一种4PIN管脚的容隔型隔离电源芯片

技术领域

本发明涉及电源隔离技术领域，尤其涉及一种4PIN管脚的容隔型隔离电源芯片。

背景技术

隔离电源技术是一种电路设计技术，它可以让两个电路之间进行通信，同时消除它们之间的任何不需要的直流电流。隔离电源技术可以提高系统的安全性、可靠性和抗干扰性。随着EMC认证(电磁兼容(Electro Magnetic Compatibility)的标准)的门槛越来越高，使用传统集成变压器的方式实现的隔离电源模块，原理上电磁辐射大，EMC效果差，终端系统调试成本高，且class 3EMC等级的标准已很难满足系统端应用需求，故低电磁辐射，满足class 5EMC等级的隔离电源芯片方案需求将越来越迫切。

集成隔离变压器的隔离电源模块是一种电源管理产品，它可以在一个单片集成电路中实现电源转换和信号隔离的功能。这种产品可以简化电路设计，减少外部元件，提高效率和可靠性，适用于各种需要高电压隔离的应用场合，如工业控制、医疗设备、通信系统等。

但是现有的集成隔离变压器的隔离电源模块电磁辐射和EMC效果都不太理想，且整体体积较大。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种4PIN管脚的容隔型隔离电源芯片，包括：

隔离层，所述隔离层通过整流升压电路连接所述容隔型隔离电源芯片的输入端正极引脚，所述整流升压电路的反馈端还通过原边反馈电路连接所述隔离层，所述隔离层通过整流反馈电路连接所述容隔型电源芯片的输出端正极引脚；

所述容隔型隔离电源芯片的输入端负极引脚通过所述隔离层连接所述容隔型隔离电源芯片的输出端负极引脚；

所述输入端正极引脚和所述输入端负极引脚连接供电电源，所述输出端正极引脚和所述输出端负极引脚连接用电器件，所述供电电源输出的直流电经过所述整流升压电路整流升压后经过所述隔离层隔离传输至所述整流反馈电路进行整流和调节电压后输出给所述用电器件供电。

优选的，所述整流升压电路包括输入整流电路和升压电路；

所述输入整流电路的电源输入端连接所述输入端正极引脚，所述输入整流电路的输出端连接所述升压电路的输入端，所述升压电路的输出端连接所述隔离层；

所述输入整流电路的反馈端作为所述整流升压电路的反馈端。

优选的，所述输入整流电路包括：

第一电容，所述第一电容的一端连接所述输入端正极引脚和场效应晶体管的漏极，所述第一电容的另一端连接所述输入端负极引脚；

第一二极管，所述第一二极管的阴极连接所述场效应晶体管的源极，所述第一二极管的阳极连接所述输入端负极引脚；

第二电容，所述第二电容的一端连接所述第一二极管的阴极所述，第二电容的另一端连接所述第一二极管的阳极并接地；

所述场效应晶体管的栅极作为所述输入整流电路的反馈端。

优选的，所述升压电路包括:

至少两个升压二极管，各所述升压二极管串联；

第一个所述升压二极管的阴极连接第三电容的一端，最后一个所述升压二极管的阴极连接第四电容的一端，所述第四电容的另一端连接所述输入整流电路的输出端，所述第三电容的另一端和所述输入整流电路的输出端之间连接一个非门。

优选的，所述隔离层包括隔离介质，所述隔离介质分别连接第一隔离电容、第二隔离电容、第三隔离电容和第四隔离电容的一端；

所述第一隔离电容的另一端连接所述整流升压电路的输出端，所述第二隔离电容的另一端连接所述整流反馈电路的输入端，所述第三隔离电容的另一端连接所述输入端负极引脚，所述第四隔离电容的另一端连接所述输出端负极引脚。

优选的，所述原边反馈电路包括：

滤波处理电路，所述滤波处理电路的输入端连接所述隔离层，所述滤波处理电路的输出端连接第一电阻的一端，所述第一电阻的另一端连接第二电阻的一端和增益放大器的同相输入端，所述第二电阻的另一端连接所述增益放大器的反相输入端并接地；

