电隔离电路

申请号 CN201610107976.8 申请日 2016-02-26 公开(公告)号 CN106982054A 公开(公告)日 2017-07-25
申请人 财团法人工业技术研究院; 发明人 张元泰; 庄凯翔;
摘要 一种 电隔离 器 电路 。此电隔离器电路包括线圈以及 磁场 传感器 。线圈耦接至第一电路。磁场传感器耦接至第二电路,且与所述线圈相应设置。所述第一电路藉由线圈以传递磁场 信号 至所述磁场传感器,所述磁场传感器将所述磁场信号转换为 输出信号 并提供给所述第二电路。藉此,此电隔离器电路利用线圈与磁场传感器并通过 磁性 耦合来实现电隔离功能。
权利要求

1.一种电隔离电路,包括:
线圈,耦接至第一电路;以及
磁场传感器,耦接至第二电路,与该线圈相应设置,
其中该第一电路藉由该线圈以传递磁场信号至该磁场传感器,该磁场传感器将该磁场信号转换为输出信号并提供给该第二电路。
2.如权利要求1所述的电隔离器电路,其中该第一电路包括:
控制电路,产生控制信号;以及
传输端电路,耦接至该线圈,接收并依据该控制信号以产生传输电流至该线圈,使该线圈产生该磁场信号。
3.如权利要求2所述的电隔离器电路,其中该传输端电路包括:
受控电流源;以及
电流编码器,控制该受控电流源,
其中该电流编码器依据该控制信号的电位转态部分以藉由该受控电流源而在该传输电流中产生脉冲部分。
4.如权利要求1所述的电隔离器电路,其中该第二电路包括:
接收端电路,接收该输出信号;以及
输出级电路,耦接该接收端电路,依据该输出信号以判断是否提供能量给负载。
5.如权利要求4所述的电隔离器电路,其中该接收端电路包括:
输出放大器,耦接该磁场传感器的两端以依据输出增益而放大该输出信号。
6.如权利要求1所述的电隔离器电路,其中该第一电路属于第一电压域,该第二电路属于第二电压域,该第一电压域不同于该第二电压域。
7.如权利要求1所述的电隔离器电路,其中该磁场传感器为霍尔传感器。
8.如权利要求1所述的电隔离器电路,其中该第一电路包括:
调制器,用以调制控制信号,其中该第一电路依据已调制的该控制信号并藉由该线圈以传递磁场信号至该磁场传感器,
其中该第二电路包括:
解调器,用以解调制该磁场传感器所产生的该输出信号。
9.一种电隔离器电路,包括:
第一线圈及第二线圈,耦接传输端电路;以及
第一磁场传感器以及第二磁场传感器,分别耦接第一接收端电路以及第二接收端电路,
其中该第一磁场传感器与该第一线圈相应设置,且该第二磁场传感器与该第二线圈相应设置,
其中该传输端电路藉由该第一线圈及该第二线圈以分别传递第一磁场信号以及第二磁场信号至该第一磁场传感器与该第二磁场传感器,
该第一磁场传感器将该第一磁场信号转换为第一输出信号以提供给该第一接收端电路,且该第二磁场传感器将该第二磁场信号转换为第二输出信号以提供给该第二接收端电路。
10.如权利要求9所述的电隔离器电路,其中该第一磁场传感器以及该第二磁场传感器皆为霍尔传感器。
11.如权利要求9所述的电隔离器电路,其中该传输端电路包括:
受控电流源,其第一端耦接该第一线圈的第一端,该第一线圈的第二端耦接该第二线圈的第一端,且该受控电流源的第二端耦接该第二线圈的第二端,其中该第一线圈的缠绕方向与该第二线圈的缠绕方向不同,
其中该受控电流源产生一传输电流以同时流经该第一线圈与该第二线圈。
12.如权利要求11所述的电隔离器电路,其中该传输端电路还包括:
电流编码器,控制该受控电流源,
其中该电流编码器依据控制信号的电位转态部分,并藉由该受控电流源而在该传输电流中产生脉冲部分。
13.如权利要求11所述的电隔离器电路,其中该第一接收端电路为第一输出放大器,且该第二接收端电路为第二输出放大器。
14.如权利要求13所述的电隔离器电路,其中该第一输出放大器的正相接收端耦接该第一磁场传感器的正相输出端,该第一输出放大器的反相接收端耦接该第二磁场传感器的反相输出端,该第二输出放大器的正相接收端耦接该第一磁场传感器的反相输出端,该第二输出放大器的反相接收端耦接该第二磁场传感器的正相输出端。
15.如权利要求13所述的电隔离器电路,其中该第一输出放大器的正相接收端耦接该第一磁场传感器的正相输出端,该第一输出放大器的反相接收端耦接该第一磁场传感器的反相输出端,
该第二输出放大器的正相接收端耦接该第二磁场传感器的正相输出端,该第二输出放大器的反相接收端耦接该第二磁场传感器的反相输出端。
16.如权利要求9所述的电隔离器电路,其中该传输端电路包括:
第一受控电流源,其耦接该第一线圈,产生第一传输电流;以及
第二受控电流源,其耦接该第二线圈,产生第二传输电流,
其中该第一线圈的缠绕方向与该第二线圈的缠绕方向相同,该第一传输电流从该第一线圈的第一端流入,且该第二传输电流从该第二线圈的第二端流入。
17.如权利要求16所述的电隔离器电路,其中该传输端电路还包括:
电流编码器,控制该受控电流源,
其中该电流编码器依据控制信号的电位转态部分,并藉由该受控电流源而在该传输电流中产生脉冲部分。
18.如权利要求16所述的电隔离器电路,其中该第一接收端电路为第一输出放大器,且该第二接收端电路为第二输出放大器。
19.如权利要求18所述的电隔离器电路,其中该第一输出放大器的正相接收端耦接该第一磁场传感器的正相输出端,该第一输出放大器的反相接收端耦接该第二磁场传感器的反相输出端,该第二输出放大器的正相接收端耦接该第一磁场传感器的反相输出端,该第二输出放大器的反相接收端耦接该第二磁场传感器的正相输出端。
20.如权利要求13所述的电隔离器电路,其中该第一输出放大器的正相接收端耦接该第一磁场传感器的正相输出端,该第一输出放大器的反相接收端耦接该第一磁场传感器的反相输出端,
该第二输出放大器的正相接收端耦接该第二磁场传感器的正相输出端,该第二输出放大器的反相接收端耦接该第二磁场传感器的反相输出端。

