包括通信元件的能量传递元件的制作方法

美国专利证书的申请

包括通信元件的能量传递元件

本申请要求享有2019年8月16日提交的第62/888,089号美国临时申请的权益，所述美国临时申请通过引用整体并入本文。

相关申请

本专利申请与专利申请62/888,194——“Core Assemblies for Magnetic Saturation Detector without Requirement for DC Bias”以及题为“Magnetic Saturation Detector with Single and Multiple Transverse Windings”的专利申请62/887,810相关，每个所述专利申请与本申请在同一日期提交，每个所述专利申请被转让给共同的受让人，并且每个所述专利申请具有一个共同的发明人。相关申请中的每个通过引用整体并入本文。

发明背景

1.发明领域

本公开内容描述了一种用于在电流隔离的电路之间进行通信和能量传递的装置。该装置将能量从输入传递到电流隔离的输出。通信可以是在电流隔离的电路之间。通信独立于能量传递中所涉及的电压和电流。

2.相关技术的讨论

在提供输入和输出之间的电流隔离的开关模式电源(switch-mode power supply,SMPS)中，通常存在具有一个或多个输入绕组和一个或多个输出绕组的磁能量传递元件。输入绕组与输出绕组电流隔离，并且参考输入上的回线节点(return node，返回节点)的电路与参考输出上的回线节点的电路电流隔离。换句话说，施加在输入绕组和输出绕组之间的直流(dc)电压将产生可忽略的电流。类似地，施加在输入上的任何电路的节点和输出上的任何电路的节点之间的直流电压将产生可忽略的电流。SMPS可以具有参考输入的第一控制器和参考输出的第二控制器。两个控制器可以在电源的运行期间互相通信。例如，要求输入上的电路提供更多功率的请求可以来源于参考输出的控制电路。在另一个实施例中，参考输入的(input-referenced)控制器可以从参考输出的(output-referenced)误差放大器接收关于待被调节的输出的状态的反馈信息。

此外，可能期望将“内务管理(housekeeping)”数据(例如，设备温度、设备标识和/或功率水平(power level)等)从参考输入的控制器传达到参考输出的控制器，反之亦然。更进一步，可能期望跨隔离势垒传达信息，该隔离势垒在任一方向上将SMPS的输入电路与输出电路分开。通信可以是模拟或数字格式。

通常，使用一个或多个通信变压器、电容耦合器或光耦合器来提供SMPS的通信接口中的隔离。然而，利用这样的隔离设备和相关联的部件通常增加SMPS的部件数目和总成本。需要在不增加部件数目的情况下提供电流隔离电路的SMPS之间的通信。

附图说明

参考以下附图描述了本发明的非限制性和非穷举性实施方案，其中除非另有说明，否则相同的参考数字在所有各个视图中指代相同的部分。

图1例示了根据一些实施方案的具有能量传递元件的电源的一个实施例，该能量传递元件包括用于在参考输入的控制器和参考输出的控制器之间进行通信的第一通信绕组和第二通信绕组。

图2例示了具有第一方向上的通量密度路径(flux density path)的信号变压器。

图3A例示了根据一些实施方案的包括信号变压器的磁芯的一个视图，该信号变压器具有第一通信绕组和第二通信绕组。

图3B例示了根据一些实施方案的图3A的包括第一通信绕组、第二通信绕组和第一方向上的通量密度路径的磁芯。

图4A例示了根据一些实施方案的如图3A和图3B中所示出的包括第一通信绕组、第二通信绕组和用于能量传递的功率绕组的磁芯。

图4B例示了根据一些实施方案的在图4A中所示出的磁芯的分解视图以例示第一通信绕组、第二通信绕组和用于能量传递的功率绕组的放置。

图5例示了根据一些实施方案的如图3和图4中所示出的磁芯以例示通信信号的通量密度路径和能量传递信号的通量密度路径。

图6例示了根据一些实施方案的具有用于能量传递的功率绕组、耦合到参考输入的通信电路的第一通信绕组以及耦合到参考输出的通信电路的第二通信绕组的磁芯。

图7例示了根据一些实施方案的具有用于能量传递的功率绕组、耦合到参考输入的通信电路的第一通信绕组以及耦合到参考输出的通信电路的第二通信绕组的EE磁芯。

图8例示了根据一些实施方案的具有用于能量传递的功率绕组、耦合到参考输入的通信电路的第一通信绕组以及耦合到参考输出的通信电路的第二通信绕组的低分布(low-profile)RM磁芯。

