一種隔離型功率變換器基於高壓電容耦合的控制晶片的製作方法

2023-11-06 04:55:47 2

本發明屬於功率變換器技術領域，具體涉及一種隔離型功率變換器基於高壓電容耦合的控制晶片。

背景技術：

目前，在隔離型功率變換電路中，使用變壓器實現輸入與輸出的電氣隔離。功率控制開關在輸入側對輸出進行控制。為了構成負反饋控制環路，需要採樣輸出側電學信號，經過控制運算，將輸出側信號轉換為控制信號送給輸入側功率開關。為了實現隔離，該反饋環通路信號需要進行電氣隔離傳輸。隔離型功率變換電路的隔離需要在2KV以上。為了解決隔離問題，目前有兩類解決方法。第一類解決隔離問題的方法是採用輸入側反饋檢測，如圖1(a)所示，在功率變壓器的原邊對輸出電壓電流進行檢測，對應採用原邊峰值電流控制方式的控制器，此種檢測方式需要在開關周期的特定部分，通過功率變壓器的電壓感應來檢測輸出電壓大小，其控制精度有限；如圖1(b)所示，在功率變壓器中添加了一個輔助繞組，通過變壓器的電磁感應來檢測輸出電壓，此種方式需要在變壓器中添加額外的繞組，需要佔用額外的印刷電路板面積並增加變壓器的成本。

另一類解決隔離問題的方法是在反饋通路中添加隔離電路，根據隔離電路的原理，隔離方式分為磁隔離、光耦隔離、電感耦合隔離等；圖1(c)所示了現有採用光耦隔離方式的功率變換器，該變換器能夠獲得較好的輸出電壓採樣精度，提高變換器的輸出特性；但是該種方案要求額外的光耦及其配套的採樣補償電路，需要額外佔用電路板的面積並增加成本。

由此可見，磁隔離方式以及光耦隔離方式需要利用額外的隔離元件實現隔離，難以集成到單顆控制晶片內部；電感耦合隔離方式能夠利用晶片封裝引線框架，將隔離通路集成在單個封裝內，但需要特殊的封裝框架，此外電感耦合隔離方式還對外部電磁環境較為敏感，容易出現誤觸發。

技術實現要素：

針對現有技術所存在的上述技術問題，本發明提供了一種隔離型功率變換器基於高壓電容耦合的控制晶片，通過採用片上高壓隔離反饋通路，在保證控制和檢測精度的同時，簡化了系統外圍電路，從而減小了電路板面積，降低了分立器件的成本，提高系統的可靠性。

一種隔離型功率變換器基於高壓電容耦合的控制晶片，包括副邊控制電路、高壓電容隔離耦合電路以及原邊控制電路；其中：

所述的副邊控制電路通過檢測功率變換器的輸出電壓及輸出電流，經相應控制邏輯運算得到功率變換器原邊主功率開關管的開關控制信號；

所述的高壓電容隔離耦合電路用於對副邊控制電路和原邊控制電路進行電氣隔離，同時將副邊控制電路生成的開關控制信號傳輸給原邊控制電路；

所述的原邊控制電路通過高壓電容隔離耦合電路接收所述的開關控制信號，用以對主功率開關管進行開關控制。

所述功率變換器原邊的主功率開關管封裝於所述的控制晶片內；所述功率變換器中跨接原副兩邊地線之間的跨接電容封裝於所述的控制晶片內。

所述的高壓電容隔離耦合電路包括反相放大器、高壓電容以及電壓比較器；其中，所述反相放大器的輸入端與副邊控制電路相連以接收所述的開關控制信號，輸出端通過引線與高壓電容的上極板相連；高壓電容的下極板與電壓比較器的同相輸入端相連，電壓比較器的反相輸入端接參考電平，電壓比較器的輸出端與原邊控制電路相連，所述的反相放大器作為發送器，所述的電壓比較器作為接收器。

所述的高壓電容隔離耦合電路包括反相放大器、高壓電容、偏置電阻以及電壓比較器；其中，所述反相放大器的輸入端與副邊控制電路相連以接收所述的開關控制信號，輸出端通過引線與高壓電容的上極板相連；高壓電容的下極板與電壓比較器的同相輸入端以及偏置電阻的一端相連，偏置電阻的另一端接偏置電壓，電壓比較器的反相輸入端接參考電平，電壓比較器的輸出端與原邊控制電路相連，所述的反相放大器作為發送器，所述的偏置電阻和電壓比較器組成作為接收器。

