一种隔离电压倍增的片上变压器

本发明属于数字隔离变压器技术领域，涉及一种能有效提高隔离电压的片上无芯变压器，包括单通道的片上变压器架构和双通道的片上变压器架构。

背景技术：

传统的栅驱动电路使用电平位移电路，利用ldmos、vdmos固有的结进行隔离。igbt作为需要驱动的功率管不能集成到芯片上，虽然igbt的耐压可达5kv以上，但现有电平位移架构的隔离电压远不足以达到igbt的耐压(目前国内外常用的ldmos的隔离电压大部分为600v-1200v)。

如图1所示为传统的片上磁隔离变压器结构示意图，变压器的电压隔离能力取决于初级线圈、次级线圈之间的绝缘层材料以及绝缘层材料的厚度，变压器的隔离电压小于绝缘层击穿电压。如图2所示是常规架构的片上变压器，单个通道内的一个变压器模块设置在两个管芯内，对于特定的工艺，绝缘层材料以及绝缘层厚度是确定的，所以片上变压器的电压隔离能力也是确定的。

基于上述分析，亟需提出一种具有高隔离电压能力的电压隔离架构；另一方面电平位移电路由于高压管寄生电容很大，导致信号速度有限，无法实现高速转换，因此也需要提出一种能够进行高速转换的电压隔离架构。

技术实现要素：

针对上述片上变压器的绝缘层击穿电压限制其电压隔离能力的问题，本发明提出一种级联结构的片上变压器架构，能够实现隔离电压倍增，大幅度了提高电压隔离能力；另外本发明的片上变压器架构能够大幅降低传输延时，实现高速转换。

针对上述问题本发明提出了单通道和双通道的片上变压器架构，其中单通道的技术方案为：

一种单通道隔离电压倍增的片上变压器，包括电荷泵模块、自举模块和n个级联的变压器模块，其中n为大于1的正整数；每个所述变压器模块包括初级线圈和次级线圈、以及与初级线圈连接的信号调制单元和与次级线圈连接的信号解调单元；

所述片上变压器包括n+1个管芯，第1个管芯内设置第1级所述变压器模块的信号调制单元，第i个管芯内设置第i级所述变压器模块的信号调制单元和第i-1级所述变压器模块的信号解调单元，i∈[2，n]，第n+1个管芯内设置第n级所述变压器模块的信号解调单元；

所述第1个管芯的供电电压为低压电源，参考地为地电压；

所述第i个管芯的参考地为第i电源，所述第i电源的电压值小于等于第i级所述变压器模块的电压隔离能力；所述电荷泵模块将所述第i电源抬升一个所述低压电源的电压值后作为所述第i个管芯的供电电压；

令所述片上变压器需要隔离的总电压为第一电源，所述n个变压器模块的电压隔离能力之和大于等于所述第一电源的电压值；所述第n+1个管芯的参考地为浮动地，所述浮动地的区间为地电压至所述第一电源，所述自举模块将所述浮动地抬升一个所述低压电源的电压值后作为所述第n+1个管芯的供电电压。

具体的，n为2或3。

双通道的片上变压器技术方案为：

一种双通道隔离电压倍增的片上变压器，

所述片上变压器的第一通道包括电荷泵模块、自举模块和n个级联的变压器模块，所述片上变压器的第二通道包括n个级联的变压器模块，其中n为大于1的正整数；每个所述变压器模块包括初级线圈和次级线圈、以及与初级线圈连接的信号调制单元和与次级线圈连接的信号解调单元；

所述片上变压器的第一通道和第二通道都包括n+1个管芯，第1个管芯内设置第1级所述变压器模块的信号调制单元，第i个管芯内设置第i级所述变压器模块的信号调制单元和第i-1级所述变压器模块的信号解调单元，i∈[2，n]，第n+1个管芯内设置第n级所述变压器模块的信号解调单元；

第一通道内第1个管芯的供电电压为低压电源，参考地为地电压；第一通道内第i个管芯的参考地为第i电源，所述第i电源的电压值小于等于第i级所述变压器模块的电压隔离能力；所述电荷泵模块将所述第i电源抬升一个所述低压电源的电压值后作为第一通道内第i个管芯的供电电压；令所述片上变压器需要隔离的总电压为第一电源，所述n个级联的变压器模块的电压隔离能力之和大于等于所述第一电源的电压值；第一通道内第n+1个管芯的参考地为浮动地，所述浮动地的区间为地电压至所述第一电源，所述自举模块将所述浮动地抬升一个所述低压电源的电压值后作为第一通道内第n+1个管芯的供电电压；