在附图的所有若干视图中，对应的参考字符指示对应的部件。技术人员将理解，附图中的元件是为了简化和清楚而例示的，并且不一定按比例绘制。例如，附图中的一些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大，以帮助改善对本发明的各实施方案的理解。此外，通常未描绘在商业上可行的实施方案中有用的或必要的常见但容易理解的元件，以便于较不妨碍对本发明的这些各实施方案的查看。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了许多具体细节，以提供对本发明的透彻理解。对于本领域的普通技术人员将明显的是，不需要采用具体细节来实践本发明。在其他情况下，未详细描述众所周知的材料或方法，以避免模糊本发明。

贯穿本说明书提及“一个实施方案(one embodiment)”、“一实施方案(an embodiment)”、“一个实施例(one example)”或“一实施例(an example)”意味着，结合该实施方案或实施例描述的具体特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，贯穿说明书在各个地方出现的短语“在一个实施方案中”、“在一实施方案中”、“一个实施例”或“一实施例”不一定全指代相同的实施方案或实施例。此外，具体特征、结构或特性可以在一个或多个实施方案或实施例中以任何合适的组合和/或子组合进行组合。具体特征、结构或特性可以被包括在集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述的功能的其他合适的部件中。另外，应理解，随此提供的附图用于向本领域普通技术人员进行解释的目的，并且附图不一定按比例绘制。

图1是示例电源的示意图100，该电源被配置为使用包括通信元件的能量传递元件运行。图1的示例电源接收参考输入回线104的输入电压VIN 102并且向负载148提供经调节的输出。该经调节的输出可以是参考输出回线144的电压VO 154、电流IO 146或二者的组合。

图1的示例电源使用反激式(flyback)功率转换器以产生与输入电流隔离的输出。换句话说，施加在输入回线104和输出回线144之间的电压将产生可忽略的电流。图1的示例电源中的反激式功率转换器包括具有输入功率绕组P1 118、输出功率绕组P2 122、第一通信绕组K1 128和第二通信绕组K2 126的能量传递元件L1 120。功率绕组P1 118和P2 122主要参与输入和输出之间的能量传递，而通信绕组K1 128和K2 126主要参与参考输入的控制器和参考输出的控制器之间的通信。在图1的示例电源中，参考输入的控制器132和参考输出的控制器152在电流隔离的回线104和144之间发送信号和接收信号。参考输入的控制器132可以使用通信绕组128以电压VC1 130或电流IC1 134形式发送信号和接收信号。参考输出的控制器152可以使用通信绕组126以电压VC2 140或电流IC2 142形式发送信号和接收信号。

图1中表示能量传递元件L1 120的符号使用点规定(dot convention)表示绕组上的电压极性。功率绕组P1 118和P2 122上的圆形点指示功率绕组的具有点的端相对于相同的绕组的不具有点的端具有相同的电压极性。例如，如果一个功率绕组的带点的端相对于不带点的端是正的，所有功率绕组的带点的端相对于它们的不带点的端都是正的。类似地，通信绕组K1 128和K2 126上的正方形点指示通信绕组的具有点的端相对于相同的通信绕组的不具有点的端具有相同的电压极性。功率绕组上的点具有与通信绕组上的点不同的形状以指示功率绕组的极性不一定是通信绕组的极性，这将从本公开内容中稍后对能量传递元件L1 120的构造的描述变得明显。

箝位电路106并联耦合于输入功率绕组P1 118。输入开关S1 110耦合在输入功率绕组P1 118和输入回线104之间。

在运行中，参考输入的控制器132通过被包括在能量传递元件L1 120中的电流隔离的通信绕组K1 128和K2 126接收来自参考输出的控制器152的信号，以产生断开和闭合输入开关S1 110的驱动信号。断开的开关不能够传导电流，而闭合的开关可以传导电流。参考输入的控制器132将输入开关S1 110中的感测电流IS1 108感测为电流感测信号114。在一个运行模式中，当电流IS1 108达到阈值时，参考输入的控制器132可以断开输入开关S1 110。