所述的高壓電容隔離耦合電路包括兩個反相放大器、兩個高壓電容、兩個偏置電阻以及電壓比較器；其中一反相放大器的輸入端與副邊控制電路相連以接收所述的開關控制信號，輸出端與另一反相放大器的輸入端相連同時通過引線與其中一高壓電容的上極板相連；另一反相放大器的輸出端通過引線與另一高壓電容的上極板相連，其中一高壓電容的下極板與一偏置電阻的一端以及電壓比較器的同相輸入端相連，另一高壓電容的下極板與另一偏置電阻的一端以及電壓比較器的反相輸入端相連，兩個偏置電阻的另一端共連並接偏置電壓，電壓比較器的輸出端與原邊控制電路相連；所述的兩個反相放大器組成作為發送器，所述的兩個偏置電阻和電壓比較器組成作為接收器。

所述的控制晶片內包含有互相隔離的兩個晶片，其中原邊控制電路、主功率開關管、接收器和高壓電容封裝於其中一個晶片上，副邊控制電路和發送器封裝於另一個晶片上。

作為一種實現形式，所述的高壓電容包括嵌設於P襯底上的一圈P+有源區以及一塊N+有源區且N+有源區位於P+有源區圈內，所述的N+有源區上設有氧化層，所述的氧化層上設有頂層金屬，所述的頂層金屬作為高壓電容的上極板通過引線與發送器相連，所述的P+有源區接原邊地，所述的N+有源區作為高壓電容的下極板與接收器相連。

作為另一種實現形式，所述的高壓電容包括嵌設於P襯底上的一圈P+有源區以及一塊N阱且N阱位於P+有源區圈內，所述的N阱上嵌設有一圈N+有源區，位於N+有源區圈內的N阱上設有氧化層，所述的氧化層上設有頂層金屬，所述的頂層金屬作為高壓電容的上極板通過引線與發送器相連，所述的P+有源區接原邊地，所述的N+有源區作為高壓電容的下極板與接收器相連。

作為又一種實現形式，所述的高壓電容包括嵌設於P襯底上的一圈P+有源區以及一塊N阱且N阱位於該P+有源區圈內；所述的N阱上嵌設有一圈N+有源區和一塊P+有源區且該P+有源區位於N+有源區圈內，該P+有源區上設有氧化層，所述的氧化層上設有頂層金屬，所述的頂層金屬作為高壓電容的上極板通過引線與發送器相連，外圍的一圈P+有源區接原邊地，內圍的一塊P+有源區作為高壓電容的下極板與接收器相連，所述的N+有源區接原邊電源電壓。

作為又一種實現形式，所述的高壓電容包括嵌設於P襯底上的一塊P阱，所述的P阱上嵌設有一圈P+有源區和一塊N+有源區且N+有源區位於P+有源區圈內，所述的N+有源區上設有氧化層，所述的氧化層上設有頂層金屬，所述的頂層金屬作為高壓電容的上極板通過引線與發送器相連，所述的P+有源區接原邊地，所述的N+有源區作為高壓電容的下極板與接收器相連。

作為又一種實現形式，所述的高壓電容包括嵌設於P襯底上的一圈P+有源區，位於P+有源區圈內的P襯底上設有第一氧化層，所述的第一氧化層上設有中間層金屬，所述的中間層金屬上設有第二氧化層，所述的第二氧化層上設有頂層金屬，所述的頂層金屬作為高壓電容的上極板通過引線與發送器相連，所述的P+有源區接原邊地，所述的中間層金屬作為高壓電容的下極板與接收器相連。

作為又一種實現形式，所述的高壓電容包括設於P襯底上的兩組頂層金屬，頂層金屬與P襯底之間通過氧化層隔離，兩組頂層金屬採用插指狀結構，使得兩者之間的寄生電容即構成所述的高壓電容，其中一組頂層金屬作為高壓電容的上極板通過引線與發送器相連，另一組頂層金屬作為高壓電容的下極板與接收器相連。