PWM输出模块，所述增益放大器的输出端连接所述PWM输出模块的输入端，所述PWM输出模块的输出端连接所述输入整流电路的反馈端。

优选的，所述整流反馈电路包括输出整流电路和副边反馈电路；

所述输出整流电路的输入端连接所述隔离层，所述输出整流电路的输出端连接所述副边反馈电路的输入端，所述输出整流电路的输出端连接所述输出端正极引脚和所述输出端负极引脚。

优选的，所述输出整流电路包括：

第一电感，所述第一电感的一端连接所述隔离层，所述第一电感的另一端连接第五电容的一端和所述副边反馈电路的输入端，所述第五电容的另一端连接所述隔离层；

所述第一电感的另一端作为所述输出整流电路的输出端。

优选的，所述副边反馈电路包括：

第三电阻，所述第三电阻的一端连接所述输出整流电路的输出端，所述第三电阻的另一端连接运算放大器的同相输入端和稳压二极管的阴极，所述稳压二极管的阳极连接所述隔离层和所述输出端负极引脚；

第四电阻，所述第四电阻和第五电阻串联于所述输出端正极引脚和所述输出端负极引脚之间，所述第四电阻和所述第五电阻的连接点还连接所述运算放大器的反向输入端；

三极管，所述三极管的基极连接所述运算放大器的输出端，所述三极管的集电极连接所述第四电阻和所述输出正极引脚的连接点，所述三极管的发射极连接所述第三电阻的一端。

优选的，还包括：

第六电容，所述第六电容的一端连接所述第二隔离电容的另一端，所述第六电容的另一端连接第七电容的一端并接地，所述第七电容连接所述第四隔离电容的另一端。

上述技术方案具有如下优点或有益效果：

1)芯片内部原副边引入两级反馈控制，于输出负载轻载或空载时，可低功耗运行线路，负载重载时，动态调整载波频率或占空比，提升电源转换效率；

2)芯片电源输出电平可外部电阻配置或内部固定电阻设置，根据需求灵活配置；

3)此线路使用CMOS工艺的容隔隔离介质，通过电场实现能量的隔离传输，电磁辐射小，EMC效果好；

4)本芯片实现的整体体积较现有的集成式的隔离电源模块小很多，可节省系统板端PCB占板面积。

附图说明

图1为本发明的较佳的实施例中，一种4PIN管脚的容隔型隔离电源芯片结构示意图；

图2为本发明的较佳的实施例中，整流升压电路的结构示意图；

图3为本发明的较佳的实施例中，整流反馈电路的结构示意图；

图4为本发明的较佳的实施例中，原边反馈电路的结构示意图；

图5为本发明的较佳的实施例中，A、AB、B节点电平幅值波形示意。

图6为本发明的较佳的实施例中，C、D、E节点电平幅值波形示意。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本发明并不限定于该实施方式，只要符合本发明的主旨，则其他实施方式也可以属于本发明的范畴。

本发明的较佳的实施例中，基于现有技术中存在的上述问题，现提供一种4PIN管脚的容隔型隔离电源芯片，如图1所示，包括：

隔离层1，隔离层1通过整流升压电路2连接容隔型隔离电源芯片的输入端正极引脚IN+，整流升压电路2的反馈端还通过原边反馈电路3连接隔离层1，隔离层1通过整流反馈电路4连接容隔型电源芯片的输出端正极引脚OUT+；

容隔型隔离电源芯片的输入端负极引脚IN-通过隔离层1连接容隔型隔离电源芯片的输出端负极引脚OUT-；

输入端正极引脚IN+和输入端负极引脚IN-连接供电电源VCC，输出端正极引脚OUT+和输出端负极引脚OUT-连接用电器件，供电电源VCC输出的直流电经过整流升压电路2整流升压后经过隔离层1隔离传输至整流反馈电路4进行整流和调节电压后输出给用电器件供电。

