隔离的电容性功率传输的制作方法

隔离的电容性功率传输
1.分案申请的相关信息
2.本案是分案申请。该分案的母案是申请日为2016年10月21日、申请号为201610920582.4、发明名称为“隔离的电容性功率传输”的发明专利申请案。
3.优先权主张及相关专利申请案
4.此非临时申请案基于以下先前美国临时专利申请案主张优先权：(i)以陈磊(lei chen)、拉贾什
·
穆霍帕德亚(rajarshi mukhopadhyay)、及马克w.摩根(mark w.morgan)的名义，在2015年10月21日申请的“谐波电容性功率传输(harmonic capacitive power transfer)”的第62/244,224号申请案；所述申请案特此以全文引用的方式并入。
技术领域
5.所揭示的实施例大体上涉及功率传输的领域。更特定来说，且并非通过任何限制，本发明涉及改进低功率电容性功率传输的效率。


背景技术：

6.在(例如)用于检测温度或压力的工业传感器应用中，为了安全和保护设备，需要将电力供应器与模拟前端隔离。电源接口要求对可能高于100kv/μs的共模瞬变的抗性，使得例如变压器/电容器的高压隔离装置是必要的。在此设置中，效率难以在低于50mw的输出功率范围处维持高于50％，尤其当较大寄生电阻及电容存在于高压装置上时。另外，例如小于大约3
×
3mm2且在一些情况中小于大约2mm宽的形状因子对例如场发射器的传感器应用是至关重要的。然而，高压变压器的使用通常引发较大的面积成本。
7.现今，隔离电源市场中的大多数(即使并非全部)现存选择是基于变压器。因为用于实施变压器所必要的大量空间，所以这些现存选择不能满足上述对大小的要求，其中数个隔离电源装置具有从7
×
7mm2到15
×
15mm2变动的尺寸。另外，现存选择在低电力区域中没有功率效率，其中效率在25mw下从10％到40％变动。


技术实现要素：

8.本专利申请案揭示一种用于改进针对低功率情况(例如，50mw或更小)提供隔离的功率的功率转换器的效率的方法及装置。申请人注意到，50mw并非所揭示的方法的用途的上限。如果槽阻抗(tank impedance)可足够低，那么技术不具有针对输出功率电平的上限。然而，所揭示的方法对于低功率区域中的操作具有更显著的优点。谐振功率转换器使用串联谐振电路，所述串联谐振电路提供跨作为串联谐振电路的部件的高压电容器的输出电压。反馈电路包含反馈电压从接收器电路到功率转换器的隔离传输。所述串联谐振电路以谐振频率的子谐波阶进行操作以改进功率传输的效率。使用反馈，控制器选择提供必要功率输出的谐振频率的最大子谐波阶，接着对频率及到串联谐振电路的输入电压中的一者或两者进行微调以实现所期望的输出电压。在功率转换器的操作期间可调整子谐波阶及输入电压两者以适应改变的负载。
9.一方面，揭示一种用于将隔离的电容性功率传输提供到低功率负载的电子装置的实施例。所述电子装置包含：电感器，其连接到第一电容器的第一端子，以形成跨所述第一电容器将交流(ac)电压提供到低功率负载的串联谐振电路；以及切换电路，其经连接而以所述串联谐振电路的所述谐振频率的子谐波将切换电压提供到所述串联谐振电路。
10.另一方面，揭示一种跨串联谐振电路的电容器将隔离功率传输提供到低功率负载的方法的实施例。所述方法包含：确定经由反馈环路接收到的输出电压是否等于所期望的输出电压；响应于确定所述输出电压不等于所述期望的输出电压，确定所述串联谐振电路的所述谐振频率的子谐波阶用作切换频率；以及大体上以所述谐振频率的所述确定的子谐波阶切换所述串联谐振电路。
11.又一方面，揭示一种跨串联谐振电路的电容器将隔离功率传输提供到低功率负载的方法的实施例。所述方法包含：确定经由反馈环路接收到的输出电压是否等于所期望的输出电压；响应于确定所述输出电压不等于所期望的输出电压，确定输入电压与在用作切换频率时将以最大效率提供所期望的输出电压的所述串联谐振电路的所述谐振频率的子谐波阶的组合；及响应于所述确定，将所述输入电压设置成确定的值，并将所述切换频率设置成所述谐振频率的所述确定的子谐波阶。
12.所揭示的操作的优点包含至少以下各者：
13.·
在使用高压电容器的情况下，可显著减小整个隔离功率传输解决方案的形状因子。在至少一个实施例中，与基于变压器的解决方案相比，用于功率传输级的芯片面积减小超过70％；
