一种用于DC/DC电源隔离工业芯片的紧凑型变压器及验证方法与流程

一种用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器及验证方法
技术领域
1.本发明属于隔离器技术领域，具体为一种用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器及验证方法。

背景技术：

2.随着电子产品的高速发展和广泛应用，人们需要设计出高性能和低成本的隔离电路将工作电路与隔离电路分隔开从而实现较高的安全性和稳定性。目前常用的隔离器件主要分为以下四种，分别是光耦隔离器、电容隔离器、gmr巨磁电阻隔离器和基于变压器结构的隔离器。
3.由于cmos工艺的不断成熟，研究人员希望将光耦、电容和变压器集成进体硅cmos工艺或者soi cmos工艺中。在以上几种结构中，光耦的使用寿命和速度较差，电容隔离无法抑制共模电压，gmr巨磁电阻隔离成本昂贵，而集成式变压器隔离技术具备前三者没有的优势，它的这种优势主要体现在隔离性能好和速度高。
4.然而，由片上螺旋电感组成的变压器是集成电路中最占用面积的器件之一，这种难以集成的片上变压器增加了此类数字隔离器的成本，并且限制了它的应用范围。此外，片上变压器在底层衬底中遭受各种各样的损耗，导致可实现的品质因子(q)降低。通过版图布局优化减少占用面积和线圈损耗的设计正受到广泛关注。