开关S1 110的开关在能量传递元件L1 120中的相应的功率绕组P1 118和P2 122中产生脉动电流IP1 116和IP2 124，以及那些相应的绕组两端的脉动电压V1和V2。当开关断开时，箝位电路106防止输入功率开关S1 110上的超额电压。来自输出功率绕组P2 122的输出绕组电流IP2 124由二极管136整流并且由输出电容器CO 138滤波，以产生负载148处的输出电压VO 154和输出电流IO 146。输出电压VO 154、输出电流IO 146或二者的组合可以由参考输出的控制器152感测为输出感测信号150。参考输出的控制器将感测到的输出量与参考值进行比较，并且通过电流隔离的通信绕组K1 128和K2 126与参考输入的控制器132进行通信，以适当地开关输入开关S1 110以获得期望的输出值。

图2例示了由磁材料的环形线圈(toroid)255构造的信号变压器。第一通信绕组228和第二通信绕组226穿过环形线圈的中心的开孔(aperture，孔口)245。绕组与芯电绝缘并且互相电绝缘，使得它们电流隔离。响应于通信绕组226和228上的电压而在垂直于开孔245的轴线的方向235上建立穿过由每个绕组的回路限定的区域的磁通量密度BC。施加到一个绕组的电压产生通量密度BC的变化率dBC/dt 215，该变化率在另一绕组上产生电压。两个电压的比与它们相应的绕组的匝数的比大致相同。在图2的实施例中，每个绕组具有单匝，因此电压VC1 230与电压VC2 240大致相同。因此，电流隔离的电路可以通过传输和接收通信绕组上的电压来通过电流隔离的绕组226和228进行通信。类似地，绕组上的电压可以在绕组中产生电流，电路可以将该电流解释为通信信号。

图3A例示了包括具有第一通信绕组328和第二通信绕组326的信号变压器的磁芯组件的透视图300A。图3A中的组件包括：上芯件(upper core piece)，例如上半芯339；以及下芯件(lower core piece)，例如下半芯349，各自具有形成中心柱329的圆柱形部段。该组件还包括中心柱329中的间隙359。开孔326穿过每个半芯中的中心柱329以形成类似于图2的信号变压器的环形线圈的环形线圈。通信绕组328和326穿过图3A的每个半芯中的开孔以在该组件的中心柱内形成信号变压器。

本领域技术人员将理解，磁组件和磁组件的部分可以由不一定在技术上准确和精确的各种术语来描述。例如，几乎任何磁材料件都可以被称为磁芯。数件不包括绕组的磁部件的完整组件通常也可以被称为磁芯。磁芯的组件通常包括两个芯件。在许多磁芯的组件中，诸如在图3A的实施例中，两个芯件可能几乎相同。因此，每个芯件通常可以被称为芯构件或半芯。实际上，中心柱中的间隙，例如诸如图3A的组件中的间隙359，可以通过从两个相同的半芯中的仅一个半芯的中心柱去除材料来形成。即使形成间隙的件与未去除材料的件不再相同，每个芯件仍然被称为半芯。该组件还可以被称为芯对(core pair)。在本公开内容中，术语半芯可以被用来指代组件中的两个几乎相同的件中的一个，以将组件与包括明显不相同的件的替代组件进行区分。例如，两个E形件的组件可以与使用一个E形件与一个I形件的组件具有相同的几何特征和磁属性。尽管每个组件包括两个芯构件，但是EE组件包括两个半芯，而EI组件不包括。应注意，在本领域的实践中，磁芯件、磁芯构件、磁芯元件、磁半芯和磁芯组件中的每一个可以被称为磁芯。

图3B是图3A的磁芯组件的正视图300B，示出了第一通信绕组328两端的电压VC1和在垂直于开孔的轴线的方向335上产生变化的通量密度315的第二通信绕组326两端的电压VC2。图3B还例示了由通信绕组产生的通量密度本质上受限于环绕结构的中心的开孔的磁材料。换句话说，半芯的径向延伸超出中心柱的部分具有来自通信绕组的可忽略的通量密度。