14.·
在谐波操作的情况下，谐振功率转换器可跨0.5到1kv的功能隔离势垒以60％的效率传输高达15到25mw的功率。与基本操作相比，功能效率提高30％；
15.·
通过消除高压变压器并能够利用较小的裸片面积，显著降低整个解决方案的成本；以及
16.·
真实反馈提供对负载的调整。
附图说明
17.在附图的图式中通过实例而非通过限制说明本发明的实施例，其中相似的元件符号指示类似元件。应注意，对本发明中的“一”或“一个”实施例的不同参考不一定都参考同一实施例，且此类参考可表示至少一者。此外，当特定特征、结构或特性结合实施例进行描述时，应认为结合不论是否明确描述的其它实施例实现此类特征、结构、或特性是在所属领域的技术人员的知识范围内。
18.附图并入说明书中并形成说明书的一部分以说明本发明的一或多个示范性实施例。根据结合所附权利要求书进行的以下详细描述及参考绘制的附随图式将理解本发明的各种优点及特征，其中：
19.图1描绘根据本发明的实施例的用于隔离的功率转换的系统的实例；
20.图2描绘根据本发明的实施例的用于隔离的功率转换的系统的功率输出级的实例实施方案；
21.图3a到d描绘所揭示的功率输出电路的串联谐振电路的信号的各种性质；
22.图4描绘根据本发明的实施例的实例系统的最大输出功率；
23.图5a到b描绘为确定实例系统的切换频率所做的决策的一些方面；
24.图6a到c将子谐波阶描绘为与切换频率、功率损耗及电路效率相关；
25.图7a到b描绘增大输入电压对根据本发明的实施例的实例系统中的切换频率及功率损耗的影响；
26.图8描绘根据本发明的实施例的与功率输出级一起使用的反馈电路；
27.图9a到b描绘根据本发明的实施例的跨串联谐振电路的电容器提供隔离的电容性功率传输的方法；及
28.图10a到10b描绘根据本发明的实施例的跨串联谐振电路的电容器提供隔离的电容性功率传输的方法。
具体实施方式
29.现将详细参考在附图中说明的本发明的特定实施例。在本发明的实施例的以下详细描述中，陈述众多特定细节以便提供对本发明的更透彻理解。然而，所属领域的一般技术人员将明白，本发明可在没有这些特定细节的情况下实践。在其它实例中，未详细描述众所周知的特征以避免不必要地使描述复杂化。
30.现参考图式，且更特定来说，参考图1，展示根据本发明的实施例的用于跨隔离势垒的功率传输的实例系统100的示意图。在系统100中，降压转换器102接收输入电压(未具体展示)，其递降到可由功率传输系统的串联谐振电路103使用的电平。提供此递降电压v
in
作为到0
°
驱动器108a及180
°
驱动器108b的输入。驱动器108将切换电压v
lx
提供到串联谐振电路103，所述串联谐振电路103包含电感器104a、104b及电容器106a、106b。电容器106提供跨其传输功率的隔离势垒。在此说明中还展示寄生电容器c
par1
、c
par2
。电感器104中的每一者都连接于相应驱动器108与相应电容器106之间以跨电容器106提供交流(ac)电压。在功率传输的接收侧上，传输的电压在整流器114处接收，所述整流器114将经整流的电压v
out
供应到负载(未具体展示)。在输出传感器116处检测输出的电压电平，并经由反馈电容器112将其提供到反馈控制器110，所述反馈电容器112在反馈电路上提供隔离。反馈控制器110能够调整被提供到驱动器108的时钟信号(clk)及电压v
in
两者。在此电路的至少一个实施例中，到降压转换器102的输入电压在6到80v的范围内。在至少一个实施例中，输出电压是3.3v，且电流输出从4到20ma变动。
31.图2揭示根据本发明的实施例的功率传输电路200的一个实例的布局。给定此图式主要用于证实可使用所揭示的实施例实现的较小大小。如此图中所见，功率传输(芯片1)及接收器(芯片2)两者的电路在大小方面都仅为大约2mm
×
3mm。电感器204a、204b是可包含于总体封装中而不增加大小的外部电感器。外部电感器因为其较高的q因子而用于此实施例中；然而，如果可由内部电感器提供足够高的q因子，那么所揭示的装置同样也可使用内部电感器。在至少一个实施例中，电容器206是内部电容器。在图2中所展示的实施例中，电容器206是(例如)使用3d印刷技术印刷于芯片钝化层上方的印刷电容器。在至少一个实施例中，电容器206具有1kv的击穿电压及12.5pf/mm2的电容密度，而裸片面积小于3.5mm2。电容器206的底板分别连接到电感器204，而这些电容器的顶板线接合到芯片2的输入垫。
