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

本发明专利技术涉及一种用于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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于隔离器
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术存在的缺陷，本专利技术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。
[0006]为达到以上目的，本专利技术采用的一种技术方案是：
[0007]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；
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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：
[0015]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；
[0016]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，采用本专利技术所述的用于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)本专利技术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为本专利技术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专利技术进行进一步的描述。
[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，本专利技术提供一种用于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示出了本专利技术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]本专利技术一优选的实施例中，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]本专利技术提供的变压器中，同心的螺旋线圈的圈数至少为两本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志强，徐鹏，周勇，夏衡，杨玉茹，刘问博，
申请(专利权)人：芯创智创新设计服务中心宁波有限公司，
类型：发明
国别省市：