图4A是如图3A和图3B中所示出的磁芯的透视图400A，该磁芯包括第一通信绕组428、第二通信绕组426和功率绕组418。功率绕组418表示参与储存或传递能量的一个或多个绕组，诸如例如图1的电源中的能量传递元件L1 120中的P1 118和P2 122。在实际部件中，功率绕组的匝通常被放置在单独的、有时被称为线筒(bobbin)或线圈架(coil former)的线轴(spool)上，该线轴将装配在中心柱之上以便于组装。然后可以通过开孔将通信绕组穿线。由于通信绕组426和428垂直于功率绕组的匝，并且意在用于能量传递元件的芯通常被优化以保持功率绕组，因此通信绕组可以被称为横向绕组——描述它们相对于传统的芯的功率绕组的物理定向。应理解，横向绕组不必在几何上垂直于功率绕组。以任何角度在一个方向上完全穿过功率绕组的一匝的任何导体都可以是横向绕组。用于在电源中使用的普通的芯通常不具有容纳通信绕组的开孔445。能量传递元件将通常具有如图3A中所示出的经组装的半芯的中心柱中的间隙359，以设置与期望的量的储存能量对应的电气参数。

图4B例示了图4A中所示出的具有上半芯439和下半芯449的磁芯的透视图400B，以示出穿过下半芯448中的开孔的横向通信绕组426和428。

图5是图4A的磁芯组件的正视图500，该正视图例示了通量密度的方向和路径。附图示出了在上半芯539和下半芯549的中心柱529中产生通量密度BC 535的相应的通信绕组528和526中的电流IC1 534和IC2 542。通量密度BC 535的方向垂直于中心柱529中的开孔的轴线。通量密度BC 535的大小的变化率dBC/dt与相应的通信绕组528和526两端的电压VC1530和VC2 540成比例。

图5的附图还示出了环绕中心柱529的功率绕组518的匝数。功率绕组518中的电流IP1 516在中心柱529中产生通量密度BP 565。在中心柱529中，由功率绕组518产生的通量密度BP 565垂直于由通信绕组528和526产生的通量密度BC 535。换句话说，图5的附图示出了中心柱529中的通量密度BC 535和BP 565的方向之间的角度是90度的直角。图5示出了当电流被传递通过功率绕组时，在磁芯组件中产生第一磁通量密度BP 565，以及当电流(IC1 518或IC2 542)被传递通过通信绕组(分别是528或526)时，在磁芯组件中产生第二磁通量密度BC 535，使得第一磁通量密度BP 565垂直于第二磁通量密度BC 535。

当能量传递元件运行在其线性区域中时——在线性区域中通量密度的大小对芯的磁材料的属性具有可忽略的影响，通量密度BP 565和BC 535对彼此具有可忽略的影响。因此，中心柱529中的通量密度BP 565的大小的变化率dBP/dt不在通信绕组528和526上产生显著的电压。相反，中心柱529中的通量密度BC 535的大小的变化率dBC/dt不在功率绕组518上产生显著的电压。

图5示出了中心柱中的功率绕组通量密度BP 565在其穿过上半芯和下半芯之间的闭合路径时在芯的水平部分和外垂直部分中分为两个大致相等的部分。尽管半芯的水平部段中的功率绕组通量密度BP 565的部分不处处垂直于通信绕组通量密度BC 535，但是对顶部半芯539中的通信绕组上的电压的任何贡献被底部半芯549中的相反贡献完全抵消，因此来自功率绕组的对通信绕组中的电压的净贡献是零。换句话说，通信信号的通量密度和能量传递信号的通量密度由能量传递元件的几何形状定向，使得参与通信的电压和电流独立于参与能量传递的电压和电流。

通信绕组没有必要穿过中心柱中的开孔来实现本发明的益处。通信绕组可以穿过磁芯中的任何其他位置处的开孔，该开孔将垂直于来自功率绕组的通量密度放置来自通信绕组的通量密度。例如，将通信绕组定位在图5中的结构的中心柱中的开孔可以被移动到该结构的在中心柱的左侧或右侧的垂直部分中的一个中。实际上，通常优选的是使用中心柱用于通信绕组，因为与芯的其他部分相比中心柱通常具有显著更多的磁材料，从而提供驱动通信绕组的电路所期望的更高的电感。