第二通道内每个管芯的供电电压都为所述低压电源，参考地都为地电压。

具体的，n为2或3。

具体的，将所述双通道的片上变压器应用于半桥栅驱动电路中，所述半桥栅驱动电路包括高侧功率管和低侧功率管，所述高侧功率管的一端连接所述第一电源，另一端连接所述低侧功率管的一端并作为所述浮动地；所述低侧功率管的另一端连接所述地电压；

第一通道内第1级所述变压器模块的信号调制单元输入端连接所述高侧功率管的调制信号，第一通道内第n级所述变压器模块的信号解调单元输出端连接所述高侧功率管的驱动电路输入端；

第二通道内第1级所述变压器模块的信号调制单元输入端连接所述低侧功率管的调制信号，第二通道内第n级所述变压器模块的信号解调单元输出端连接所述低侧功率管的驱动电路输入端。

本发明的有益效果为：本发明在兼容现有工艺的情况下，通过级联多级变压器模块并配合电荷泵进行中间电压隔离，将n级变压器模块分布于n+1个管芯并优化各个管芯的供电设置，实现了电压隔离能力倍增，增大了片上变压器的隔离电压；另外本发明的片上变压器级联架构相比传统变压器而言大幅降低了传输延时，实现了高速转换。

附图说明

下面的附图有助于更好地理解下述对本发明不同实施例的描述，这些附图示意性地示出了本发明一些实施方式的主要特征。这些附图和实施例以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例。为简明起见，不同附图中具有相同功能的相同或类似的组件或结构采用相同的附图标记。

图1为传统片上隔离变压器的结构图。

图2为现有的一种双通道的片上变压器的管芯布局示意图。

图3为本发明提出的一种双通道隔离电压倍增的片上变压器的架构原理图。

图4为本发明提出的一种双通道隔离电压倍增的片上变压器的管芯布局示意图。

图5为本发明提出的一种隔离电压倍增的片上变压器在实施例中的一些关键节点电压波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明进行详细地说明。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

与图2所示常规架构的片上变压器相比，本发明提出了一种级联结构的片上变压器，在原来的一级变压器之后插入了n-1级中间电压变压器结构，将原来需要隔离的电压分摊到n组变压器上，这样一来总的电压隔离能力等于n组变压器隔离能力之和，实现了隔离电压倍增。

在设计多级变压器级联时，为了实现电压隔离，变压器模块内初级线圈和次级线圈的参考地以及供电电源是不一样的，因此同一组片上变压器的信号调制电路和信号解调电路不能放置在同一个管芯里面，基于此本发明针对多级级联变压器结构的管芯分配做了优化。下面以单通道为例进行说明。

单通道的片上变压器架构包括电荷泵模块、自举模块和n个级联的变压器模块，其中n为大于1的正整数；每个变压器模块包括初级线圈和次级线圈、以及与初级线圈连接的信号调制单元和与次级线圈连接的信号解调单元。本发明提出的片上变压器n个级联的变压器模块对应设置n+1个管芯，第1个管芯内设置第1级变压器模块的信号调制单元，第i个管芯内设置第i级变压器模块的信号调制单元和第i-1级变压器模块的信号解调单元，i∈[2，n]，第n+1个管芯内设置第n级变压器模块的信号解调单元。其中第1个管芯的供电电压为低压电源vdd，参考地为地电压gnd；第i个管芯的参考地为第i电源vini，第i电源vini的电压值小于等于第i级变压器模块的电压隔离能力；电荷泵模块将第i电源抬升一个低压电源vdd的电压值后作为第i个管芯的供电电压；令片上变压器需要隔离的总电压为第一电源vin1，n个变压器模块的电压隔离能力之和大于等于第一电源vin1的电压值；第n+1个管芯的参考地为浮动地vsw，浮动地vsw的区间为地电压gnd至第一电源vin1，自举模块将浮动地vsw抬升一个低压电源vdd的电压值后作为第n+1个管芯的供电电压。

双通道的片上变压器架构中，只有高压侧需要进行电压隔离，因此高侧通道内的管芯分配和供电设置需要特别设计，而低压侧为了匹配延时可以和高压侧的电路设置相同，但低压侧供电电压都为低压电源vdd，参考地都为地电压gnd。如图3所示，第一通道(即高侧通道)的设置与单通道的片上变压器架构一样，第二通道(即低侧通道)采用与高侧通道一样的电路但供电设置不同，低侧通道的片上变压器架构工作在低压域，低侧通道的管芯参考地都是地电压gnd，供电电压都是低压电源vdd。

