通过共同隔离器的功率传输和反馈的制作方法

通过共同隔离器的功率传输和反馈
1.本技术是2018年1月12日提交的、申请号为201810028538.1、发明名称为“通过共同隔离器的功率传输和反馈”的申请的分案申请。
技术领域
2.本公开涉及电气隔离器和dc-dc转换器。


背景技术：

3.为了安全和/或数据完整性的考虑，有时会提供电路元件之间的电气隔离以及隔离屏障上的数据和功率传输。一些隔离的dc-dc转换器包括驱动变压器的一次绕组的驱动器，以通过隔离屏障将功率传输到变压器的二次绕组。


技术实现要素：

4.描述隔离的dc-dc转换器。dc-dc转换器是将直流电(dc)信号从一个电压转换为另一个电压的装置。隔离的dc-dc转换器通过分隔两个电压域的电隔离屏障执行转换。从一个电压转换到另一个电压并从一个电压域转换到另一个电压域的信号可能是功率信号。描述了隔离的dc-dc转换器，其通过隔离器将功率信号从一个电压域转移到另一个电压域，并且通过隔离器返回功率反馈信号。隔离器在某些情况下是变压器。
5.在某些实施方案中，提供隔离的dc-dc转换器，包括：一次侧电路；二次侧电路；和变压器，具有耦合所述一次侧电路的一次线圈和耦合所述二次侧电路的二次线圈，所述一次和二次线圈被隔离屏障分隔开。一次侧电路被配置为经由所述变压器向所述二次侧电路提供功率信号，并且二次侧电路被配置为经由所述变压器向所述一次侧电路提供反馈信号。
6.在某些实施方案中，提供操作隔离的dc-dc转换器的方法，包括：将功率信号从隔离的dc-dc转换器的一次侧电路通过变压器转换到所述隔离的dc-dc转换器的二次侧电路；和将功率控制反馈信号从所述二次侧电路通过变压器转换到一次侧电路。
7.在某些实施方案中，提供用于通过共同隔离器转换功率和反馈信号的隔离的功率传输系统。所述系统包括：变压器，具有一次绕组和二次绕组，所述一次和二次绕组彼此隔离；驱动电路，耦合所述一次绕组并被配置为产生功率信号；和整流电路，耦合所述二次绕组并被配置为从所述一次绕组中纠正所述二次绕组接收的功率信号。所述系统还包括反馈电路，耦合所述二次绕组并被配置为提供反馈信号至所述二次绕组。
附图说明
8.将参考以下附图来描述本技术的各个方面和实施例。应该理解的是，附图不一定按比例绘制。出现在多个图中的项目在它们出现的所有图中用相同的参考数字表示。
9.图1根据本技术的实施方案说明了带隔离器的隔离的功率传输系统，隔离器传递功率信号和反馈信号。
10.图2根据本技术的实施方案示出了使用共同隔离器来传递功率信号和反馈信号的隔离的功率传输系统的更详细的表示，其可以表示图1的隔离的功率传输系统的实现。
11.图3示出了具有传递功率信号和反馈信号的隔离器的隔离功率传输系统的实施例，其可以表示图1的隔离功率传输系统的实现。
12.图4根据本技术的实施方案示出了隔离的功率传输方法的流程图，涉及通过公共隔离器传递功率信号和反馈信号，并且可以由在此描述的隔离功率传输系统采用。
13.图5a示出了本文所述类型的隔离功率传输系统的输出电压作为二次侧电路的时间函数的示例。
14.图5b根据本技术的实施方案显示了隔离的功率传输系统的系统时序图。
15.图6根据本技术的实施方案示出了具有在共同基板上制造的部件的隔离的功率传输系统。
16.图7根据一些实施方案是示出便携式电子设备设置中的设备的示例性应用的示意图。
具体实施方式
17.本技术的方面提供了一种隔离的dc-dc转换器，其使用单个通信信道将功率信号从一次侧转移到二次侧，并且将反馈信号从二次侧转移到一次侧。与使用单独的通信信道用于不同类型的信号相比，使用单一的通用通信通道来传输这两种类型的信号允许减小dc-dc转换器的组件和空间。
18.在一些实施方案中，隔离的dc-dc转换器使用变压器在一次和二次侧之间传送信号。一次侧的电路和二次侧的电路可以以足够的方式耦合到变压器，以允许功率信号从一次侧到二次侧的传递以及从变压器的二次侧到一次侧的反馈信号的传递。因此，可以避免使用多个变压器传输功率信号及其相应的反馈信号。由于变压器至少在某些情况下是隔离的dc-dc转换器中成本最高的部件，因此通过单个变压器提供功率信号及其相应的反馈信号的传输可以节省大量的成本。