32.在查看功率传输系统100的操作之前，我们将快速审查影响谐振电路的一些已知因子。图3a到d描绘图1的串联谐振电路103的信号v
lx
的各种性质。在图3a中，我们看到作为
来自图1的两个信号v
lx
及v
lx
‑
的加总的谐振信号v
lx
。v
lx
具有从v
in
到
‑
v
in
的电压摆幅及作为切换频率f
sw
的倒数的周期。在图3b中，将信号v
lx
变换成频率域，其中可见：信号v
lx
的最大分量出现于切换频率处，而较小分量见于奇数谐波频率处，例如，3f
sw
、5f
sw
、7f
sw
，等等。尽管此图式并非按比例绘制，但在3f
sw
处提供的功率是切换频率处的功率的大约三分之一；在5f
sw
处的功率是切换频率处的功率的大约五分之一，等等。因此，随着一者移动到切换频率的较高谐波，可用的最大功率减小。图3c说明展示谐振电路的传输函数的量值的波特图，所述量值在切换频率处达到峰值并在两个方向上快速下降。图3d说明仅出现于切换频率处的谐振电路的电流频谱。这些标绘图图说明串联电感器
‑
电容器(lc)组件(例如，串联谐振电路103)以使谐振频率下的信号通过并阻挡任何其它频率的信号到达负载。
33.图4展示与取得功率的谐波阶对照标绘的电路的最大功率输出p
out
的标绘图。谐波阶是对谐振频率除以切换频率的比率的反映。可看出，如果以三次谐波(即，切换频率是谐振频率的三分之一)取得功率，那么所展示的电路可用的功率稍微高于160mw。如果以五次谐波(其中切换频率是谐振频率的五分之一)取得功率，那么相同电路可用的功率是大约60mw；且如果以十一次谐波(其中切换频率是谐振频率的十一分之一)取得功率，那么可用功率是大约15mw。可能出现如下问题：为什么有人接着想要以小于谐振频率的任何频率对谐振电路进行操作。申请人已意识到，尽管可用功率在切换频率是谐振频率的子谐波时显著下降，但电路效率显著改进。因此，当所需的功率输出较低时，可有利地以谐振频率的子谐波频率对电路进行操作以便获得电路效率。
34.图5a到b用于说明所揭示的电路以两种不同子谐波电平进行的操作。在此操作方法的实例中，串联谐振电路经设计以具有30mhz的谐振频率f
r
。取代将串联谐振电路调谐到切换频率f
sw
＝f
r
，将串联谐振电路调谐成五次子谐波，从而给出6mhz的切换频率。将仍以f
r
取得输出，在此情况中，f
r
是5*f
sw
。在一个实例中，以此电平进行操作将提供25mw，其对于给定负载可能是足够的。然而，如果负载改变，使得(例如)在图式中由高于f
r
的曲线所表示的输出侧上现需要50mw，以五次子谐波进行的操作可能是不够的。为提供额外功率，电路改变切换频率而以能够供应必要输出的三次子谐波进行操作。以三次谐波进行的操作的效率小于以五次谐波进行操作的效率，如下文将论述，但仍将提供高于先前解决方案的效率。
35.图6a说明针对设计有29.4mhz的谐振频率的特定谐振电路的频率对以各种子谐波阶进行的操作的曲线图。在一个实施例中，电感l＝720nh，串联电容是cs＝10pf(这归因于面积约束)，且寄生电容cp＝33pf。如果电路以三次谐波进行操作，那么切换频率下降到正好低于10mhz，而以五次谐波进行操作，切换频率是大约6mhz。频率的进一步降低展示在更高谐波阶处。因为更高阶的子谐波要求较小切换，所以切换损耗随着子谐波阶的增加而降低。图6b说明功率损耗对子谐波阶的相关曲线图。随着一者从基本频率移动到三次、七次、十一次及十五次子谐波阶，功率损耗从35mw分别递增地下降到大约13mw、5.7mw、3.75mw及2.5mw。图6c说明在使用更大的子谐波阶时获得的效率。在五次子谐波阶处，效率是大约53％；在七次子谐波阶处，效率增加到大约57％；在九次子谐波阶处，效率是大约59％；且在十一次子谐波阶处，效率是大约61％。
36.图7a说明输入电压v
in
与子谐波阶之间的关系，谐振电路可以所述子谐波进行操作同时维持恒定的功率。如此曲线图证实，随着v
in
增加，可利用较低的切换频率同时维持输出功率。所属领域的技术人员将从此情况理解，如果子谐波阶保持恒定，那么更大的输入电压
