一种毫米波隔离装置的制作方法

1.本实用新型涉及信号隔离装置，尤其涉及一种毫米波隔离装置。


背景技术：

2.高压电路在我们日常生活中有着广泛的应用，比如电力电源电路、马达驱动电路等。而手持装置所使用的电池快充技术，更是高压电路的经典应用。
3.在典型的高压电路中，高压电路通常由低压区(low voltage field)和高压区(high voltage field)组成。低压区通常是用来生成触发信号和数字信号，高压区通常是高压电路，比如充电电路、马达电路或者特殊的高压器件(gan， sic，ldmos)等。在高压区与低压区之间需要传递信号，并且需要有高隔离度以防止高压区对低压区造成的破坏。通常，这个用来传递信号并起到隔离作用的器件叫做切换器(switch)或隔离器(isolator)。
4.如图1所示，目前主流的隔离器包括光耦合器(photo coupler)、电容式感应(capacitive coupling)电路或是线圈(电感式)感应(inductive coupling)电路。但是，光耦合器需要另外的独立器件，电容式电路需要特别的氧化层材料，线圈感应电路有面积问题。因此，随着新式高压电路快速响应时间、低延迟与高宽带数字信号处理的需求下。上述三类隔离器已经无法满足需求。并且，新式的高压电路还有另外一个严格的要求，即在高压破坏后，不能有短路发生，而线圈和电容都有潜在的短路现象。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种毫米波隔离装置，在实现信号隔离的同时保证信号高效、安全地传输。
6.为了解决上述技术问题，本实用新型采用的一种技术方案为：
7.一种毫米波隔离装置，包括第一被隔离电路和第二被隔离电路，还包括毫米波收发器；
8.所述第一被隔离电路的输出端与所述毫米波收发器的输入端连接；
9.所述毫米波收发器的输出端与所述第二被隔离电路的输入端连接。
10.本实用新型的有益效果在于：借助毫米波收发器实现第一被隔离电路和第二被隔离电路之间的隔离，采用毫米波作为载波的短距离传输方式，带宽能够达到200khz到20ghz，传输速度可达100kbps到10gbps，速度快，能够适用于任何场景，并且毫米波载波天线小，通过天线既可以实现无线传输，也能够实现信号的隔离，不需要光耦及额外的隔离层，并且即便产品打穿，天线也不会造成金属短路，从而在实现良好的隔离的同时能够保证信号传输速度快、延时小、效率高，并且更加安全。
附图说明
11.图1为现有技术中实现高低压隔离的三种常见电路的结构示意图；
12.图2为本实用新型实施例的一种毫米波隔离装置的结构示意图；
13.图3为本实用新型实施例的一种毫米波隔离装置中毫米波收发器的第一种电路的结构示意图；
14.图4为本实用新型实施例的一种毫米波隔离装置中毫米波收发器的第二种电路的结构示意图；
15.图5为本实用新型实施例的一种毫米波隔离装置的第一种电路的结构示意图；
16.图6为本实用新型实施例的一种毫米波隔离装置的第二种电路的结构示意图；
17.图7为本实用新型实施例的一种毫米波隔离装置的毫米波收发器芯片的第一种实现方式的结构示意图；
18.图8为本实用新型实施例的一种毫米波隔离装置的毫米波收发器芯片的第二种实现方式的结构示意图；
19.图9为本实用新型实施例的一种毫米波隔离装置的毫米波收发器芯片的第三种实现方式的结构示意图；
20.图10为本实用新型实施例的一种毫米波隔离装置的毫米波收发器芯片的第四种实现方式的结构示意图；
21.图11为本实用新型实施例的一种毫米波隔离装置的多个毫米波收发器芯片在同一封装结构上集成的结构示意图；
22.图12为本实用新型实施例的一种毫米波隔离装置应用于高压桥式电路的结构示意图。
具体实施方式
23.为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
24.本技术上述毫米波隔离装置能够适用于各种需要进行信号隔离的电路中，比如高压电路中低压区电路与高压区电路之间的隔离；高压桥式电路中上、下桥中控制信号电路与高压器件之间的隔离以及开关电源中数字逻辑控制电路与反馈回路之间的隔离，以下通过具体实施方式进行说明：
25.在一个可选的实施方式中，如图2所示，一种毫米波隔离装置，包括第一被隔离电路和第二被隔离电路，还包括毫米波收发器，本实施方式中，所述第一被隔离电路为高压电路的低压区电路，所述第二被隔离电路为高压电路的高压区电路；
26.所述第一被隔离电路的输出端与所述毫米波收发器的输入端连接；
27.所述毫米波收发器的输出端与所述第二被隔离电路的输入端连接；