19.图1示出了根据本技术的实施方案的隔离的功率传输系统100，并且可以表示隔离的dc-dc转换器。隔离的功率传输系统100包括隔离器，其在相反的方向上传送功率信号和反馈信号。在图示的示例中，系统100可以包括一次侧电路110、二次侧电路120和桥接隔离屏障131的隔离器130。一次侧电路110可以将功率信号132通过隔离器130传递到二次侧电路120。二次侧电路120可以通过隔离器130将反馈信号134传送到一次侧电路110，从一次侧电路110提供关于二次侧电路120接收到的功率信号的信息。反馈信号可以被称为功率控制反馈信号，因为它向一次侧电路提供信息以控制向二次侧电路的功率输送。
20.一次侧电路110可以是用于将信号传输到二次侧电路120的任何合适的电路。例如，一次侧电路110可以是被配置为控制二次侧电路120的操作的控制电路。一次侧电路可以包括信号生成电路，诸如驱动器、时钟电路和电力生成电路等等。信号生成电路可以包括谐振驱动器。在至少一些实施例中，一次侧电路110包括功率信号发生器。
21.二次侧电路120可以是用于从一次侧电路接收功率信号的任何合适的电路。在一些实施方案中，二次侧电路可以包括整流器，用于对从一次侧电路接收到的交流(ac)信号进行整流。在图2和图3中示出了示例并在下面进一步描述。
22.隔离器130可以是变压器、微型变压器或提供电气隔离和信号传输的任何其他合适的部件。例如，如图1所示，隔离器130可以是包括一次绕组136和二次绕组138的变压器。一次和二次绕组(或“线圈”)可以由隔离屏障131隔开，可以是介电层或提供电气隔离的任何其他合适的材料和结构。在一些实施例中，一次和二次绕组可以被微制造。因此，在一些实施例中，一次侧电路和/或二次侧电路可以与隔离器130在同一基板(例如，硅基板)上微制造。
23.应该理解，隔离器130代表通信信道，允许在一次侧电路110和二次侧电路120之间交换信号。因此，隔离功率传输系统100表示功率传输系统的一个例子，该功率传输系统通过相同(或“公共”)通信信道传送功率信号和反馈信号。
24.图2示出了使用共同隔离器来传送功率信号132和反馈信号134的隔离的功率传输系统的更详细的表示，其可以表示图1的隔离的功率传输系统。隔离的功率传输系统200包括可以包括解码器210和驱动器220的一次侧电路110以及可以包括编码器230和整流器240的二次侧电路120。可以可选地包括在一次侧电路110和/或二次侧电路120中的额外的部件。
25.解码器210可以是被配置为对由编码器230发送的消息进行解码的任何解码器系统。因此，解码器210和编码器230可以被配置为电路或设备的互补对，以允许通过隔离器130传送的信号的合适的编码/解码。在一些实施方案中，编码器230被配置为对反馈信号134中的脉冲频率调制(pfm)信号进行编码以发送到解码器210。在一个实施方案中，编码器230可以将pfm信号的上升沿编码为两个脉冲，并将pfm信号的下降沿编码为单个脉冲，但是其他pfm编码方案也是可能的。作为示例，解码器210可以被配置为解码这些类型的编码信号。
26.编码器可以是或者可以形成反馈电路的一部分，反馈电路被配置为将反馈信号134提供给一次侧电路。在一些实施方案中，反馈电路包括额外的部件，其示例在图3中示出并在下面进一步描述。
27.驱动器220可以是适合于在隔离器130上产生和传输电力和/或其他信号的任何驱动器电路。在一些实施方案中，驱动器220包括振荡器。图3中示出了一个例子并在下面进一步描述。
28.整流器240可以是适用于在隔离器130上整流红光的任何整流电路。整流器240可以包括任何数量的平滑和/或滤波级。图3中示出了一个例子并在下面进一步描述。在至少一些实施例中，整流器240输出直流电压，如图3所示。
29.作为隔离的功率传输系统200的操作的一个例子，驱动器220可以在隔离器130的一次绕组136上驱动功率信号132一段固定的时间。二次绕组138可以接收功率信号，整流器240可以将其转换为二次侧电路120的输出电压。经过一定时间后，一次侧电路110可以停止发送功率信号132。当输出电压下降到某个阈值以下时，编码器230可以通过隔离器130向一次侧电路110发送反馈信号134。解码器210可以解码反馈信号134并使一次侧电路110开始再次发送功率信号132。
