電隔離器電路的製作方法

2023-05-13 03:04:16

本發明涉及一種電隔離器電路。

背景技術：

在信號傳輸領域中，時常需要將信號或能量從一個電壓域的電路中傳遞到另一個電壓域的電路，或是將信號或能量從一種介質傳遞到另一種介質。然而，由於電壓域或介質種類的不同，信號在傳遞過程中可能會藉由寄生路徑來幹擾或擊穿周邊的電路而造成毀損。因此，為了電路的可靠度著想，通常會藉由電隔離器、信號隔離器、耦合器或是隔離護欄(isolationbarrier)以在不同電壓域的電路之間傳遞信號，保護電路。

電隔離器可以適用於許多電源電路領域中，例如電源系統(如，電源供應器、馬達控制系統、伺服器供電系統、家電…等)、照明控制系統(如，led控制器)以及工業馬達系統(如，機器手臂、車用馬達)…等。上述這些電源電路系統通常是通過控制電路來產生信號或命令，控制輸出級電路並將能量傳遞到負載。

目前來說，電隔離器通常採用光耦合器、電容器或是變壓器來實現。若以光耦合器作為電隔離器，由於發光二極體(led)的工藝無法相容於電晶體工藝(例如，cmos工藝)，並且led本身具有光衰、熱損…等問題，因此無法整合到晶片中而需另外封裝。若採用可整合至晶片上的變壓器或電容器來做為電隔離器，則可能需要傳輸高頻的信號才能達到有效的傳輸效率，導致採用此種電隔離器的電路需要另外設計調製與解調製功能，才能順利地傳輸信號。因此，目前廠商仍然在積極尋求較為可以節省功耗並具備低信號失真度的電隔離器實現技術。

技術實現要素：

本發明提供一種電隔離器電路，其利用線圈與磁場傳感器並通過磁性耦合(magneticcoupling)來實現電隔離功能。

依照本發明的電隔離器電路一實施例，包括線圈以及磁場傳感器。線圈耦接至第一電路。磁場傳感器耦接至第二電路，且磁場傳感器與線圈相應設置。所述第一電路藉由所述線圈以傳遞磁場信號至所述磁場傳感器。所述磁場傳感器將所述磁場信號轉換為輸出信號並提供給所述第二電路。

依照本發明的電隔離器電路一實施例，包括第一線圈、第二線圈、第一磁場傳感器以及第二磁場傳感器。第一線圈及第二線圈耦接傳輸端電路。第一磁場傳感器以及第二磁場傳感器分別耦接第一接收端電路以及第二接收端電路。第一磁場傳感器與所述第一線圈相應設置，且第二磁場傳感器與所述第二線圈相應設置。所述傳輸端電路藉由第一線圈及第二線圈以分別傳遞第一磁場信號以及第二磁場信號至所述第一磁場傳感器與所述第二磁場傳感器。第一磁場傳感器將所述第一磁場信號轉換為第一輸出信號以提供給所述第一接收端電路，且所述第二磁場傳感器將所述第二磁場信號轉換為第二輸出信號以提供給所述第二接收端電路。

基於上述，依照本發明的實施例所述的電隔離器電路利用線圈與磁場傳感器，並通過磁性耦合來實現電隔離器的功能。依照本發明的電隔離器實施例可與晶片工藝相結合，其傳輸的信號可以為高頻信號與低頻信號，且不需要將信號進行調製及解調。藉此，依照本發明實施例的電隔離器電路較可使功耗降低、減少信號失真度、降低工藝成本以及封裝成本。並且，此種電隔離器可藉由半導體工藝來製作，因此可整合到晶片中。另一方面，可藉由兩組線圈以及兩組磁場傳感器來實現電隔離功能，消除共模噪聲且放大差模信號，抵抗噪聲幹擾。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉依照本發明的實施範例，並配合附圖作詳細說明如下。