说明书全文

电隔离电路

技术领域

[0001] 本发明涉及一种电隔离器电路。

背景技术

[0002] 在信号传输领域中,时常需要将信号或能量从一个电压域的电路中传递到另一个电压域的电路,或是将信号或能量从一种介质传递到另一种介质。然而,由于电压域或介质种类的不同,信号在传递过程中可能会藉由寄生路径来干扰或击穿周边的电路而造成毁损。因此,为了电路的可靠度着想,通常会藉由电隔离器、信号隔离器、耦合器或是隔离护栏(isolation barrier)以在不同电压域的电路之间传递信号,保护电路。
[0003] 电隔离器可以适用于许多电源电路领域中,例如电源系统(如,电源供应器、达控制系统、服务器供电系统、家电…等)、照明控制系统(如,LED控制器)以及工业马达系统(如,机器手臂、车用马达)…等。上述这些电源电路系统通常是通过控制电路来产生信号或命令,控制输出级电路并将能量传递到负载。
[0004] 目前来说,电隔离器通常采用光耦合器、电容器或是变压器来实现。若以光耦合器作为电隔离器,由于发光二极管(LED)的工艺无法相容于晶体管工艺(例如,CMOS工艺),并且LED本身具有光衰、热损…等问题,因此无法整合到芯片中而需另外封装。若采用可整合至芯片上的变压器或电容器来做为电隔离器,则可能需要传输高频的信号才能达到有效的传输效率,导致采用此种电隔离器的电路需要另外设计调制与解调制功能,才能顺利地传输信号。因此,目前厂商仍然在积极寻求较为可以节省功耗并具备低信号失真度的电隔离器实现技术。