30.编码器230和解码器210可以是通过隔离器130发送信息的任何合适的对。该信息可以是单个信号，以指示一次侧电路110应该被激活。在其他实施例中，编码器230可对要发送到解码器210的一组可能信号中的一个或多个信号进行编码。该组可包括表示关闭一次
侧电路110的指令的信号、改变一次侧电路110的接通时间、或者一次侧电路110可以使用的任何其他信息。其他组件可以与解码器210一起使用以帮助解译来自该组信号的一个或多个信号，以由一次侧电路110使用或与一次侧电路110一起使用。
31.图3显示了隔离的功率传输系统的一种可能的实施，其使用单个隔离器来传送功率信号和相应的反馈信号。隔离的功率传输系统300代表图1和2的隔离的功率传输系统100和200的一个实例。
32.隔离的功率传输系统300的一次侧电路110可以包括驱动器320和通过锁存器302和尾部晶体管304连接到驱动器320的解码器210。代表图2的驱动器220的非限制性示例的驱动器320可以包括一对交叉耦合的晶体管306a和306b，其连接到隔离器130的一次绕组136。驱动器320内的交叉耦合的晶体管306a和306b的寄生电容结合隔离器130的一次侧电感器，可用作lc振荡电路。交叉耦合306可以进一步产生负电阻以消除隔离器130的一次侧电感器的寄生电阻。交叉耦合晶体管306a和306b的使用不应被认为是驱动器320的限制，因为任何lc振荡电路可以用在驱动器320中。
33.隔离的功率传输系统300进一步包括耦合到解码器210和锁存器302的单稳态触发器321。如将在下面进一步描述的，锁存器基于从解码器210和单稳态触发器321接收到的输入来控制尾部晶体管304的操作。锁存器302表示用于触发驱动器的操作的逻辑触发电路的非限制性示例。在替代实施例中可以使用其他逻辑电路以及更一般地其他类型的电路。
34.来自锁存器302的输出信号使尾部晶体管304开启和关闭，以启用驱动器320。锁存器302启用还是禁用驱动器320取决于由解码器210接收和解码的反馈信号。解码器210可以在驱动器320的振荡为低时监视隔离器130的一次侧电感器，并且可以检测来自编码器230的信号。锁存器302被示出为sr锁存器，但是可以通过任何逻辑门来实现，使得来自解码器210和单稳态触发器321的信号的组合可以控制尾部晶体管304的操作。尾部晶体管可以控制驱动器220的lc振荡电路，从而控制从一次侧电路110到二次侧电路120的电力传输。
35.在图3的非限制性示例中，二次侧电路120被图示为包括通过比较器312、振荡检测器314和逻辑门316连接到编码器230的整流器240。编码器230可通过一对开关318a和318b连接回到整流器240和/或隔离器130。
36.在该示例中，整流器240可以包括全桥整流器308以及滤波器310以平滑输出电压v
out
。全桥整流器可以包括二极管d1、d2、d3和d4。滤波器310可以包括电容器c
out
以及电阻器r
l
、r
f1
和r
f2
。然而，可以使用任何合适的整流器，并且可以使用任何数量和类型的滤波器，因为本文描述的各个方面不限于具有任何特定类型的整流器或滤波器的隔离的dc-dc转换器。
37.比较器312可以是任何合适的比较器，用于将隔离的dc-dc转换器的输出电压v
out
或其变化(例如，放大或分压的输出电压)与参考电压v
refl
进行比较。该比较允许输出电压保持在一定的允许范围内或目标范围内。
38.振荡检测器314被配置为控制反馈信号何时相对于驱动器320的操作从二次侧电路120转移到一次侧电路110。振荡检测器314连同比较器312一起耦合到门电路316的输入端。来自门电路316的输出信号启用或禁用编码器，因此编码器是启用还是禁用取决于比较器312和振荡检测器314的状态。振荡检测器314被配置为检测由二次侧电路120接收的功率的振荡。二次侧电路120中的功率的振荡直接对应于一次侧电路120内的驱动器320的振荡。
这样，振荡检测器314可以检测到驱动器320的状态。因此，振荡检测器314通过检测二次侧电路120中的电力的振荡，可以在一次侧电路110已经停止向二次侧电路120传输电力时启用编码器230，以允许二次侧电路120的输出v
out