附圖說明

圖1是依照本發明的一種採用電隔離器的電路的第一實施例示意圖。

圖2是依照本發明第一實施例的一種採用電隔離器的電路的功能方塊圖。

圖3是電路中傳輸端電路以及接收端電路的詳細電路圖。

圖4為控制信號、進行編碼前的傳輸電流、進行編碼後的傳輸電流以及輸出信號的時序圖。

圖5是依照本發明的一種採用兩組電隔離器的電路第二實施例的功能方塊圖。

圖6是依照本發明的一種電隔離器電路的電路第三實施例方塊圖。

圖7是依照本發明的一種電隔離器電路的電路第四實施例方塊圖。

【符號說明】

100、500、600、700：電路

110：電隔離器

120：第一電路

130：第二電路

140：負載

vd1、vd2：電壓域

210、512、522、612、622、712、722：線圈

220、514、524、614、624、714、724：磁場傳感器

230：控制電路

240、530、630、730：傳輸端電路

250、540、640、740：接收端電路

260：輸出級電路

cs、cs1、cs2：控制信號

i、i1、i2：傳輸電流

b、b1、b2：磁場信號

vs、sa、sa1、sa2：輸出信號

310、536、538、636、736、738：受控電流源

320、532、534、632、732、734：電流編碼器

330、542、544、642、644、742、744：輸出放大器

io：進行編碼前的傳輸電流

in：進行編碼後的傳輸電流

t1：控制信號的致能期間

tc1、tc2：期間

pl1、pl2：脈衝部分

具體實施方式

圖1是依照本發明的一種採用電隔離器110的電路100的第一實施例示意圖。電路100主要包括電隔離器110、第一電路120以及第二電路130。第一電路120的電源連接至第一電壓域vd1，且第二電路130的電源連接至第二電壓域vd2。換句話說，第一電路120屬於第一電壓域vd1，而第二電路130則屬於第二電壓域vd2。電路100還可以包括負載140。負載140連接至第二電路130的輸出端。

在本實施例中，第一電壓域vd1與第二電壓域vd2可以不相同，如此一來便需要電隔離器110來傳遞信號並隔離電壓域。在本實施例中，電路100可適用於電源電路系統中，因此第二電壓域vd2可能為20v至35kv不等，端視應用的電源電路系統而定。第一電壓域vd1則為控制電路常用的電壓範圍，例如1.25v、3.3v、5v…等。此外，依照電源電路系統的應用不同，負載140可以是電源供應器、照明設備、馬達、家電、機器手臂、車用馬達…等。本發明實施例並不受限於此。

圖2是依照本發明第一實施例的一種採用電隔離器110的電路100的功能方塊圖。請參照圖2，電隔離器110包括線圈210以及磁場傳感器220。在本實施例中，磁場傳感器220可以利用霍爾傳感器(hallsensor；或稱為，霍爾元件)來實現。第一電路120可包括控制電路230以及傳輸端電路240。控制電路230可產生控制信號cs。在本實施例中，控制信號cs是以脈衝寬度調製(pulsewidthmodulation；pwm)信號來實現，但不限於此。傳輸端電路240耦接至線圈210。傳輸端電路240主要是接收控制信號cs，並依據該控制信號以產生傳輸電流i至線圈210，使線圈210產生磁場信號b。

第二電路130可包括接收端電路250以及輸出級電路260。磁場傳感器220會依據磁場信號b的大小而產生輸出信號vs。在本實施例中，磁場傳感器220可以是霍爾傳感器。接收端電路250用以接收輸出信號vs，並將輸出信號進行處理，例如放大信號、對信號進行濾波…等。輸出級電路260則可依據處理後的輸出信號sa來判斷是否提供能量給圖1的負載140。在本實施例中，輸出級電路260可以是功率輸出級電路。

圖3是電路100中傳輸端電路240以及接收端電路250的詳細電路圖。圖3中的線圈210、磁場傳感器220、控制電路230以及輸出級電路260與圖2中具有相同名稱的各元件相似。傳輸端電路240包括受控電流源310以及電流編碼器320。於本發明實施例中，電流編碼器320用以控制受控電流源 310，並將控制信號cs轉換為傳輸電流i，使線圈210產生磁場信號b。然而，若是單純地將控制信號cs(以pwm信號為舉例)轉換為傳輸電流i，則會使受控電流源310在控制信號cs致能期間連續不斷地維持傳輸電流i而耗損無謂的電力。