将提供输出功率的增加。申请人已意识到，可以数种方式利用此关系。在至少一个实施例中，对输入功率做出调整提供一种在已选择子谐波阶之后对电路进行微调的方式。在至少一个实施例中，输入功率的较大增加可允许电路以更高的子谐波阶进行操作，从而提供切换损耗的额外节省。下文将论述与这两个实施例相关联的方法。图7b是证实归因于所揭示的电路中的切换损耗及传导损耗两者的功率损耗的最终曲线图。传导损耗是归因于电流在谐振电路中的循环的损耗，而切换损耗可归咎于每次对开关进行操作时的功率损耗。从此曲线图清楚地看到，随着子谐波阶增加，传导损耗十分缓慢的上升，而切换损耗显著降低，从而使得只要可能就希望以更高的子谐波阶进行操作。
37.图8揭示与所揭示的电容性功率传输一起使用的实例反馈电路800。在至少一个实施例中，从接收器芯片而非直接从串联谐振电路的电路取得反馈。在此实施例中，电容器812在含有电源的芯片(芯片1)与含有接收器的芯片(芯片2)之间提供隔离。通过测量接收器处的输出电压，而非输出侧上的输出电压，此电路能够提供负载处的实际操作电压的准确图片，并使电路对于负载的变化更具响应性。在所展示的实例中，迟滞比较器816接收由负载经历的电压v
out
并将方波输出提供到调制器817，所述调制器817又将经调制的交流电压提供到电容器812的第一端子。电容器812的第二端子812连接到解调器811，所述解调器811将经解调的信号提供到积分器810。积分器810的输出用于调整将时钟提供到切换电路的数字控制振荡器(dco)，以及调整提供到切换电路(未具体展示)的输入电压。调整dco可包含改变所述dco正以其操作的谐振频率的子谐波，或将较小调整提供到所述频率以对串联谐振电路的操作频率进行微调。
38.图9a到b揭示根据本发明的实施例跨串联谐振电路的电容器提供隔离的电容性功率传输的方法900。在图9a中，方法900a以确定(905)串联谐振电路的输出电压是否等于所期望的输出电压开始。如果两个电压相等，那么方法将继续监测输出电压直到需要做出动作为止。如果两个电压不相等，那么需要对应用作切换频率的谐振频率的子谐波阶或提供到切换电路的输入电压做出调整。方法确定(910)谐振频率的适当的子谐波阶以用作切换频率。应注意，如果电压改变较小，那么当前子谐波阶仍可为适当的，其中仅需对切换频率或输入电压进行微调。针对较大的电压改变，对子谐波阶的改变可能是必要的。一旦确定适当的子谐波阶，那么方法以所确定的切换频率切换(915)串联谐振电路。在图9b中，方法900b确定(920)是否需要对输出电压进行微调。如果输出确实需要微调，那么方法对切换频率及输入电压中的至少一者进行微调(925)。
39.图10a到b揭示根据本发明的替代实施例的跨串联谐振电路的电容器提供隔离的电容性功率传输的方法1000。在图10a中，方法1000a以确定(1005)串联谐振电路的输出电压是否等于所期望的输出电压开始。如果两个电压相等，那么方法将继续监测输出电压直到需要做出动作为止。如果两个电压不相等，那么方法确定(1010)输入频率与用作将以最大效率提供所期望的功率的切换频率的谐振频率的子谐波阶的组合。如果电压改变较小，那么电流组合可能仍为适当的，其中仅需对切换频率或输入电压进行微调。针对较大的电压改变，对输入电压及子谐波阶的组合做出改变可为必要的。一旦确定适当的子谐波阶，那么方法将输入电压设置(1015)成确定值，并将切换频率设置(1020)成确定的子谐波阶。接着，使用确定值对串联谐振电路进行操作(1025)。在图10b中，方法1000b确定(1030)是否需要对输出电压进行微调。如果无需对输出进行微调，那么方法对切换频率及输入电压中的
至少一者进行微调(1035)。
40.尽管已详细展示并描述各种实施例，但权利要求书不限于任何特定实施例或实例。不应将上文的详细描述理解为暗示：任何特定组件、元件、步骤、动作或功能是必要的使得其必须包含于权利要求书的范围中。对以单数形式的元件的参考不希望表示“一个且仅一个”，除非明确地如此声明，而是表示“一或多个”。所属领域的一般技术人员已知的上文所描述的实施例的元件的全部结构及功能等效物以引用方式明确并入本文中，且希望由本权利要求书涵盖。因此，所属领域的技术人员应认识到，本文中所描述的示范性实施例可在具有在所附权利要求书的精神及范围内的各种修改及变更的情况下实践。