保持在最大可接受水平以下。因此，在这个例子中，振荡检测器可以基于驱动器320的状态来改变反馈电路的状态。虽然隔离的功率系统300示出了振荡器检测器314监视二次侧电路120来确定何时启用或禁用反馈信号的提供、替代构造是可能的。例如，在另一个实施例中，振荡检测器314可以直接检测二次侧电路120输入端的振荡。
39.在一个实施方案中，当v
out
大于v
refl
时，在比较器312的输出变高时，在一些非限制性实施例中，逻辑门316(其可以是与门)启用编码器230，并且振荡检测器314表示驱动器320的振荡当前是低的。一旦编码器230被启用，它可以连接至少一个或多个开关318a和318b，以将编码信号施加在隔离器130的二次侧电感器上。开关318a和隔离器130可以包括电容器c1。开关318b和隔离器130之间的连接可以包括电容器c2。
40.图4示出了根据本技术的实施方案的功率传输方法400的流程图，该方法400涉及通过共同隔离器来传送功率信号和反馈信号。作为例子，图示的方法可以被图1-3的隔离的功率传输系统采用。
41.方法400可以开始于402，将功率信号从隔离的功率传输系统的一次侧电路传输到二次侧电路。在动作404中，功率信号的传输可以至少暂时终止。在一些实施方案中，一次侧电路可能会在一段固定时间后停止发送功率信号。另外，一次侧电路可以在一旦二次侧电路的输出电压达到阈值电压就停止发送功率信号，如通过从二次侧电路提供反馈信号所确定的那样或者以任何其他适当的方式。
42.在动作406中，二次侧电路可以通过与用于传送功率信号的隔离器相同的隔离器对反向信号进行编码并将反馈信号发送到一次侧电路。在一些实施方案中，二次侧电路的编码器可以产生或编码反馈信号，但并不是所有的实施例都在这方面受到限制。在一些实施方案中，一旦二次侧电路的输出电压达到参考电压，反馈信号就通过隔离器传输。在一些实施方案中，反馈信号由编码器编码为pfm信号。
43.在动作408中，一次侧电路可以从二次侧电路接收并解码反馈信号。反馈信号可以指示二次侧电路上的电压是否超过参考电压、低于参考电压，否则指示操作状态，要求改变来自一次侧电路的功率信号的提供。
44.在动作410中，可以解释来自二次侧电路的信号，然后对其起作用。在一些实施方案中，在动作410中，解码器210可以通过控制逻辑门302和/或尾部晶体管304使一次侧电路110能够传输功率信号132。在其他实施例中，来自二次侧的信号可能会导致一次侧电路采取不同的行动，如关闭或改变振荡持续时间。
45.方法400的动作的顺序可以改变。例如，在一些实施方案中，动作406可能发生在动作404之前。其他替代方案也是可能的。
46.图5a示出了根据本技术的非限制性实施例的隔离的功率传输系统的二次侧电路的输出电压v
out
的软启动时间(sst)启动和稳态波形。为了说明的目的，参考图3的电路部件来描述信号级数，但是在此描述的其他隔离的功率传输系统可以在一些实施例中产生相同的信号级数。例如，图示的电压v
out
可以由图3的二次侧电路120提供。图5a的x轴表示时间(t)。
47.如图所示，当功率传输系统关闭(t＝0)时，软启动时间启动操作可以从零开始。v
out
然后可以在对应于驱动器320循环打开和关闭的阶段中增加。也就是说，当驱动器320接通并且功率信号从一次侧电路传输到二次侧电路时，v
out
增加。当驱动器320断开时，v
out
减小，并且没有功率信号从一次侧电路传送到二次侧电路。在所示的图中，电压v
out
呈对应于驱动器320循环接通和断开的锯齿形图案。信号持续时间增加，对应于驱动器320接通的持续时间，在图中标记为t11，并且可以在单稳态触发器321的整个操作期间固定。在一些实施方案中，在软启动时间(sst)、关闭时间、t12也可以被固定。在sst期间输出电压v
out
可能上升，直到达到或上升到参考电压电平v
ref1
以上。
48.此时，功率传输系统可以进入稳定运行时段，其中开启时间t21可以保持固定。由于二次侧电路120监视输出电压v
out
，断开时间t22可能不再固定。当v
out
≤v
ref1
并且一次侧电路110的振荡关闭时，二次侧电路120可以向一次侧电路110发送脉冲以启用单稳态触发器321，其可以使得驱动器220在固定的开启时间t21恢复功率传输。在固定接通时间t21结束时，随着功率传输停止，输出电压v