通量密度BC 535和BP 565之和为磁材料中的矢量。在实际应用中，通常期望使通量密度的矢量和小于标记线性区域和磁饱和开始之间的边界的阈值。通过将信令间隔(signaling interval)进行定时以在来自功率绕组的通量密度相对低时发生，可以在通信和能量传递之间有效地共享磁芯。

图6是示出了当示例能量传递元件可能被应用在图1的示例电源中时该示例能量传递元件的透视图的连接图600。一些机械细节已经被省略以避免模糊本发明。图6中的能量传递元件包括上半芯639和下半芯649，各自具有中心柱629。功率绕组618环绕中心柱629并且传导电流IP1 616。通信绕组628和626穿过两个半芯的中心柱中的开孔645。参考输入的通信电路632和参考输出的通信电路652在电流隔离的回线604和644之间发送信号和接收信号。参考输入的通信电路632可以使用通信绕组628以电压VC1 630或电流IC1 620形式发送信号和接收信号。参考输出的通信电路652可以使用通信绕组626以电压VC2 640或电流IC2 642形式发送信号和接收信号。

图7是示出了当被配置作为示例能量传递元件的改进的EE半芯可能被应用在图1的示例电源中时该改进的EE半芯的透视图的连接图700。先前附图中的能量传递元件的组件被呈现为一般实施例，以示出包括横向于传统的功率绕组的开孔中的通信绕组的能量传递元件的构造的显著特征。图7中的示例能量传递元件由两个标准EE型铁氧体半芯即上半芯739和下半芯749构造。必须在每个标准半芯的中心柱中钻出孔(hole)726以形成用于通信绕组728和726的开孔。示例功率绕组718被示出环绕中心柱729并且传导电流IP1 716。

参考输入的通信电路732和参考输出的通信电路752在电流隔离的回线704和744之间发送信号和接收信号。参考输入的通信电路732可以使用通信绕组728以电压VC1 730或电流IC1 720形式发送信号和接收信号。参考输出的通信电路752可以使用通信绕组726以电压VC2 740或电流IC2 742形式发送信号和接收信号。

图8是示出了当由两个标准RM型铁氧体半芯即上半芯839和下半芯849构造的示例能量传递元件可能被应用在图1的示例电源中时该示例能量传递元件的透视图的连接图800。每个半芯的中心柱的中心的孔845是意在容纳铁氧体块以在组装之后调整功率绕组的电感的现成的选项。根据本发明的教导，通信绕组828和826可以代替铁氧体块穿过调整孔以形成集成信号变压器。其它类型的铁氧体芯可以具有用于其他目的的开孔，诸如可以适用于通信绕组的组装硬件。在未配有合适的开孔的芯中，可以通过中心柱钻出孔。

参考输入的通信电路832和参考输出的通信电路852在电流隔离的回线804和844之间发送信号和接收信号。参考输入的通信电路832可以使用通信绕组828以电压VC1 830或电流IC1 820形式发送信号和接收信号。参考输出的通信电路852可以使用通信绕组826以电压VC2 840或电流IC2842形式发送信号和接收信号。

尽管本公开内容中的附图示出了使用相同的上半芯和下半芯的磁芯组件的实施例，但是其他标准结构——诸如例如具有不相同的上芯件和下芯件的EI组件——可以被修改为具有通过E件和I件钻出的孔，以形成穿过中心柱的开孔。此外，对于本领域技术人员将明显的是，芯组件可以包括不止两个件以形成等同结构。

对本发明的所例示的实施例的以上描述，包括摘要中所描述的内容，并非意在是穷举的或是对所公开的确切形式的限制。虽然出于例示性目的在本文中描述了用于本发明的具体实施方案和实施例，但是在不脱离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，各种同等改型是可能的。实际上，应理解，提供具体示例电压、电流、频率、功率范围值、时间等是用于解释的目的，并且根据本发明的教导，也可以在其他实施方案和实施例中采用其他值。

尽管在权利要求中限定了本发明，但是应理解，可以根据以下实施例替代地限定本发明：

实施例1：一种能量传递元件，包括：磁芯组件，所述磁芯组件具有开孔；第一功率绕组，所述第一功率绕组定位在所述磁芯组件内；以及第一通信绕组和第二通信绕组，所述第一通信绕组和所述第二通信绕组定位在所述开孔内，使得所述第一通信绕组和第二通信绕组都垂直于所述第一功率绕组，其中当电流被传递通过所述功率绕组时，在所述磁芯组件中产生第一磁通量密度，并且当电流被传递通过通信绕组时，在所述磁芯组件中产生第二磁通量密度，使得所述第一磁通量密度垂直于所述第二磁通量密度。