本发明的较佳的实施例中，如图1所示，整流升压电路2包括输入整流电路21和升压电路22；

输入整流电路21的电源输入端连接输入端正极引脚IN+，输入整流电路21的输出端连接升压电路22的输入端，升压电路22的输出端连接隔离层1；

输入整流电路21的反馈端作为整流升压电路2的反馈端。

本发明的较佳的实施例中，如图1所示，隔离层1包括隔离介质SiO2，隔离介质分别连接第一隔离电容CA、第二隔离电容CB、第三隔离电容CC和第四隔离电容CD的一端；

第一隔离电容CA的另一端连接整流升压电路1的输出端B，第二隔离电容CB的另一端连接整流反馈电路4的输入端C，第三隔离电容CC的另一端连接输入端负极引脚IN-，第四隔离电容CD的另一端连接输出端负极引脚OUT-。

本发明的较佳的实施例中，如图1所示，整流反馈电路4包括输出整流电路41和副边反馈电路42；

输出整流电路41的输入端连接隔离层1，输出整流电路41的输出端连接副边反馈电路42的输入端，输出整流电路41的输出端连接输出端正极引脚OUT+和输出端负极引脚OUT-。

具体的，本实施例中，本隔离电源芯片方案使用SiO2隔离介质和多个隔离电容组成隔离层1，通过输入侧的DC转AC输入整流电路21、升压电路22对供电电源提供的DC电流进行整流和升压，电流经过隔离层1耦合传输到输出侧，通过输出整流电路41和副边反馈线路42整流和电压调节后给用电器件供电，实现现在市面上的集成变压器的隔离电源模块功能，本芯片方案的电磁辐射小，EMC效果好；物理层面上，本芯片的实现方案，集成为一个4PIN管脚的隔离电源芯片，较现有的集成隔离变压器的隔离电源模块的整体体积小很多；另外，隔离电源芯片的输出电压可通过外部电阻调整。

本隔离电源芯片方案，对应的隔离耐压等级配合不同的SiO2容隔介质厚度，匹配外部不同的爬电距离对应的封装尺寸，如DFN4、NB SOIC8、WB SOIC8等实现隔离耐压1.5kVrms、3kVrms、5kVrms的不同耐压型号。

本发明的较佳的实施例中，如图2所示，输入整流电路21包括：

第一电容C1，第一电容C1的一端连接输入端正极引脚IN+和场效应晶体管MOS的漏极，第一电容C1的另一端连接输入端负极引脚OUT-；

第一二极管D1，第一二极管D1的阴极连接场效应晶体管MOS的源极，第一二极管D1的阳极连接输入端负极引脚OUT-；

第二电容C2，第二电容C2的一端连接第一二极管D2的阴极，第二电容C2的另一端连接第一二极管D1的阳极并接地；

场效应晶体管MOS的栅极作为输入整流电路21的反馈端。

本发明的较佳的实施例中，如图4所示，原边反馈电路3包括：

滤波处理电路31，滤波处理电路31的输入端连接隔离层1，滤波处理电路31的输出端连接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端连接第二电阻R2的一端和增益放大器gain的同相输入端，第二电阻R2的另一端连接增益放大器gain的反相输入端并接地；

PWM输出模块32，增益放大器gain的输出端连接PWM输出模块的输入端，PWM输出模块832的输出端连接输入整流电路21的反馈端。

具体的，本实施例中，如图3所示，输入端正极引脚IN+连接外部电源VCC，场效应管MOS作为开关，由原边反馈电路3进行控制导通，将A点的DC电流转换为AC电流经过第一二极管D1和第二电容C2稳压后输出至AB点，AB节点的电流经过升压电路22升压后传递到B点，B点电平幅值为升压电路22抬升AB节点电平幅值后对应电平，为N*输入电平-(Vt11+…+Vt1N)，相关频率和占空比和AB节点相同，A、AB、B节点的电平幅值波形示意如图5所示；转换后的AC电流的电压频率和占空比由原边反馈电路进行控制；

原边反馈线路3如图4所示，采样B节点电压变化，控制原边侧clk0工作占空比工作原理为：

(1，副边侧输出负载增大时，B节点电压降低，通过增益放大器gain提升clk0工作频率或占空比；

(2，副边侧输出负载降低时，B节点电压抬升，通过增益放大器gain降低clk0工作频率或占空比。

于输出负载轻载或空载时，可低功耗运行线路，负载重载时，动态调整载波频率或占空比，提升电源转换效率。

本发明的较佳的实施例中，如图2所示，升压电路22包括:

