CN105551777A - 具有两种变压比的变压器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种具有两种变压比的变压器。该变压器包括：第一线圈导体与第二线圈导体。第二线圈导体磁性耦合至该第一线圈导体。该第二与该第一线圈导体之间达成一第一变压比。该第一与该第二线圈导体之间的一第一间距高于一间距临界值，且，该第一与该第二线圈导体之间的一第一耦合因子低于一耦合因子临界值。

Description

具有两种变压比的变压器

技术领域

本发明涉及一种具有两种变压比(transformationratio)的变压器。

背景技术

变压器可广泛应用于现在的射频(radiofrequency,RF)收发器设计中，以控制信号流。目前已有许多种传统方式能实现变压器，利用将金属导体绕线于集成电路上。例如，芯片变压器(on-chiptransformer)的实现可利用单侧共平面设计，双侧共平面设计，宽边(broadside)设计或混合设计等。对于改善RF收发器设计的功率效率而言，阻抗变压是决定性因素。

故而，目前需要能达到具有佳较耦合效率与较少耦合损失的芯片变压器。

发明内容

本发明的目的在于一种具有两种变压比(transformationratio，TR)的变压器，其中，当变压器操作于低耦合高变压比时，变压器使用于低输出功率情况；而当变压器操作于高耦合低变压比时，变压器使用于高输出功率情况。

根据本发明的一实施例，提出一种变压器，包括：一第一线圈导体；以及一第二线圈导体，磁性耦合至该第一线圈导体。该第二与该第一线圈导体之间达成一第一变压比。该第一与该第二线圈导体之间的一第一间距高于一间距临界值，且，该第一与该第二线圈导体之间的一第一耦合因子低于一耦合因子临界值。

根据本发明的一实施例，提出一种变压器，包括：一第一线圈导体，绕线于该变压器的一第一金属层的一内侧部分；一第二线圈导体，磁性耦合至该第一线圈导体，绕线于该变压器的一第二金属层的一外侧部分；以及一第三线圈导体，磁性耦合至该第二线圈导体，绕线于该变压器的该第一金属层的一外侧部分。该第二与该第三线圈导体为垂直堆叠。一第一变压比根据该第一与该第二线圈导体之间的一第一间距与一电感比。一第二变压比根据该第三与该第二线圈导体之间的一第二间距与一电感比。该第一变压比高于该第二变压比。

根据本发明的一实施例，提出一种变压器，包括：一第一线圈导体；一第二线圈导体，磁性耦合至该第一线圈导体；以及一第三线圈导体，磁性耦合至该第二线圈导体。该第一与该第二线圈导体之间达成一第一耦合因子。该第二与该第三线圈导体之间达成高于该第一耦合的一第二耦合因子。

根据本发明的一实施例，提出一种变压器，包括：一第一线圈导体；一第二线圈导体，磁性耦合至该第一线圈导体；以及一第三线圈导体，磁性耦合至该第二线圈导体。该第一与该第二线圈导体之间达成一第一耦合因子与一第一变压比。该第二与该第三线圈导体之间达成一第二耦合因子与一第二变压比。该第一耦合因子低于该第二耦合因子，该第一变压比高于该第二变压比。该第一线圈导体的一电感大于该第二与该第三线圈导体的各别电感，且该第一线圈导体的一环绕面积小于该第二与该第三线圈导体的各别环绕面积。

附图说明

图1为本发明一实施例的具有两种彼此差异很大的变压比(transformationratio，TR)的变压器的布局图；

图2A为本发明一实施例的变压器的第一线圈导体的布局图；

图2B为本发明一实施例的变压器的第二线圈导体的布局图；

图2C为本发明一实施例的变压器的第三线圈导体的布局图；

图3A为本发明一实施例的变压器的低耦合高变压比模式(由该第一线圈导体与该第二线圈导体所达成)的示意图；

图3B为本发明一实施例的变压器的高耦合低变压比模式(由该第三线圈导体与该第二线圈导体所达成)的示意图。

具体实施方式

本说明书的技术用语是参照本技术领域的习惯用语，如本说明书对部分用语有加以说明或定义，该部分用语的解释是以本说明书的说明或定义为准。

本发明的各个实施例分别具有一或多个技术特征。在可能实施的前提下，本技术领域具有通常知识者可选择性地实施任一实施例中部分或全部的技术特征，或者选择性地将这些实施例中部分或全部的技术特征加以组合。

在底下，“耦合”是指直接或间接电连接。因此，如果第一装置耦合至第二装置，该连接可能是直接电连接，或通过其他装置与连接的间接电连接。

如已知般，变压器包括主线圈与次线圈。流入主线圈的电流将感应磁场，接着，产生电流，使得电能从主线圈传送至次线圈。输入至主线圈的电压/电流与从次线圈输出的电压/电流之间的关系由该变压器的变压比所定义。

图1绘示本发明一实施例的具有两种彼此差异很大的变压比(transformationratio，TR)的变压器的布局图。如图1所示，变压器100包括：第一线圈导体110、第二线圈导体120与第三线圈导体130。

第一线圈导体110与第三线圈导体130实质上绕线于相同金属层(亦即，第一线圈导体110与第三线圈导体130实质上为横向(lateral))，而第二线圈导体120则实质上绕线于另一金属层。在本发明其他可能实施例中，第一线圈导体110与第三线圈导体130可为堆叠。第一线圈导体110、第二线圈导体120与第三线圈导体130的细节将于底下描述。