本發明由於採用了片上高壓電容隔離耦合電路，在保證控制和檢測精度的同時，簡化了系統外圍電路，從而無需輔助繞組、分立隔離電路或片外偏置和補償電路，從而減小了電路板面積，降低了分立器件的成本，提高系統的可靠性。本發明由於採用了與現有工藝相兼容的電容結構，從而能夠在無需對現有IC製造工藝進行改造的情況下，直接將電容與控制電路製作在同一片晶片上，從而在不增加晶片製造成本的情況下獲得上述性能改進。

附圖說明

圖1(a)為採用原邊檢測的功率變換器結構示意圖。

圖1(b)為採用輔助繞組進行電壓檢測的功率變換器結構示意圖。

圖1(c)為採用光耦隔離進行電壓反饋的功率變換器結構示意圖。

圖2(a)為利用功率變換控制器中的跨接電容及晶片上集成的高壓電容構成的耦合電路結構示意圖。

圖2(b)為利用晶片上集成的高壓電容和集成的跨接電容構成的耦合電路結構示意圖。

圖2(c)為無需跨接電容參與利用晶片上集成的高壓電容構成的差分式耦合電路結構示意圖。

圖3(a)為與現有工藝兼容的一種基本的片上高壓耦合電容截面示意圖。

圖3(b)為改進型可偏置以減小寄生電容的一種高壓耦合電容截面示意圖。

圖3(c)為改進型可偏置以減小寄生電容的第二種高壓耦合電容截面示意圖。

圖3(d)為改進型可偏置以減小寄生電容的第三種高壓耦合電容截面示意圖。

圖3(e)為無需偏置電壓的高壓耦合電容截面示意圖。

圖3(f)為只需要使用頂層金屬的高壓耦合電容結構俯視圖。

圖4為在封裝中利用封裝引線連接高壓耦合電容的俯視示意圖。

圖5為在封裝中利用封裝引線連接高壓耦合電容的截面示意圖。

圖6(a)為單端高壓耦合電路的結構示意圖。

圖6(b)為帶電壓偏置的高壓耦合電路的結構示意圖。

圖6(c)為帶電壓偏置的差分型高壓耦合電路的結構示意圖。

圖7為使用高壓耦合隔離電路進行隔離反饋的反激式功率變換器結構示意圖。

具體實施方式

為了更為具體地描述本發明，下面結合附圖及具體實施方式對本發明的技術方案進行詳細說明。

本發明基於高壓電容耦合的控制晶片包含了與現有工藝相兼容的高壓隔離電容，該電容利用頂層金屬和襯底作為電容的兩個極板，或使用頂層金屬和帶偏置的阱來作為電容的兩個極板，通過對阱進行偏置進一步減小寄生電容對信號傳輸的影響。控制電路包括原邊控制電路和副邊控制電路，其中原邊控制電路與原邊功率開關管集成於單片晶片上，主要功能是接受副邊發送的功率管開關控制信號，並驅動功率管開通和關斷。副邊控制電路包含主要的控制邏輯，通過檢測輸出電壓電流，得到功率管的控制信號，並發送到原邊控制電路。原邊控制電路與副邊控制電路相隔離，控制信號通過高壓隔離電容進行傳遞，由副邊控制電路中的發送驅動電路驅動，由原邊控制控制電路中的檢測電路恢復控制信號，並送給原邊功率管。原邊控制晶片和副邊控制晶片在單個封裝內部通過封裝引線相連，無需額外的處理即可實現隔離。

圖2(a)所示了隔離耦合的基本實現形式。集成於同個晶片封裝內的兩個部分，包含互相隔離的兩個晶片。發送器位於相互隔離的第一個晶片上，高壓電容和接收器位於相互隔離的第二個晶片上。發送器上包含一個信號源，該信號源由功率變換電路的控制邏輯產生，根據功率變換電路的狀態發生變化，如給出脈衝、正跳變或負跳變。發送器上還包含一個驅動放大電路DRV，該電路將信號源的信號進行放大，以使得發送信號達到一定的強度。放大電路的輸出與片上高壓電容CH相連，高壓電容的另一端與接收器的輸入相連。接收器包含一個電壓比較器，用於對接收到的信號進行恢復，該比較器具有一個阻值較大的輸入電阻Rin。該電路還包含了在功率變換電路中所需要的原邊與副邊的地線之間跨接的電容CY，該電容為傳統隔離型功率變換電路中所必需的電容，而非為實現本發明需要額外添加的元件。從而，由片上高壓電容CH、輸入電阻Rin和片外跨接電容CY構成了一個完整的迴路。輸入信號發生變化時，會在電容CH的一個極板上產生一個充電電流IT，對應地在輸入電阻Rin上產生一個瞬時的電壓跳變VR。該電壓跳變會被比較器檢測到，並恢復為一個邏輯信號，從而實現信號從發送器到接收器的傳遞。