28.其中，所述毫米波收发器包括毫米波发射电路、毫米波接收电路、发射天线和接收天线；
29.所述第一被隔离电路的输出端与所述毫米波发射电路的输入端连接；
30.所述毫米波发射电路的输出端与所述发射天线连接；
31.所述毫米波接收电路的输入端与所述接收天线连接；
32.所述毫米波接收电路的输出端与所述第二被隔离电路的输入端连接。
33.在另一个可选的实施方式中，如图3所示，所述毫米波发射电路包括数模转换器、第一基带放大器、第一混频器、第一锁相环和第一射频放大器和第一滤波器；
34.所述毫米波接收电路包括第二滤波器、第二射频放大器、第二混频器、第二锁相环、第二基带放大器和模数转换器；
35.所述数模转换器的输入端与所述第一被隔离电路的输出端连接，输出端与所述第一混频器的第一输入端连接；
36.所述第一混频器的第二输入端与所述第一锁相环的输出端连接，输出端与所述第二射频放大器的输入端连接；
37.所述第一射频放大器的输出端与所述第一滤波器的输入端连接；
38.所述第一滤波器的输出端与所述发射天线连接；
39.所述第二滤波器的输入端与所述接收天线连接，输出端与所述第二混频器的第一输入端连接；
40.所述第二混频器的第二输入端与所述第二锁相环的输出端连接，输出端与所述第二基带放大器的输入端连接；
41.所述第二基带放大器的输出端与所述模数转换器的输入端连接；
42.所述模数转换器的输出端与所述第二被隔离电路的输入端连接；
43.本实施方式中，低压区信号经数模转换(digital toanalog)并与锁相环(phaselocked loop)提供的信号混频后于放大器(amplifier)推动发射天线发送信号，接收天线接收到信号后经放大器放大信号最后于通过模数转换(analog to digital)还原并进入高压区。
44.在另一个可选的实施方式中，如图4所示，所述毫米波发射电路包括振荡器、调制器和第三射频放大器；
45.所述毫米波接收电路包括第四射频放大器和包络检波器；
46.所述振荡器的输出端与所述调制器的第一输入端连接；
47.所述调制器的第二输入端与所述第一被隔离电路的输出端连接，输出端与所述第三射频放大器的输入端连接；
48.所述第三射频放大器的输出端与所述发射天线连接；
49.所述第四射频放大器的输入端与所述接收天线连接，输出端与所述包络检波器的输入端连接；
50.所述包络检波器的输出端与所述第二被隔离电路的输入端连接；
51.本实施方式中，低压区信号进入调制器(modulator)调制信号后经放大通过发送天线发出，接收天线接收信号后经放大再由包络检波器(envelope detector)检波后进入高压区；
52.图5、6所示为上述两种不同的毫米波发射电路应用于高压电路中的电路结构图，在图5中，低压区信号输入到数模转换器的输入端，模数转换器的输出信号输入到高压区电路中，图6中，低压区信号输入到调制器的第二输入端，包络检波器的输出信号输入到高压区电路中。
53.在另一个可选的实施方式中，所述毫米波收发器为毫米波收发器芯片；
54.具体地，所述毫米波收发器芯片包括毫米波发射芯片、毫米波接收芯片、第一基板、第二基板和封装层，第一基板和第二基板均采用绝缘材料；
55.所述第一基板、第二基板和封装层依次层叠设置；
56.其中，封装层的厚度为300～400um，第一基板和第二基板的总厚度为 80～400um；
57.所述毫米波发射芯片和毫米波接收芯片间隔设置于所述封装层中，间隔距离为10um～1000kum；
58.其中，发送天线和接收天线可以内嵌于芯片中，从而实现隔离传输并且安全可靠，发送天线和接收天线可以有多种方式实现内嵌于芯片中：
59.在一个可选的实施方式中，如图7所示，所述发射天线m1和所述接收天线 m2平行设置，即二者构成垂直型隔离，其中，二者的位置关系可互换；
60.所述发射天线m1设置于所述毫米波发射芯片chip-tx中，所述接收天线 m2设置于所述第二基板(substrate)中，具体的，发送天线m1设置在毫米波发送芯片chip-tx靠近第二基板的一侧，接收天线m2设置在第二基板靠近第一基板的一侧，通过图7可以看出，发射天线m1和发射天线m2之间呈平行关系，接地单元则设置在第一基板中，并设置于第一基板远离第二基板的一侧；在另一个可选的实施方式中，所述发射天线m1设置于所述第二基板(substrate)中，所述接收天线m2设置于所述毫米波接收芯片chip-rx中；
61.在另一个可选的实施方式中，所述发射天线和所述接收天线中其中一个设置于所述封装层中，另一个设置于所述第二基板中；
62.如图8所示，发射天线m1设置在封装层靠近第二基板的一侧，接收天线m2设置在第二基板靠近第一基板的一侧，接地单元则设置在第一基板中，并设置于第一基板远离第二基板的一侧，其中，发射天线m1和接收天线m2之间的位置可以互换；