实施例2：根据实施例1所述的能量传递元件，所述磁芯组件还包括：下芯件，所述下芯件具有中心部段；以及上芯件，所述上芯件具有中心部段、与所述下芯件对齐使得所述下芯件的所述中心部段与所述上芯件的所述中心部段形成中心柱，其中所述中心柱具有穿过所述中心柱的所述开孔，并且其中所述第一通信绕组和第二通信绕组穿过所述开孔。

实施例3：根据实施例2所述的能量传递元件，其中所述下芯件包括下半芯，并且所述上芯件包括上半芯。

实施例4：根据实施例1所述的能量传递元件，还包括：第二功率绕组，其中所述第一功率绕组是输入功率绕组，并且所述第二功率绕组是输出功率绕组。

实施例5：一种控制器，包括：能量传递元件，所述能量传递元件包括，磁芯组件，所述磁芯组件具有开孔；第一功率绕组，所述第一功率绕组定位在所述磁芯组件内；以及第一通信绕组和第二通信绕组，所述第一通信绕组和所述第二通信绕组定位在所述开孔内，使得所述第一通信绕组和第二通信绕组都垂直于所述第一功率绕组，其中当电流被传递通过所述功率绕组时，在所述磁芯组件中产生第一磁通量密度，并且当电流被传递通过通信绕组时，在所述磁芯组件中产生第二磁通量密度，使得所述第一磁通量密度垂直于所述第二磁通量密度；参考输出的通信电路，所述参考输出的通信电路并联耦合于所述第二通信绕组，并且被配置为感测输出感测信号、将所述输出感测信号与参考值进行比较并且生成开关信号；以及参考输入的通信电路，所述参考输入的通信电路并联耦合于所述第一通信绕组并且被配置为产生驱动信号，其中所述第一通信绕组和第二通信绕组传输通信信号。

实施例6：根据实施例5所述的控制器，所述磁芯组件还包括：下芯件，所述下芯件具有中心部段；以及上芯件，所述上芯件具有中心部段、与所述下芯件对齐使得所述下芯件的所述中心部段与所述上芯件的所述中心部段形成中心柱，其中所述中心柱具有穿过所述中心柱的所述开孔，并且其中所述第一通信绕组和第二通信绕组穿过所述开孔。

实施例7：根据实施例6所述的控制器，其中所述下芯件包括下半芯，并且所述上芯件包括上半芯。

实施例8：根据实施例5所述的控制器，所述磁芯组件还包括：第二功率绕组，其中所述第一功率绕组是输入功率绕组，并且所述第二功率绕组是输出功率绕组。

实施例9：根据实施例8所述的控制器，还包括置于所述参考输入的通信电路和所述参考输出的通信电路之间的电流隔离。

实施例10：根据实施例9所述的控制器，其中所述第一通信绕组和第二通信绕组互相电绝缘并且与所述磁芯组件电绝缘，并且所述电绝缘包括所述电流隔离。

实施例11：根据实施例9所述的控制器，其中所述通信信号在所述参考输入的通信电路和所述参考输出的通信电路之间。

实施例12：根据实施例11所述的控制器，其中所述通信信号选自包括电压信号和电流信号的组。

实施例13：根据实施例5所述的控制器，其中所述能量传递元件被包括在功率转换器中。

实施例14：根据实施例13所述的控制器，其中所述功率转换器是反激式转换器。

实施例15：根据实施例14所述的控制器，所述反激式转换器还包括：置于所述参考输入的通信电路和所述参考输出的通信电路之间的电流隔离。

实施例16：根据实施例14所述的控制器，所述反激式转换器还包括所述第一通信绕组和第二通信绕组互相电绝缘并且与所述磁芯组件电绝缘，其中所述电绝缘包括所述电流隔离。

实施例17：根据实施例16所述的控制器，其中所述通信信号在所述参考输入的通信电路和所述参考输出的通信电路之间。

实施例18：根据实施例17所述的控制器，其中所述通信信号选自包括电压信号和电流信号的组。