圖2(b)所示了相對於圖2(a)的一種改進方案，即將隔離功率變換電路所需的CY電容使用片上方式實現，置於封裝內部。該方案的基本工作原理與圖2(a)中電路的工作原理相同。

圖2(c)所示了相對於圖2(a)的另一種改進方案，該方案採用了差分式的信號傳輸方法，而無需跨接電容CY的參與。該方案包含集成於同一個封裝內的兩個相互隔離的晶片上的電路。發送器位於相互隔離的第一個晶片上，發送器包含一個信號源和一個差分放大電路。該信號源由功率變換電路的控制邏輯產生，根據功率變換電路的狀態發生變化，如給出脈衝、正跳變或負跳變。該差分放大電路用於依據信號源信號產生兩個幅度相等，相位相反的差分信號，並送給高壓隔離電容。發送器的差分放大電路的輸出分別與兩個高壓隔離電容CH1和CH2相連。高壓隔離電容CH1和CH2分別接比較器的同相輸入端和反相輸入端。比較器的兩個輸入端對地均有較大的輸入電阻Rin1和Rin2。該電路在工作時，信號源的信號經過差分放大電路放大，在高壓電容CH1和CH2上產生方向相反大小相等的電流IT1和IT2，該電流流經輸入電阻Rin1和Rin2即在比較器的輸入端產生電壓跳變VR，該電壓跳變被比較器檢測到，作為邏輯電平輸出給其它控制電路。

圖3(a)所示了一種基本的片上高壓隔離電容的結構，該高壓電容的上極板Cp由工藝中的頂層金屬構成，下極板Cn由製作在P-sub上的N+有源區構成，兩個極板之間為二氧化矽介質層Oxide，通過調整二氧化矽介質層的厚度可以對電容的擊穿電壓進行調整。由於上極板使用了頂層金屬，上極板可以直接通過封裝引線與外部進行連接。在N+有源區外圍還有一圈與地相連的P+有源區，用於將電容的下極板與電路的其他部分隔離，以減少與電路其他部分的互相干擾。

圖3(b)所示了一種改進型的片上高壓電容結構，該高壓電容的上極板Cp由工藝中的頂層金屬構成，下極板Cn由製作在P-sub上的N阱構成，N阱經由N+有源區與外部相連，兩個極板之間為二氧化矽介質層Oxide，通過調整二氧化矽介質層的厚度可以對電容的擊穿電壓進行調整。由於上極板使用了頂層金屬，上極板可以直接通過封裝引線與外部進行連接。在N+有源區外圍還有一圈與地相連的P+有源區，用於將電容的下極板與電路的其他部分隔離，以減少與電路其他部分的互相干擾。該結構的改進之處在於，其使用的N阱可以通過下極板Cn進行單獨的電壓偏置。使用低摻雜的N阱有助於減小寄生PN結電容，在有電壓偏置的狀態下，可以使得N阱到P-sub襯底的寄生PN結電容進一步減小，從而減小寄生電容對信號傳輸的影響。

圖3(c)所示了一種改進型的片上高壓電容結構，該高壓電容的上極板Cp由工藝中的頂層金屬構成，下極板Cn由製作在N阱中的P+有源區構成，N阱經由N+有源區與外部電源vdd相接，兩個極板之間為二氧化矽介質層Oxide，通過調整二氧化矽介質層的厚度可以對電容的擊穿電壓進行調整。由於上極板使用了頂層金屬，上極板可以直接通過封裝引線與外部進行連接。在N+有源區外圍還有一圈與地相連的P+有源區，用於將電容與電路的其他部分隔離，以減少與電路其他部分之間的互相干擾。該結構的改進之處在於，其使用的N阱直接與電源相接，可以對下極板Cn進行單獨的電壓偏置。在有電壓偏置的狀態下，可以使得N阱到P+有源區之間的寄生PN結電容減小，從而減小寄生電容對信號傳輸的影響。此外，由於使用了與電源相接的N阱，該電容能夠獲得更好的隔離效果。該結構電路還提高了電路的安全性，由於電源到地之間的PN結的存在，該電路還能夠對電路中的ESD事件起到保護作用。同時，由於電源到電容下極板Cn的PN結的存在，電容下極板Cn的電位也會被限制在合理的範圍內，以避免其上耦合的信號過大，造成其它電路失效。