发明内容

[0005] 本发明提供一种电隔离器电路,其利用线圈与磁场传感器并通过磁性耦合(magnetic coupling)来实现电隔离功能。
[0006] 依照本发明的电隔离器电路一实施例,包括线圈以及磁场传感器。线圈耦接至第一电路。磁场传感器耦接至第二电路,且磁场传感器与线圈相应设置。所述第一电路藉由所述线圈以传递磁场信号至所述磁场传感器。所述磁场传感器将所述磁场信号转换为输出信号并提供给所述第二电路。
[0007] 依照本发明的电隔离器电路一实施例,包括第一线圈、第二线圈、第一磁场传感器以及第二磁场传感器。第一线圈及第二线圈耦接传输端电路。第一磁场传感器以及第二磁场传感器分别耦接第一接收端电路以及第二接收端电路。第一磁场传感器与所述第一线圈相应设置,且第二磁场传感器与所述第二线圈相应设置。所述传输端电路藉由第一线圈及第二线圈以分别传递第一磁场信号以及第二磁场信号至所述第一磁场传感器与所述第二磁场传感器。第一磁场传感器将所述第一磁场信号转换为第一输出信号以提供给所述第一接收端电路,且所述第二磁场传感器将所述第二磁场信号转换为第二输出信号以提供给所述第二接收端电路。
[0008] 基于上述,依照本发明的实施例所述的电隔离器电路利用线圈与磁场传感器,并通过磁性耦合来实现电隔离器的功能。依照本发明的电隔离器实施例可与芯片工艺相结合,其传输的信号可以为高频信号与低频信号,且不需要将信号进行调制及解调。藉此,依照本发明实施例的电隔离器电路较可使功耗降低、减少信号失真度、降低工艺成本以及封装成本。并且,此种电隔离器可藉由半导体工艺来制作,因此可整合到芯片中。另一方面,可藉由两组线圈以及两组磁场传感器来实现电隔离功能,消除共模噪声且放大差模信号,抵抗噪声干扰。
[0009] 为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂,下文特举依照本发明的实施范例,并配合附图作详细说明如下。

附图说明

[0010] 图1是依照本发明的一种采用电隔离器的电路的第一实施例示意图。
[0011] 图2是依照本发明第一实施例的一种采用电隔离器的电路的功能方图。
[0012] 图3是电路中传输端电路以及接收端电路的详细电路图。
[0013] 图4为控制信号、进行编码前的传输电流、进行编码后的传输电流以及输出信号的时序图。
[0014] 图5是依照本发明的一种采用两组电隔离器的电路第二实施例的功能方块图。
[0015] 图6是依照本发明的一种电隔离器电路的电路第三实施例方块图。
[0016] 图7是依照本发明的一种电隔离器电路的电路第四实施例方块图。
[0017] 【符号说明】
[0018] 100、500、600、700:电路
[0019] 110:电隔离器
[0020] 120:第一电路
[0021] 130:第二电路
[0022] 140:负载
[0023] VD1、VD2:电压域
[0024] 210、512、522、612、622、712、722:线圈
[0025] 220、514、524、614、624、714、724:磁场传感器
[0026] 230:控制电路
[0027] 240、530、630、730:传输端电路
[0028] 250、540、640、740:接收端电路
[0029] 260:输出级电路
[0030] CS、CS1、CS2:控制信号
[0031] I、I1、I2:传输电流
[0032] B、B1、B2:磁场信号
[0033] VS、SA、SA1、SA2:输出信号
[0034] 310、536、538、636、736、738:受控电流源
[0035] 320、532、534、632、732、734:电流编码器
[0036] 330、542、544、642、644、742、744:输出放大器
[0037] IO:进行编码前的传输电流
[0038] IN:进行编码后的传输电流
[0039] T1:控制信号的致能期间
[0040] TC1、TC2:期间
[0041] PL1、PL2:脉冲部分