out
可能开始向着参考电压v
ref1
衰减。
49.图5b示出稳态操作期间功率传输系统300的一个实施例的时序图。时序图的波形是理想化的，不应该被认为是系统的限制。osc on/off可表示驱动器320的振荡的启用。a可以表示比较器312的输出，b表示振荡检测器314的输出，c表示解码器210的输出，d表示单稳态触发器321的输出，如图3所示。v
out
可以表示二次侧电路120的输出电压。enc/dec可以表示编码器230和解码器210之间的通信。波形b可以是osc on/off的倒数，如在一些实施例中，当一次侧电路110的驱动器220的振荡可能较低时，振荡检测器可能是高的。
50.当v
out
低于参考电压v
ref1
时，波形a(比较器312的输出)可以为高。在其它实施例中，可以使用不同的逻辑门316，并且在一些实施例中，可以使用逻辑门，波形a与所示出的波形相比反转。当来自比较器312的输出变高时，enc/dec可以为高，即当波形a从低电压切换到高电压时。在一些实施方案中，当波形a从高电压切换到低电压时，enc/dec可能变高。当enc/dec高时，波形c可以变高，因为解码器210在从编码器230接收到通信之后将输出。波形d是单稳态触发器321的大致恒定的时钟周期，其可以控制一次侧电路110的周期。在一些实施方案中，波形可以相对于上升沿和下降沿切换而不是高电压电平和低电压电平。
51.在一些实施方案中，一次侧电路110、二次侧电路120和/或隔离器130可以被微制造。图6示出了一个示例性微制造系统600。微制造系统600可以包括一次侧基板602和介电层604。一次侧基板可以包含诸如集成电路的一次侧电路606和一次绕组608。二次绕组614可以嵌入绝缘层612中。
52.一次侧电路606可以是本文描述的一次侧电路中的任何一个，或者dc-dc转换器的其它合适的一次侧电路。一次侧电路606可以是微制造的，例如使用硅电路。除了其他可能性之外，一次侧基板602可以是硅基板或互补金属氧化物半导体(cmos)基板。
53.一次绕组608可以由沉积在基板602中或基板602上的金属形成，并被图案化成期望的轮廓。一次绕组608可以连接到一次侧电路606并由其控制。二次绕组614可以与至少一些实施例中的一次绕组具有相同类型，并且可以形成在绝缘层612内或由绝缘层612覆盖。二次绕组614可耦合到另一基板(未示出)上的二次侧电路。
54.介电层604可以是在一次和二次绕组之间提供电气隔离的任何合适的介质。例如，氧化硅、聚酰亚胺或其他材料可以以单层或多层构造使用。
55.因此，图6示出微型变压器可以与本文所述类型的功率传输系统的一次侧电路单片集成的示例。
56.本文所述隔离的dc-dc转换器可用于各种应用。例如，汽车、消费电子、工业和医疗保健应用都可以使用本文所述的技术。
57.图7是示出根据一些实施例的设备在便携式电子设备设置中的示例性应用的示意图。隔离的dc-dc转换器702可以用在便携式电子设备704中。便携式电子设备704可以是智能电话、个人数字助理(pda)、平板电脑或其他便携式设备。其他这样的设备也可以使用在此描述的类型的dc-dc转换器。
58.尽管图7示出了结合本技术的各方面的便携式电子设备的示例，但是其他的使用也是可能的。例如，一个或多个隔离的dc-dc转换器装置可以用在汽车或医疗器械中。本技术的各种实施例可以被实现为提供高度紧凑的、成本有效的dc到dc功率转换。
59.本文描述的各个方面可以提供各种益处。先前已经描述了一些这样的益处。并非所有的实施例都提供了每一个好处，并且可以提供除了列出的那些之外的其它好处。在一些实施方案中，隔离的dc-dc转换器具有简化的电路设计。简化的电路设计可以节省印刷电路板上的空间和/或通过使用共同隔离器以相反的方向传送功率和反馈信号来降低制造成本。通过使用pfm控制，一些实施例可以更有效率。
60.术语“近似”和“约”在一些实施方案中可以用于表示
±
20％的目标值、在一些实施方案中可以用于表示
±
10％的目标值、在一些实施方案中可以用于表示
±
50％的目标值、在一些实施方案中可以用于表示
±
2％的目标值。术语“近似”和“约”可以包括目标值。