电介质层可包括具有不同厚度且由标准技术沉积或生长的掺杂或未掺杂氧化物的堆叠层。根据又一实施例，所述高额定电介质层各自具有约四微米(4μ)的厚度。根据又一实施例，所述高额定电压隔离电容器各自具有约10皮卡法拉的电容值。
[0012]根据又一实施例，所述第一及第二导电层可为金属。根据又一实施例，所述第一及第二导电金属层可由铝组成。根据又一实施例，所述第一及第二导电层可由铜组成。根据又一实施例，所述第一及第二导电层可从由下列各物组成的群组中的任何一或多者中选出:钛、钽、钴、钼以及其硅化物及自对准硅化物。
[0013]根据又一实施例，所述推挽式驱动器的所述输出中的每一者可耦合到所述第一导电层中的至少两者，且对应的至少两个第二导电层可耦合到所述AC到DC转换器。根据又一实施例，所述波形产生器可为振荡器且所述脉冲宽度调制器可控制其输出幅度。根据又一实施例，所述波形产生器可为振荡器且所述脉冲宽度调制器可控制其输出频率。
[0014]根据又一实施例，电压倍增器可耦合于所述第一电压域中的电压源之间且将倍增操作电压供应到所述推挽式驱动器。根据又一实施例，所述电压倍增器使所述电压源增加两倍。根据又一实施例，所述电压倍增器使所述电压源增加三倍。根据又一实施例，所述AC到DC转换器可包括低通滤波器。根据又一实施例，所述AC到DC转换器可包括电压倍压器。根据又一实施例，所述波形产生器可包括电源开关，且所述脉冲宽度调制器可控制所述电源开关的接通及关断工作循环。
[0015]根据又另一实施例，一种具有在不同电压域之间的经调节隔离供电电压的集成电路装置可包括:初级集成电路，其耦合到第一电压域；次级集成电路，其耦合到第二电压域；第一绝缘层，其在所述初级集成电路的一面的至少一部分上方；多个高额定电压隔离变压器，其定位于所述第一绝缘层上方，其中所述多个高额定电压隔离变压器中的每一者可包括所述第一绝缘层上的第一电感器、相应第一电感器的一部分上的高额定电压电介质层及所述相应高额定电压电介质层上的第二电感器；波形产生器，其在所述初级集成电路裸片中，所述波形产生器具有耦合到所述第一电感器的相应者的输出；交流(AC)到直流(DC)转换器，其在所述次级集成电路中且具有耦合到所述第二电感器的相应者的输入，借此可将AC功率从所述波形产生器转移到所述AC到DC转换器；电压调节器，其耦合到所述AC到DC转换器的输出，所述电压调节至具有参考电压反馈输出；及脉冲宽度调节器，其具有耦合到所述电压调节器参考电压反馈输出的输入及耦合到另一第二电感器的输出，其中所述波形产生器可具有耦合到相应另一第一电感器的控制输入，借此所述脉冲宽度调制器可控制所述波形产生器的所述输出。
[0016]根据又一实施例，可在所述初级集成电路裸片中提供推挽式驱动器，所述推挽式驱动器具有耦合到所述波形产生器的输入及耦合到所述第一电感器的相应者的输出。根据又一实施例，可在所述第二电感器的至少一部分上方、所述