技术实现要素：

5.为解决现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器及验证方法，使用该变压器能够在保证隔离性能的前提条件下大幅度缩减变压器的面积，为实现具备优良性能的小型化高速数字隔离器奠定技术基础。
6.为达到以上目的，本发明采用的一种技术方案是：
7.一种用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器，包括层叠设置的主线圈和次线圈，所述主线圈具有输入端和中心抽头端，所述次线圈具有所述输入端和输出端，所述输入端用于信号输入，所述输出端用于与高速数字隔离器的内部电路相连；
8.所述主线圈和次线圈由金属线沿设定轨迹螺旋绕制而成，绕线方式为：所述主线圈和次线圈从所述输入端开始并行沿同一设定轨迹绕至所述中心抽头端，然后所述次线圈按设定轨迹继续绕至所述输出端，从而形成同心的螺旋线圈，所述输入端位于线圈的最外侧，所述输出端位于线圈的最内侧；以所述中心抽头端为界线，界线以外的部分形成外圈，界线以内的部分形成内圈。
9.进一步，如上所述的用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器，在所述外圈部分，所述主线圈和次线圈具有相同的线圈宽度。
10.进一步，如上所述的用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器，所述主线圈的线圈宽度由所述中心抽头端向所述输入端逐渐增大，所述次线圈的线圈宽度由所述输出端
向所述输入端逐渐增大。
11.进一步，如上所述的用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器，所述中心抽头端用于挂载esd保护二极管，能够在发生esd事件时泄放从所述输入端输入的大电流。
12.进一步，如上所述的用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器，所述螺旋线圈的外形为八边形。
13.进一步，如上所述的用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器，所述螺旋线圈的圈数≥2。
14.上述用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器的集总等效电路模型验证方法，包括以下步骤：
15.s1、将所述中心抽头端接地，并在所述输入端和输出端施加激励，通过电磁仿真得到所述变压器的三端口s参数；
16.s2、将电磁仿真得到的所述s参数转变为z参数，转变公式为：
[0017][0018]
s3、根据所述z参数计算主线圈感值l1、次线圈感值l2、主线圈品质因子q1、次线圈品质因子q2及耦合系数k，计算公式为：
[0019][0020]
式中：ω为变压器的工作频率。
[0021]
与传统变压器相比，采用本发明所述的用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器及验证方法，具有以下显著的技术效果：
[0022]
1)本发明提供的变压器结构仅占用一个电感的面积就实现了变压器的功能。它的
面积仅为传统变压器的三分之一，可以在先进工艺下大幅度减小成本，有利于实现易于片上集成的高速数字隔离器；
[0023]
2)内圈宽度最小，可以有效减小涡流损耗，从而提升变压器的品质因子；
[0024]
3)由内到外宽度逐渐增加，可以减小外部线圈的寄生电阻；
[0025]
4)外圈宽度最大，当它作为数字隔离器的输入端时可有效提升esd保护能力。
附图说明
[0026]
图1为本发明实施例中提供的一种用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器的版图示意图；
[0027]
图2为图1所述变压器的参数定义示意图；
[0028]
图3为图1所述变压器的集总等效电路模型；
[0029]
图4为图1所述变压器的集总等效电路模型验证方法流程图；
[0030]
图5为图1所述变压器的一个应用场景；
[0031]
图1中：1-主线圈；2-次线圈；3-输入端；4-输出端；5-中心抽头端。
具体实施方式
[0032]
下面结合具体的实施例与说明书附图对本发明进行进一步的描述。
[0033]
针对现有技术中高速数字隔离器存在的集成难度大、成本高等问题，本发明提供一种用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器，该变压器面积小，能够大幅度减小成本，有利于实现易于片上集成的高速数字隔离器。
[0034]
图1示出了本发明实施例中提供的一种用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器的版图结构，该变压器为三端口器件，分别为输入端3、中心抽头端5和输出端4，可以看做是由一个线圈宽度可变的螺旋电感从合适的位置引出中心抽头得到。该变压器包括层叠设置的主线圈1和次线圈2，主线圈1具有输入端3和中心抽头端4，次线圈2具有输入端1和输出端4，主线圈1的输入端和次线圈2的输入端为同一输入端。
[0035]
主线圈1和次线圈2由金属线沿设定轨迹螺旋绕制而成，具体的绕线方式为：主线圈1和次线圈2从输入端3开始并行沿同一设定轨迹绕至中心抽头端5，然后次线圈2按设定轨迹继续绕至输出端4，从而形成同心的螺旋线圈，输入端3位于线圈的最外侧，输出端4位于线圈的最内侧；以中心抽头端5为界线，界线以外的部分形成外圈，界线以内的部分形成内圈。
[0036]
本发明一优选的实施例中，螺旋线圈外形为八边形。
[0037]
输入端3在线圈最外侧，用于为整个数字隔离器电路提供esd保护，输入端位置线圈宽带最大，有利于增强数字隔离器的esd保护能力；中心抽头端5用于挂载esd保护二极管，能够在发生esd事件时泄放从输入端3输入t型电感线圈变压器的大电流；输出端4则直接与高速数字隔离器的内部电路相连，从而实现变压器的功能。
[0038]
本发明提供的变压器中，同心的螺旋线圈的圈数至少为两圈，线圈宽度由内圈向外圈逐渐增大。由于内圈位置的磁场强度往往大于外圈，会引入更大的涡流损耗，且内圈线圈长度仅占据线圈总长度一小部分，对变压器中的电感值贡献不大，因此本发明提出的变压器设计成线圈宽度由内圈向外圈逐渐增大的结构，由此减少由内圈较强磁场引入的涡流
损耗，并同时增大外圈线圈宽度，以提供更大的esd电流承载能力。此外，该t型电感线圈变压器依靠可变的宽度实现了尽可能高的感值和品质因子，高的品质因子保证t型电感线圈变压器本身不会对信号造成显著衰减，同时补偿了esd二极管寄生电容在高速使用条件下引入的信号损耗。该变压器在抽头金属引出位置上相较对称变压器具有更加灵活的优势，可在含esd保护作用的高速数字隔离器设计中具有更高的自由度，易于实现更优的隔离性能。品质因子相对宽度恒定的结构最高可以提升40％。
[0039]
结合电磁场理论知识，对于高电阻硅介质，能量损失是能量耗散的主要来源。随着隔离器工作频率的不断增加，涡流效应将使变压器线圈电流密度不对称现象比以前更严重，这种现象将增加变压器的寄生电阻，而且变压器中相关磁场的最大值在变压器线圈的中心。因此，窄的变压器内部线圈可以减少内部的损失，宽的变压器外部线圈用来减小寄生电阻。
[0040]
参照图2，该变压器的设计参数定义如下：
[0041]rin
：线圈内径；
[0042]
space:线圈间距；
[0043]
width
min
：线圈最小宽度；
[0044]
width
max
：线圈最大宽度。
[0045]
基于上述非对称宽带可变的t型电感线圈变压器的版图结构，本发明采用如图3所示的集总等效电路模型对变压器进行建模并做出合理简化。
[0046]
在本发明提供的变压器设计中，为了更直观地衡量其电学性能，并且验证本发明提出的变压器能实现和普通变压器一样的功能，需要进一步计算其主线圈感值l1、次线圈感值l2、主线圈品质因子q1、次线圈品质因子q2和耦合系数k。参考图4所示的验证方法流程图，验证过程包括以下步骤：
[0047]
s1、将中心抽头端接地，并在输入端和输出端施加激励，之后再通过电磁仿真得到变压器的三端口s参数(散射参数)文件；
[0048]
s2、为了方便计算，将电磁仿真得到的s参数转变为z参数(阻抗参数)，相关公式如下：
[0049][0050]
s3、利用转换得到的z参数，提取出变压器的电学参数，相关计算公式如下：
[0051][0052]
式中：ω为变压器的工作频率。
[0053]
根据s3步中提取的电学参数，可以看出本发明提出的新结构能够完全对应普通结构变压器的各项参数及指标。
[0054]
图5示意了本发明提供的上述变压器的一个应用场景，它具有三个外部端口，其中中心抽头可用于配合esd二极管构成具有esd保护能力的输入匹配网络。非对称宽带可变的t型电感线圈变压器构成了数字隔离器的核心部分，它具有紧凑的版图设计、灵活的宽度调节、优良的品质因子和可靠的esd保护能力，这些特点共同为隔离器提供技术支撑。
[0055]
本发明提供的一种应用于高速数字隔离器的紧凑型片上变压器及验证方法，可实现高效可靠的数字隔离器。它在不同圈数下的金属宽度各不相同，由此减少由内圈较强磁场引入的涡流损耗，并同时增大外圈线圈宽度，以提供更大的esd电流承载能力。此外，该t型电感线圈变压器依靠可变的宽度实现了尽可能高的感值和品质因子，高的品质因子保证t型电感线圈变压器本身不会对信号造成显著衰减，同时补偿了esd二极管寄生电容在高速使用条件下引入的信号损耗。
[0056]
上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