至少两个升压二极管Vt，各升压二极管Vt串联；

第一个升压二极管Vt11的阴极连接第三电容C3的一端，最后一个升压二极管VtN的阴极连接第四电容C4的一端，第四电容C4的另一端连接输入整流电路21的输出端AB，第三电容C3的另一端和输入整流电路21的输出端AB之间连接一个非门。

具体的，本实施例中，通过设置非门，使AB节点的方波相位同clk1方波相位为互补的状态，即AB节点为高时，clk1为低。

本发明的较佳的实施例中，如图3所示，输出整流电路41包括：

第一电感L，第一电感L的一端连接隔离层1，第一电感的另一端连接第五电容C5的一端和副边反馈电路42的输入端，第五电容C5的另一端连接隔离层1；

第一电感L的另一端作为输出整流电路41的输出端。

本发明的较佳的实施例中，如图3所示，副边反馈电路42包括：

第三电阻R3，第三电阻R3的一端连接输出整流电路41的输出端，第三电阻R3的另一端连接运算放大器OP的同相输入端和稳压二极管ZD的阴极，稳压二极管ZD的阳极连接隔离层1和输出端负极引脚OUT-；

第四电阻R4，第四电阻R4和第五电阻R5串联于输出端正极引脚OUT+和输出端负极引脚OUT-之间，第四电阻R4和第五电阻R5的连接点还连接运算放大器OP的反向输入端；

三极管Q，三极管Q的基极连接运算放大器OP的输出端，三极管Q的集电极连接第四电阻R4和输出正极引脚OUT+的连接点，三极管Q的发射极连接第三电阻R3的一端。

本发明的较佳的实施例中，如图1所示，还包括：

第六电容C6，第六电容C6的一端连接第二隔离电容CB的另一端，第六电容C6的另一端连接第七电容C7的一端并接地，第七电容C7连接第四隔离电容CD的另一端。

具体的，本实施例中，如图中所示，C节点的电平幅值为隔离层中隔离电容和内部分压电容(第六电容C6和第七电容C7)分压后的电平，为B节点通过隔离层1中SiO2隔离介质，CA，CB，C6三颗隔离电容耦合后得到的信号)，电平幅值有一定的衰减；C节点电平幅值简单等效为(1/C6)/(1/C6+1/CA1+1/CB1)*B节点电压幅值。

另，输出整流电流41的输出端还连接带隙基准电路，C节点耦合的电平电压幅值需保证输出带隙基准VREF关联线路可有效工作，且为输出E节点能量来源；C6的端能量＝C6*C点电压*C点电压/2。

C、D、E节点电平幅值波形示意如图6所示；

C节点的AC电流的电平(也称PWM电平)经过第一电感L整流，第五电容C5稳压，输出转换为DC电流至D节点，D节点电平幅值可通过副边反馈电路设定，并作为输出E节点的电源来源。

C节点的有效电平可简单等效计算为VC＝C节点幅值/(2*(1-PWM占空比))，式中PWM占空比近似为clk0控制占空比，C节点幅值计算已描述，即可计算出C节点有效电平值V

D节点电压可用伏秒平衡计算公式获得，即电感导通和关闭伏秒平衡，近似为(V

式中，V

电感纹波电流大小，受第一电感L的饱和电流和C节点可提供的峰值电流限制。C节点可提供的峰值电流极限可由C6电容存储能量极限除以C6有效电压近似计算得出。

E节点输出电平可通过副边反馈电路(外置电阻分压或内置固定电阻)调整输出电平给外部负载用电器件供电。

根据副边反馈电路中，运算放大器的虚短和虚断原理，于输出回路深度负反馈下，VF＝VREF，VF/E节点电压＝R5/(R4+R5)；可算出E节点电压＝VREF(1+R4/R5)。

R4、R5两颗电阻可置于芯片外部，通过将R4/R5配置不同阻值，实现隔离电源芯片输出不同的电平。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。