具体实施方式

[0042] 图1是依照本发明的一种采用电隔离器110的电路100的第一实施例示意图。电路100主要包括电隔离器110、第一电路120以及第二电路130。第一电路120的电源连接至第一电压域VD1,且第二电路130的电源连接至第二电压域VD2。换句话说,第一电路120属于第一电压域VD1,而第二电路130则属于第二电压域VD2。电路100还可以包括负载140。负载140连接至第二电路130的输出端。
[0043] 在本实施例中,第一电压域VD1与第二电压域VD2可以不相同,如此一来便需要电隔离器110来传递信号并隔离电压域。在本实施例中,电路100可适用于电源电路系统中,因此第二电压域VD2可能为20V至35kV不等,端视应用的电源电路系统而定。第一电压域VD1则为控制电路常用的电压范围,例如1.25V、3.3V、5V…等。此外,依照电源电路系统的应用不同,负载140可以是电源供应器、照明设备、马达、家电、机器手臂、车用马达…等。本发明实施例并不受限于此。
[0044] 图2是依照本发明第一实施例的一种采用电隔离器110的电路100的功能方块图。请参照图2,电隔离器110包括线圈210以及磁场传感器220。在本实施例中,磁场传感器220可以利用霍尔传感器(Hall sensor;或称为,霍尔元件)来实现。第一电路120可包括控制电路230以及传输端电路240。控制电路230可产生控制信号CS。在本实施例中,控制信号CS是以脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation;PWM)信号来实现,但不限于此。传输端电路240耦接至线圈210。传输端电路240主要是接收控制信号CS,并依据该控制信号以产生传输电流I至线圈210,使线圈210产生磁场信号B。
[0045] 第二电路130可包括接收端电路250以及输出级电路260。磁场传感器220会依据磁场信号B的大小而产生输出信号VS。在本实施例中,磁场传感器220可以是霍尔传感器。接收端电路250用以接收输出信号VS,并将输出信号进行处理,例如放大信号、对信号进行滤波…等。输出级电路260则可依据处理后的输出信号SA来判断是否提供能量给图1的负载140。在本实施例中,输出级电路260可以是功率输出级电路。
[0046] 图3是电路100中传输端电路240以及接收端电路250的详细电路图。图3中的线圈210、磁场传感器220、控制电路230以及输出级电路260与图2中具有相同名称的各元件相似。传输端电路240包括受控电流源310以及电流编码器320。于本发明实施例中,电流编码器320用以控制受控电流源310,并将控制信号CS转换为传输电流I,使线圈210产生磁场信号B。然而,若是单纯地将控制信号CS(以PWM信号为举例)转换为传输电流I,则会使受控电流源310在控制信号CS致能期间连续不断地维持传输电流I而耗损无谓的电
[0047] 图4为控制信号CS、进行编码前的传输电流IO、进行编码后的传输电流IN以及输出信号SA的时序图。请同时参考图3及图4,当控制信号CS位于致能期间T1中时,进行编码前的传输电流IO便会维持其电流量而导致耗损电力。为了节省耗电,本发明实施例的传输端电路240可藉由电流编码器320来依据控制信号CS的电位转态部分(如,控制信号CS从禁能状态变成致能状态的期间TC1以及控制信号CS从致能状态回到禁能状态的期间TC2),以藉由控制受控电流源310而在进行编码后的传输电流IN中产生脉冲部分(如,PL1、PL2)。藉此,经由磁场传感器220以及接收端电路250处理后的输出信号SA便会产生尖端状的脉冲,藉以得知控制信号CS的状态转换时间点。换句话说,电流编码器320会检测控制信号CS在转态时的边沿部分,并在检测到上述边沿部分时在进行编码后的传输电流IN产生相对应的脉冲部分(如,PL1、PL2),后续的电路(如,输出级电路260)便可依此来得知控制信号CS的转态时间点,达到省电功效。