圖3(d)所示了一種改進型的片上高壓電容結構，該高壓電容的上極板Cp由工藝中的頂層金屬構成，下極板Cn由製作在P阱中的N+有源區構成，P阱經由外圍的P+有源區與地相接，兩個極板之間為二氧化矽介質層Oxide，通過調整二氧化矽介質層的厚度可以對電容的擊穿電壓進行調整。由於上極板使用了頂層金屬，上極板可以直接通過封裝引線與外部進行連接。P阱用於將電容與電路的其他部分隔離，以減少與電路其他部分的互相干擾。該結構的改進之處在於，下極板使用N+有源區能夠進行單獨的電壓偏置，使得N+有源區到P阱之間的寄生PN結電容減小，從而減小寄生電容對信號傳輸的影響。

圖3(e)所示了一種片上高壓電容結構，該高壓電容的上極板Cp由工藝中的頂層金屬構成，下極板Cn由工藝中的第一層金屬M1構成，頂層金屬與第一層金屬之間為二氧化矽介質層Oxide，第一層金屬與襯底之間也由二氧化矽介質層Oxide隔離，該電容周圍的襯底由P+有源區實現與電路其他部分的隔離。該電容的優點是無需偏置電壓，可以根據需要進行合理的串聯以提高耐壓。

圖3(f)給出了一種只需要使用頂層金屬的高壓電容結構。為了說明的方便，圖3(f)為俯視圖，該高壓電容的上下極板Cp及Cn均使用頂層金屬TM實現，兩個極板使用插指狀結構，通過頂層金屬之間的寄生電容來構成高壓電容。該種高壓電容結構的優點是結構簡單，易於實現。

圖4給出了高壓電容及其所在的控制電路的封裝示意圖。由於要實現隔離，封裝引線框架分為互不相接的兩部分。兩顆晶片分別置於這兩部分互相隔離的框架之上。其中原邊控制電路及功率管、高壓隔離電容所在晶片置於原邊框架上，並通過封裝引線與框架相連，副邊控制電路所在晶片置於副邊框架上，並通過封裝引線與副邊框架相連。兩個晶片之間通過封裝引線進行相連。根據隔離耦合方案，可選地使用單根或雙根引線將原邊晶片與副邊晶片相連。圖5為晶片連接的界面示意圖，隔離耦合電路的發送器位於副邊控制電路所在晶片上。其包含一個使用頂層金屬構成的引線PAD，即信號發送引線埠TX PAD，隔離耦合電路的高壓電容及接收器位於原邊控制電路所在晶片上，電容的上極板為頂層金屬，構成一個引線PAD，即信號接收RX PAD。兩個PAD之間通過封裝引線相連。高壓電容的下極板接電容輸出信號RXi，送給檢測比較器。

圖6(a)所示了無需偏置的高壓電容進行隔離時的原理圖，該方案採用非差分發送方式。發送信號TS經過反相器INV1放大，與發送PAD TX相接，TX PAD經過引線與接收PAD RX相接，RX PAD為高壓電容的上極板，高壓電容的下極板與信號RXi相接，並接入比較器CMP1的同相輸入端，比較器CMP1的反相輸入端接參考電平Vref，比較器的輸出即為接收到的信號RXo。節點RXi對地接大電阻RB以為RXi提供直流電位。本行業內的從業人員應當了解，為保證電路正常工作，比較器CMP1應設計有一定的滯回。

