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隔离式功率传输,可以隔断输入和输出的直流通路,保护关键电路不受接地扰动或者其它噪声电压的危害。因此,它在消费电子、汽车电子、医疗电子、工业电子、仪器仪表以及航空航天电子等领域均具有广泛的应用。在小功率(<2 W)的隔离式功率传输系统中,为了减小系统体积和成本,功率隔离变压器正向小型化和集成化方向发展。目前亚德诺公司(ADI)开发的isoPower?系列隔离式直流直流(DCDC)转换产品已经使用了空芯片上变压器实现了系统级封装,其输出功率可达0.5 W。但是,ADI所使用的片上功率隔离变压器需要工作在170 MHz高频时才能达到70%的变压器效率。如此高的工作频率在隔离式DCDC电路中造成了很大的开关损耗和整流损耗,使得整体的电路功率传输效率只有33%。为了实现高效率高隔离的低频功率传输,本文提出并实验展示了三种新型硅基嵌入式变压器。它不需要磁芯,可以基于商用硅通孔工艺制造,具有超过100微米厚度的线圈,可以减小变压器线圈直流电阻,从而增大变压器的低频效率。第一种改进的交缠型硅基嵌入式变压器的初级线圈和次级线圈相互交缠,具有接近于1的耦合因子,面积为2 mm2的实验样品在20 MHz时可取得80%的最大效率,但较难实现高隔离能力,样品实测隔离能力为0.38 kV。第二种双面叠置型硅基嵌入式变压器的两个线圈分别从芯片的两面嵌入在衬底中,避免了在芯片表面的击穿路径,实测隔离能力达到了1.05 kV,但耦合因子相对较差,对隔离式DCDC电路选型有一定要求,该变压器面积为2 mm2的实验样品在10 MHz时可取得70%的最大效率。第三种背靠背叠置型硅基嵌入式变压器的两个线圈分别嵌入在两个芯片的背面,把两个线圈对准后再将两个芯片通过绝缘键合材料背靠背键合在一起。该变压器避免了使用位于硅沟槽表面的隔离层,实测隔离能力超过了4.5 kV,达到了产品级要求。该变压器的耦合因子与双面叠置型的相当,面积为2mm2的实验样品在10 MHz时同样可取得70%的最大效率。综上所述,本文所提出的的三种新型硅基嵌入式变压器均可以在10~20 MHz低频下实现70%以上的变压器效率,同时具有面积小、工艺简单、不需磁芯等优点。交缠型和双面变压器隔离能力可满足低压类隔离产品要求,背靠背变压器隔离能力可满足绝大部分隔离产品要求。因此,硅基嵌入式变压器非常适合用于高效率高隔离的低频功率传输。