[0048] 回到图3,接收端电路250则主要包括输出放大器330。输出放大器330耦接磁场传感器220的两端。换句话说,此输出放大器330的正相接收端耦接磁场传感器220的正相输出端,输出放大器330的反相接收端则耦接磁场传感器220的反相输出端。藉此,磁场传感器220便可依据其内建的输出增益(如,内建增益为A)而将输出信号SA适度放大,以利后续的输出级电路260进行信号处理。接收端电路250还可包括滤波器整流器…等,依据此电路的应用领域以及设计需求而调整。
[0049] 特别说明的是,本发明实施例的电路100还可以藉由调制以及解调制功能来使控制信号CS能够顺利传递。在图2及图3当中,第一电路120中的控制电路230还可以包括调制器(未绘示),而第二电路130中的输出级电路260则可相应地包括解调器(未绘示)。调制器用以调制控制信号CS。第一电路120依据已调制的控制信号CS并藉由线圈210以传递磁场信号B至磁场传感器220。解调器则用以解调制磁场传感器220所产生的输出信号SA。然而,由于本发明实施例采用线圈210以及磁场传感器220之间的磁场感应来进行耦合,此种方式具备较少的噪声干扰,因此比较不需要使用调制器以及解调器来对控制信号CS进行传输时的保护。
[0050] 在部分实施例中,为了避免通过单一电隔离器的信号丢失或受到噪声干扰,可能会使用两组电隔离器来传递信号。图5是依照本发明的一种采用两组电隔离器510、520的电路500的第二实施例功能方块图。电路500主要包括由第一线圈512以及磁场传感器514所组成的电隔离器510以及由第二线圈522以及磁场传感器524所组成的电隔离器520。
[0051] 此外,电路500还包括传输端电路530以及接收端电路540。由于使用两组电隔离器来传递信号,传输端电路530便会包括两组电流编码器532、534以及受控电流源536、538。电流编码器532、534分别接收不同的控制信号CS1及CS2,并分别控制受控电流源536、538以产生传输电流I1以及I2。若控制信号CS1及CS2两者相同,则可以仅只有单个电流编码器来同时控制受控电流源536、538以产生传输电流I1以及I2。接收端电路540包括两个输出放大器542、544,分别接收并放大磁场传感器514与磁场传感器524的信号,产生输出信号SA1、SA2。
[0052] 然而,电路500若是受到外来的磁场噪声的干扰时,磁场传感器514与磁场传感器524会同时受到影响,导致输出信号SA1、SA2也可能会失真。为了降低噪声干扰且同时达到省电需求,本发明实施例通过共模噪声消除以及差模信号放大的概念来另外设计电隔离器电路。图6是依照本发明的一种采用电隔离器电路600的第三实施例功能方块图。在图6中,电隔离器电路600仅使用一组受控电流源636以及电流编码器632来做为传输端电路630。受控电流源636的第一端耦接第一线圈612的第一端,第一线圈612的第二端耦接第二线圈622的第一端,且受控电流源636的第二端耦接第二线圈622的第二端。此外,特别说明的是,本发明实施例希望让两组磁场信号B1及B2具备信号差动输入的功能,因此,本实施例将第一线圈612的缠绕方向与第二线圈622的缠绕方向设计为不同。例如,当第一线圈612的缠绕方向为顺时钟方向时,则第二线圈622的缠绕方向变为逆时钟方向。藉此,当电流编码器632控制受控电流源636产生传输电流I时,此传输电流I会同时流经第一线圈612以及第二线圈
622,并同时产生不同相位的磁场信号B1以及磁场信号B2。如此一来,电路600便不需要具备两组电流编码器以及受控电流源,节省成本以及电力消耗。