圖6(b)所示了使用改進型高壓電容的電路原理圖，該方案採用非差分發送方式。發送信號TS經過反相器INV2放大，與發送PAD TX相接，TX PAD經過引線與接收PAD RX相接，RX PAD為高壓電容的上極板，高壓電容的下極板與信號RXi相接，並接入比較器CMP1的同相輸入端，同時RXi經由較大阻值的偏置電阻RBIAS與偏置電壓Vb相連。比較器CMP2的反相輸入端接參考電平Vref，比較器的輸出即為接收到的信號RXo。本行業內的從業人員應當了解，為保證電路正常工作，比較器CMP2應設計有一定的滯回。

圖6(c)所示了使用改進型高壓電容及差分傳輸方案的電路原理圖，發送信號TS與反相器INV3的輸入相連，反相器INV3的輸出與反相器IVN4的輸入和發送PAD TX2相連，反相器INV4的輸出與發送PAD TX1相連。TX1PAD經過引線與接收PAD RX1相接，RX1PAD為高壓電容的上極板，高壓電容的下極板與信號RXi1相接，並接入比較器CMP3的同相輸入端，同時RXi1經由較大阻值的偏置電阻RBIAS1與偏置電壓Vb相連。TX2PAD經過引線與接收PAD RX2相接，RX2PAD為高壓電容的上極板，高壓電容的下極板與信號RXi2相接，並接入比較器CMP3的反相輸入端，同時RXi2經由較大阻值的偏置電阻RBIAS2與偏置電壓Vb相連。反相器CMP3的輸出即為接收到的信號RXo。本行業內的從業人員應當了解，為保證電路正常工作，比較器CMP3應設計有一定的滯回。

圖7給出了高壓耦合隔離電路進行隔離反饋的反激變換器的實施方案。該反激變換器為傳統同步整流拓撲結構，包含一個輸入交流電源，輸入交流電源與輸入二極體整流橋相連，二極體整流橋的輸出正端為原邊母線，二極體整流橋的輸出負端為原邊地，原邊母線與原邊地之間跨接整流電容Cin，原邊母線與變壓器原邊同名端相連，變壓器原邊非同名端與隔離控制晶片相連，晶片內部接功率開關管M1的漏端。變壓器原邊繞組與RCD吸收電路相連，以吸收電路工作過程中產生的電壓尖峰，保護功率開關管。隔離控制晶片內的功率開關管的源端與外部電流採樣電阻RCS相連，採樣電阻RCS的另一端接原邊地。變壓器的副邊繞組的非同名端接輸出的正埠，變壓器副邊繞組的同名端接同步整流電晶體的漏端，同步整流電晶體的源端接輸出負埠，輸出負埠也即副邊地，同步整流電晶體的柵極接副邊控制電路。隔離控制晶片的副邊控制電路經由採樣電阻RSP與變壓器副邊同名端相連，用於對電路工作狀態進行採樣。輸出正埠與副邊地之間跨接濾波電容CL，輸出正埠與副邊地之間還跨接兩個串聯的反饋電阻RFB1和RFB2，反饋電阻RFB1和RFB2的中間點與副邊控制電路的反饋輸入相連，用於對輸出電壓進行檢測。副邊地與原邊地之間跨接電容CY。副邊控制電路與原邊控制電路之間通過前述的高壓隔離耦合電路傳輸控制信號。

該電路正常工作時，副邊控制電路通過反饋電阻採樣得到輸出電壓。若輸出電壓小於預定值，則副邊控制電路經過高壓隔離耦合電路向原邊電路發送功率管開通信號。原邊控制電路接收到功率管開通信號後，控制功率管導通一定的時間。副邊電路在此過程中通過採樣電阻RSP監測變壓器副邊同名端的電壓變化。當檢測到變壓器副邊同名端的電壓大於零時，表明原邊功率管導通，副邊控制電路控制同步整流管關斷。此時，能量存儲與變壓器之中。當檢測到電壓由大於零變為小於零時，表明原邊功率管關斷，副邊控制電路控制同步整流管導通，此時，變壓器中存儲的能量釋放給輸出濾波電容和負載。當副邊控制電路檢測到輸出電壓超過預定值時，則停止向原邊控制電路發送功率管導通控制信號，原邊功率管不做開關動作。

該控制晶片實現了將原邊和副邊控制電路集成於同一個封裝內，且無需增加額外的成本。由於使用了副邊控制方案，使得電路能夠有更好的響應速度。