考虑到级联多级变压器会增大传输延时、功耗、电路设计复杂度、芯片面积等，因此优选级联2-3级变压器，即n取2或3，视芯片设计指标而定。下面以n取2为例进行说明，如图3所示，每个通道包括2个变压器模块级联。高侧通道中，高侧功率管的调制信号输入到高侧通道的第一级变压器模块1中，经过两级变压器模块后从高侧通道的第二级变压器模块3输出，再经过高侧驱动电路后用于控制高侧功率管m2；低侧通道中，低侧功率管的调制信号输入到低侧通道的第一级变压器模块中，经过两级变压器模块后从低侧通道的第二级变压器模块输出，再经过低侧驱动电路后用于控制低侧功率管m1。

对应的管芯设置如图4所示，单通道的片上变压器架构需要3个管芯，双通道的片上变压器半桥架构需要6个管芯。高侧通道的第一级变压器模块的信号调制单元设置在第一管芯die1内，高侧通道的第一级变压器模块的信号解调单元和第二级变压器模块的信号调制单元设置在第二管芯die2内，高侧通道的第二级变压器模块的信号解调单元设置在第三管芯die3内。同样的，低侧通道的第一级变压器模块的信号调制单元设置在第四管芯die4内，低侧通道的第一级变压器模块的信号解调单元和第二级变压器模块的信号调制单元设置在第五管芯die5内，低侧通道的第二级变压器模块的信号解调单元设置在第六管芯die6内。

由于单个变压器模块的电压隔离能力取决于绝缘层的击穿电压，为了方便介绍隔离电压倍增的片上变压器架构原理，假设单个片上变压器的电压隔离能力为600v。如图4所示，高侧通道内，第一管芯die1为低压域，第一管芯die1的供电电压为低压电源vdd(假设为5v)，参考地为地电压gnd(0v)。第一管芯die1产生的调制信号(0-5v)通过金属键合线(bindingwire)连接到第二管芯die2，第二管芯die2为中压域，第二管芯die2参考地为第二电源vin2，第二电源vin2的电压值要小于等于第二级变压器模块的电压隔离能力(600v)，本实施例选取600v的第二电源vin2给电荷泵模块供电，使得电荷泵模块产生605v的vcp电压给作为第二管芯die2的供电电压。第二管芯die2产生的调制信号(600-605v)通过金属键合线(bindingwire)连接到第三管芯die3，第三管芯die3为高压域，假设片上变压器需要隔离的总电压为第一电源vin1＝1200v，令第三管芯die3参考地为浮动参考地vsw(0-1200v)，通过自举模块4产生自举电压vbst(5-1205v)作为第三管芯die3的供电电压。低侧通道内，三个管芯die4-die6都为低压域，供电电压都为低压电源vdd(5v)，参考地都为地电压gnd(0v)。对于常规的低压工艺，可以实现如图3、图4所示的隔离电压倍增的片上变压器架构，但是由于缺乏高压器件，芯片需要外部的电荷泵模块2以及自举模块4的配合使用。

虽然每个变压器的隔离电压依旧为600v，但是图4所示的级联结构从输入0-5v到输出vsw实现了1200v的电压隔离，电压隔离能力实现了倍增，各节点波形如图5所示，vin1是高侧通道的输入节点，vo1是高侧通道中第一级变压器模块的输出节点，vo2是高侧通道中第二级变压器模块的输出节点。

经过仿真试验，发现本实施例中两级片上变压器级联架构传输延时可达到10-20ns，而传统的电平位移架构传输延时大概为150-300ns，可见本发明提出的片上变压器架构能够大幅降低传输延时，解决了传统变压器无法实现高速转换的问题。

以上通过详细实施步骤描述了实施例中采用两级变压器模块进行级联的双通道片上变压器架构，本实施例对片上变压器架构进行了改善，采用了两级片上变压器架构，通过对芯片管芯的分配以及管芯参考电位的分配，完成了高压的两级隔离，在不需要改变工艺的情况下，实现了片上变压器电压隔离能力的倍增。而常规的片上变压器应用架构只包含一级片上变压器，因此隔离电压受限于绝缘层击穿电压。

实施例中虽然公开了各管芯的一种具体供电设置，但也可以选取其他合适取值的电源并配合电荷泵模块和自举模块进行供电，本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。