[0053] 另一方面,电路600的接收端电路640包括第一接收端电路(以第一输出放大器642为例)以及第二接收端电路(以第二输出放大器644为例)。特别说明的是,本发明实施例还特别设计第一磁场传感器614、第二磁场传感器624、第一输出放大器642以及第二输出放大器644之间的连接关系,使其能够消除共模噪声,并放大差模信号的振幅。详细来说,第一输出放大器642的正相接收端将耦接第一磁场传感器614的正相输出端,第一输出放大器642的反相接收端则耦接第二磁场传感器624的反相输出端。另一方面,第二输出放大器644的正相接收端耦接第一磁场传感器614的反相输出端,且第二输出放大器644的反相接收端则耦接第二磁场传感器624的正相输出端。藉此,由于磁场信号B1以及B2互为相反相位,因此经过输出放大器642以及644的运算之后将会放大磁场信号B1以及B2当中蕴含的控制信号。相对地,若是发生磁场噪声干扰时,由于第一磁场传感器614以及第二磁场传感器624将会同时检测到磁场噪声,因而经过输出放大器642以及644的运算之后将会消除此共模噪声。
[0054] 在部分实施例中,也可将第一线圈612的缠绕方向与第二线圈622的缠绕方向设计为相同,只是在设计接收端电路640时可将磁场传感器以及后级放大器相互连接的方式略为调整,让接收端电路640可在后级放大器处具备信号差动输入的功能即可。
[0055] 图7是依照本发明的一种采用电隔离器电路700的第四实施例功能方块图。电隔离器电路700包括第一线圈712以及第二线圈722、第一磁场传感器714以及第二磁场传感器724、传输端电路730以及接收端电路740。图7中的接收端电路740、输出放大器742以及744皆与图6中的接收端电路640、输出放大器642以及644相似。图7与图6的不同之处在于,图7中的传输端电路730主要具备两组电流编码器732、734以及两组受控电流源736、738。受控电流源736、738分别耦接至第一线圈712及第二线圈722。第一线圈712的缠绕方向与第二线圈722的缠绕方向相同,例如皆为顺时钟缠绕或逆时钟缠绕。详细来说,受控电流源736的正相传输端连接至第一线圈712的第一端,受控电流源736的反相传输端连接至第一线圈712的第二端。相对地,受控电流源738的正相传输端则连接至第二线圈722的第二端,受控电流源738的反相传输端则连接至第二线圈722的第一端。如此一来,受控电流源736所产生的第一传输电流I1会从第一线圈712的第一端流入,而受控电流源738所产生的第二传输电流I2则会从第二线圈722的第二端流入。藉此,便可使第一线圈712以及第二线圈722产生互为相反相位的磁场信号B1、B2。
[0056] 综上所述,依照本发明的实施例所述的电隔离器电路利用线圈与磁场传感器(如,霍尔传感器),并通过磁性耦合来实现电隔离器的功能。本发明实施例的电隔离器可与芯片工艺相结合,其传输的信号可以为高频信号与低频信号,且不需要将信号进行调制及解调。藉此,本发明实施例的电隔离器电路较可使功耗降低、减少信号失真度、降低工艺成本以及封装成本。并且,此种电隔离器可藉由半导体工艺来制作,因此可整合到芯片中。另一方面,可藉由两组线圈以及两组磁场传感器来实现电隔离功能,消除共模噪声且放大差模信号,抵抗噪声干扰。
[0057] 虽然本发明已以实施例公开如上,然其并非用以限定本发明,本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内,当可作些许的更动与润饰,故本发明的保护范围当视所附权利要求书界定范围为准。
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