技术特征：

1.一种用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器，其特征在于，所述变压器包括层叠设置的主线圈和次线圈，所述主线圈具有输入端和中心抽头端，所述次线圈具有所述输入端和输出端，所述输入端用于信号输入，所述输出端用于与高速数字隔离器的内部电路相连；所述主线圈和次线圈由金属线沿设定轨迹螺旋绕制而成，绕线方式为：所述主线圈和次线圈从所述输入端开始并行沿同一设定轨迹绕至所述中心抽头端，然后所述次线圈按设定轨迹继续绕至所述输出端，从而形成同心的螺旋线圈，所述输入端位于线圈的最外侧，所述输出端位于线圈的最内侧；以所述中心抽头端为界线，界线以外的部分形成外圈，界线以内的部分形成内圈。2.根据权利要求1所述的用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器，其特征在于，在所述外圈部分，所述主线圈和次线圈具有相同的线圈宽度。3.根据权利要求2所述的用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器，其特征在于，所述主线圈的线圈宽度由所述中心抽头端向所述输入端逐渐增大，所述次线圈的线圈宽度由所述输出端向所述输入端逐渐增大。4.根据权利要求1所述的用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器，其特征在于，所述中心抽头端用于挂载esd保护二极管，能够在发生esd事件时泄放从所述输入端输入的大电流。5.根据权利要求1所述的用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器，其特征在于，所述螺旋线圈的外形为八边形。6.根据权利要求1-5任一项所述的用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器，其特征在于，所述螺旋线圈的圈数≥2。7.权利要求1-6任一项所述的用于dc/dc电源隔离工业芯片的紧凑型变压器的集总等效电路模型验证方法，包括以下步骤：s1、将所述中心抽头端接地，并在所述输入端和输出端施加激励，通过电磁仿真得到所述变压器的三端口s参数；s2、将电磁仿真得到的所述s参数转变为z参数，转变公式为：s3、根据所述z参数计算主线圈感值l1、次线圈感值l2、主线圈品质因子q1、次线圈品质因子q2及耦合系数k，计算公式为：
式中：ω为变压器的工作频率。

技术总结

本发明涉及一种用于DC/DC电源隔离工业芯片的紧凑型变压器及验证方法，属于隔离器技术领域，该变压器包括层叠设置的主线圈和次线圈，主线圈具有输入端和中心抽头端，次线圈具有输入端和输出端，输入端用于信号输入，输出端用于与高速数字隔离器的内部电路相连；主线圈和次线圈的绕线方式为：主线圈和次线圈从输入端开始并行沿同一设定轨迹绕至抽头端，然后次线圈按设定轨迹继续绕至输出端，从而形成同心的螺旋线圈，输入端位于线圈最外侧，输出端位于线圈最内侧；以抽头端为界线，界线以外的部分形成外圈，界线以内的部分形成内圈；线圈宽度从内圈到外圈逐渐增大。本发明提供的变压器能够在保证隔离性能的前提条件下大幅度缩减变压器的面积。减变压器的面积。减变压器的面积。