63.或者，也可以将发射天线m1设置在第二基板靠近第一基板的一侧，将接收天线m2设置在封装层靠近第二基板的一侧，接地单元则设置在第一基板中，并设置于第一基板远离第二基板的一侧；
64.上述几种天线的设置方式都是垂直型隔离的天线架构，由于毫米波频率高，因此，天线尺寸相对较小，因此天线大小适合设计在基板或芯片中，可以设计其中一个天线为芯片天线设计，另一个天线为基板天线设计，所述发射天线和接收天线均可以为贴片式天线(patch antenna)、环路天线(loop antenna)、螺旋天线(helix antenna)、孔径天线(aperture antenna)、波导天线(waveguide antenna)、槽式天线(slot antenna)、双偶天线(dipole antenna)或者单偶天线(monopole antenna)，利用基板作为绝缘材料，可以很好的实现隔离；通过芯片实现并且天线又可以内嵌于芯片中，因此可以使用标准cmos工艺以及标准的封装工艺实现毫米波收发器芯片的制备，成本低，并且可靠性高。
65.在另一个可选的实施方式中，也可以采用侧面辐射型的天线架构方式，所述发射天线和所述接收天线水平并且间隔设置于所述封装层中；
66.如图9所示，发射天线m1和接收天线m2分别间隔设置在封装层靠近第二基板的一侧，间隔距离为10um～100kum；
67.本实施方式中，利用封装层以及m1和m2之间的距离作为绝缘材料，实现m1与m2之间的隔离。
68.在另一个可选的实施方式中，所述毫米波收发器芯片包括两组单独的芯片封装结构，即毫米波发射芯片和毫米波接收芯片分别单一封装设计；
69.具体地，如图10所示，两组芯片封装结构间隔设置，间隔距离为 10um～100kum；毫米波发射芯片封装在其中一个芯片封装结构中，毫米波接收芯片则封装在另一个芯片封装
结构中；
70.所述毫米波发射芯片和毫米波接收芯片分别单独封装在对应的芯片封装结构的所述封装层中；
71.所述发射天线设置在所述毫米波发射芯片所在的芯片封装结构的所述封装层中，具体地，发射天线设置在封装层靠近第一基板的一侧；
72.所述接收天线设置在所述毫米波接收芯片所在的芯片封装结构的所述封装层中，具体地，接收天线设置在封装层靠近第一基板的一侧；
73.本实施方式中，采用单一封装设计的方式实现毫米波发射芯片和毫米波接收芯片的封装，一方面成本更低，另一方面利用空气与实体距离作为绝缘层，隔离效果更佳；
74.上述侧面辐射型(endfire)的天线架构方式中，所述发射天线和所述接收天线均可以为双偶天线(dipoleantenna)、单偶天线(monopoleantenna)、螺旋天线(helixantenna)、环路天线(loopantenna)、孔径天线(apertureantenna)、波导天线(waveguideantenna)、槽式天线(slotantenna)或贴片式天线(patchantenna)；
75.在另一个可选的实施方式中，在产品封装上，如图11所示，可以整合多芯片于单一封装结构中以实现更好的集成度设计。
76.在另一个可选的实施方式中，可以将上述毫米波隔离装置应用于高压桥式电路中，如图12所示，所述第一被隔离电路为高压桥式电路中上桥的控制信号电路以及下桥的控制信号电路；
77.所述第二被隔离电路为高压桥式电路中上桥的高压器件以及下桥的高压器件；
78.信号进入毫米波发射器再经由天线传播信号给毫米波接收器，毫米波接收器再将信号发送给高压器件m1、m2以对高压器件进行驱动。
79.综上所述，本实用新型提供的一种毫米波隔离装置，借助毫米波收发器实现第一被隔离电路和第二被隔离电路之间的隔离，能够适用于各种信号隔离场景中，比如高压电路、高压桥式电路以及开关电源等，采用毫米波作为载波的短距离传输方式，带宽能够达到200khz到20ghz，传输速度可达100kbps到10gbps，速度快，能够适用于任何场景，适用性广，并且毫米波载波天线小，能够内嵌于毫米波芯片中，通过天线既可以实现无线传输，也能够实现信号的隔离，并且通过芯片的设计能够很好地实现集成化，不需要光耦及额外的隔离层，可以采用标准cmos工艺以及标准的封装工艺进行产品化生成，生成成本低，标准化的封装工艺容易集成在消费品类产品中，并且即便产品打穿，天线也不会造成金属短路，从而在实现良好的隔离的同时能够保证信号传输速度快、延时小、效率高，并且更加安全。
80.以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。