圖4為控制信號cs、進行編碼前的傳輸電流io、進行編碼後的傳輸電流in以及輸出信號sa的時序圖。請同時參考圖3及圖4，當控制信號cs位於致能期間t1中時，進行編碼前的傳輸電流io便會維持其電流量而導致耗損電力。為了節省耗電，本發明實施例的傳輸端電路240可藉由電流編碼器320來依據控制信號cs的電位轉態部分(如，控制信號cs從禁能狀態變成致能狀態的期間tc1以及控制信號cs從致能狀態回到禁能狀態的期間tc2)，以藉由控制受控電流源310而在進行編碼後的傳輸電流in中產生脈衝部分(如，pl1、pl2)。藉此，經由磁場傳感器220以及接收端電路250處理後的輸出信號sa便會產生尖端狀的脈衝，藉以得知控制信號cs的狀態轉換時間點。換句話說，電流編碼器320會檢測控制信號cs在轉態時的邊沿部分，並在檢測到上述邊沿部分時在進行編碼後的傳輸電流in產生相對應的脈衝部分(如，pl1、pl2)，後續的電路(如，輸出級電路260)便可依此來得知控制信號cs的轉態時間點，達到省電功效。

回到圖3，接收端電路250則主要包括輸出放大器330。輸出放大器330耦接磁場傳感器220的兩端。換句話說，此輸出放大器330的正相接收端耦接磁場傳感器220的正相輸出端，輸出放大器330的反相接收端則耦接磁場傳感器220的反相輸出端。藉此，磁場傳感器220便可依據其內建的輸出增益(如，內建增益為a)而將輸出信號sa適度放大，以利後續的輸出級電路260進行信號處理。接收端電路250還可包括濾波器、整流器…等，依據此電路的應用領域以及設計需求而調整。

特別說明的是，本發明實施例的電路100還可以藉由調製以及解調製功能來使控制信號cs能夠順利傳遞。在圖2及圖3當中，第一電路120中的控制電路230還可以包括調製器(未繪示)，而第二電路130中的輸出級電路260則可相應地包括解調器(未繪示)。調製器用以調製控制信號cs。第一電路120依據已調製的控制信號cs並藉由線圈210以傳遞磁場信號b至磁場傳感器220。解調器則用以解調製磁場傳感器220所產生的輸出信號sa。然而，由於本發明實施例採用線圈210以及磁場傳感器220之間的磁場感應 來進行耦合，此種方式具備較少的噪聲幹擾，因此比較不需要使用調製器以及解調器來對控制信號cs進行傳輸時的保護。

在部分實施例中，為了避免通過單一電隔離器的信號丟失或受到噪聲幹擾，可能會使用兩組電隔離器來傳遞信號。圖5是依照本發明的一種採用兩組電隔離器510、520的電路500的第二實施例功能方塊圖。電路500主要包括由第一線圈512以及磁場傳感器514所組成的電隔離器510以及由第二線圈522以及磁場傳感器524所組成的電隔離器520。

此外，電路500還包括傳輸端電路530以及接收端電路540。由於使用兩組電隔離器來傳遞信號，傳輸端電路530便會包括兩組電流編碼器532、534以及受控電流源536、538。電流編碼器532、534分別接收不同的控制信號cs1及cs2，並分別控制受控電流源536、538以產生傳輸電流i1以及i2。若控制信號cs1及cs2兩者相同，則可以僅只有單個電流編碼器來同時控制受控電流源536、538以產生傳輸電流i1以及i2。接收端電路540包括兩個輸出放大器542、544，分別接收並放大磁場傳感器514與磁場傳感器524的信號，產生輸出信號sa1、sa2。

然而，電路500若是受到外來的磁場噪聲的幹擾時，磁場傳感器514與磁場傳感器524會同時受到影響，導致輸出信號sa1、sa2也可能會失真。為了降低噪聲幹擾且同時達到省電需求，本發明實施例通過共模噪聲消除以及差模信號放大的概念來另外設計電隔離器電路。圖6是依照本發明的一種採用電隔離器電路600的第三實施例功能方塊圖。在圖6中，電隔離器電路600僅使用一組受控電流源636以及電流編碼器632來做為傳輸端電路630。受控電流源636的第一端耦接第一線圈612的第一端，第一線圈612的第二端耦接第二線圈622的第一端，且受控電流源636的第二端耦接第二線圈622的第二端。此外，特別說明的是，本發明實施例希望讓兩組磁場信號b1及b2具備信號差動輸入的功能，因此，本實施例將第一線圈612的纏繞方向與第二線圈622的纏繞方向設計為不同。例如，當第一線圈612的纏繞方向為順時鐘方向時，則第二線圈622的纏繞方向變為逆時鐘方向。藉此，當電流編碼器632控制受控電流源636產生傳輸電流i時，此傳輸電流i會同時流經第一線圈612以及第二線圈622，並同時產生不同相位的磁場信號b1以及磁場信號b2。如此一來，電路600便不需要具備兩組電流編碼器以及受控電流源，節省成本以及電力消耗。

另一方面，電路600的接收端電路640包括第一接收端電路(以第一輸出放大器642為例)以及第二接收端電路(以第二輸出放大器644為例)。特別說明的是，本發明實施例還特別設計第一磁場傳感器614、第二磁場傳感器624、第一輸出放大器642以及第二輸出放大器644之間的連接關係，使其能夠消除共模噪聲，並放大差模信號的振幅。詳細來說，第一輸出放大器642的正相接收端將耦接第一磁場傳感器614的正相輸出端，第一輸出放大器642的反相接收端則耦接第二磁場傳感器624的反相輸出端。另一方面，第二輸出放大器644的正相接收端耦接第一磁場傳感器614的反相輸出端，且第二輸出放大器644的反相接收端則耦接第二磁場傳感器624的正相輸出端。藉此，由於磁場信號b1以及b2互為相反相位，因此經過輸出放大器642以及644的運算之後將會放大磁場信號b1以及b2當中蘊含的控制信號。相對地，若是發生磁場噪聲幹擾時，由於第一磁場傳感器614以及第二磁場傳感器624將會同時檢測到磁場噪聲，因而經過輸出放大器642以及644的運算之後將會消除此共模噪聲。

在部分實施例中，也可將第一線圈612的纏繞方向與第二線圈622的纏繞方向設計為相同，只是在設計接收端電路640時可將磁場傳感器以及後級放大器相互連接的方式略為調整，讓接收端電路640可在後級放大器處具備信號差動輸入的功能即可。

圖7是依照本發明的一種採用電隔離器電路700的第四實施例功能方塊圖。電隔離器電路700包括第一線圈712以及第二線圈722、第一磁場傳感器714以及第二磁場傳感器724、傳輸端電路730以及接收端電路740。圖7中的接收端電路740、輸出放大器742以及744皆與圖6中的接收端電路640、輸出放大器642以及644相似。圖7與圖6的不同之處在於，圖7中的傳輸端電路730主要具備兩組電流編碼器732、734以及兩組受控電流源736、738。受控電流源736、738分別耦接至第一線圈712及第二線圈722。第一線圈712的纏繞方向與第二線圈722的纏繞方向相同，例如皆為順時鐘纏繞或逆時鐘纏繞。詳細來說，受控電流源736的正相傳輸端連接至第一線圈712的第一端，受控電流源736的反相傳輸端連接至第一線圈712的第二端。相對地，受控電流源738的正相傳輸端則連接至第二線圈722的第二端，受控電流源738的反相傳輸端則連接至第二線圈722的第一端。如此一來，受控電流源736所產生的第一傳輸電流i1會從第一線圈712的第一端流入，而受控電流 源738所產生的第二傳輸電流i2則會從第二線圈722的第二端流入。藉此，便可使第一線圈712以及第二線圈722產生互為相反相位的磁場信號b1、b2。

綜上所述，依照本發明的實施例所述的電隔離器電路利用線圈與磁場傳感器(如，霍爾傳感器)，並通過磁性耦合來實現電隔離器的功能。本發明實施例的電隔離器可與晶片工藝相結合，其傳輸的信號可以為高頻信號與低頻信號，且不需要將信號進行調製及解調。藉此，本發明實施例的電隔離器電路較可使功耗降低、減少信號失真度、降低工藝成本以及封裝成本。並且，此種電隔離器可藉由半導體工藝來製作，因此可整合到晶片中。另一方面，可藉由兩組線圈以及兩組磁場傳感器來實現電隔離功能，消除共模噪聲且放大差模信號，抵抗噪聲幹擾。

雖然本發明已以實施例公開如上，然其並非用以限定本發明，本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視所附權利要求書界定範圍為準。