图2A绘示本发明一实施例的变压器100的第一线圈导体110的布局图。

第一线圈导体110电性耦合至已耦合于变压器100的输出入端口的一第一端口的第一端P1与第二端P2。第一线圈导体110实质上形成于第一金属层M1。第一线圈导体110实质上绕线于变压器100的第一金属层M1的内侧部分。例如但不受限于，第一线圈导体110实质上绕线于变压器100的第一金属层M1的中央部分。

第一线圈导体110包括多个第一区210，与多个第一互连区220，该些第一区210绕线于该第一金属层M1上，而该些第一互连区220则通过贯孔230而互连接至该些第一区210。该些第一互连区220形成于第二金属层M2上。此外，形成于第三金属层的多个互连接区240则可用于让第一线圈导体110来互连接至相关输出入端口的第一端P1与第二端P2。端TP通过互连接区240而耦合至第一线圈导体110。端TP是巴伦(balun)的中央端，且连接至电压源。

第一线圈导体110磁性耦合至第二线圈导体120。在本发明某些实施例中，第一线圈导体110是变压器100的主线圈，而在本发明其他实施例中，第一线圈导体110是变压器100的次线圈。第一线圈导体110当成变压器100的主线圈或次线圈是取决于信号流方向。亦即，如果耦合至第一线圈导体110的相关端口(具有端P1与P2)被设计成接收差动输入信号，则第一线圈导体110当成主线圈。相反地，如果耦合至第一线圈导体110的相关端口(具有端P1与P2)被设计成输出单端输出信号，则第一线圈导体110当成次线圈。

图2B绘示本发明一实施例的变压器100的第二线圈导体120的布局图。

第二线圈导体120电性耦合至已耦合于变压器100的输出入端口的第二端口的第一端S1与第二端S2。第一线圈导体110实质上形成于第二金属层M2。第一线圈导体110实质上绕线于变压器100的第二金属层M2的外侧部分。

请注意，金属层M1与M2的命名并非用于限制第一与第二金属层的位置关系。例如，在一实施例中，第一金属层M1可位于第二金属层M2之下；然而，在其他实施例中，第一金属层M1可位于第二金属层M2之上。简言之，线圈导体所绕线的金属层有关于设计需求。此外，请注意，图式中的布局设计只为绘图目的，而不是本发明的限制。亦即，符合本发明精神的其他布局设计仍落于本发明范围内。

第二线圈导体120包括多个第二区250与至少一第二互连接区260，该些第二区250绕线于第二金属层M2上，第二互连接区260则通过贯孔而互连接于该些第二区250。第二互连接区260例如但不受限于，形成于第一金属层M1上。

第二线圈导体120磁性耦合至第一线圈导体110与第三线圈导体130。在本发明某些实施例中，第二线圈导体120是变压器100的次线圈(如果第一线圈导体110是变压器100的主线圈)，而在本发明其他实施例中，第二线圈导体120是变压器100的主线圈(如果第一线圈导体110是变压器100的次线圈)。第二线圈导体120当成变压器100的主线圈或次线圈是取决于信号流方向。亦即，如果耦合至第二线圈导体120的相关端口(具有端S1与S2)被设计成输出单端输出信号，则第二线圈导体120当成次线圈。相反地，如果耦合至第二线圈导体120的相关端口(具有端S1与S2)被设计成接收差动输入信号，则第二线圈导体120当成主线圈。

第二线圈导体120垂直堆叠于第三线圈导体130。亦即，在本发明实施例中，第二线圈导体120绕线于第二金属层M2的外侧部分，而第三线圈导体130则绕线于第一金属层M1的外侧部分。此外，第二线圈导体120可能未必要精准对齐于第三线圈导体130。

图2C绘示本发明一实施例的变压器100的第三线圈导体130的布局图。

第三线圈导体130电性耦合至已耦合于变压器100的输出入端口的第三端口的第一端P3与第二端P4。第三线圈导体130实质上形成于第一金属层M1。第三线圈导体130绕线于变压器100的第一金属层M1的外侧部分。第三线圈导体130环绕着第一线圈导体110。

第三线圈导体130包括多个第三区270，与至少一第三互连区280，该些第三区270绕线于该第一金属层M1上，而该第三互连区280则通过贯孔而互连接至该些第三区270。该些第三互连区280形成于第三金属层，第三金属层不同于第一与第二金属层M1与M2。

第三线圈导体130磁性耦合至第二线圈导体120。在本发明某些实施例中，第三线圈导体130是变压器100的主线圈(如果第二线圈导体120是变压器100的次线圈)，而在本发明其他实施例中，第三线圈导体130是变压器100的次线圈(如果第二线圈导体120是变压器100的主线圈)。第三线圈导体130当成变压器100的主线圈或次线圈是取决于信号流方向。亦即，如果耦合至第三线圈导体130的相关端口(具有端P3与P4)被设计成接收差动输入信号，则第三线圈导体130当成主线圈。相反地，如果耦合至第三线圈导体130的相关端口(具有端P3与P4)被设计成输出单端输出信号，则第三线圈导体130当成主线圈。

图3A绘示本发明一实施例的变压器100的低耦合高TR模式(由该第一线圈导体110与该第二线圈导体120所达成)。图3B绘示本发明一实施例的变压器100的高耦合低TR模式(由该第三线圈导体130与该第二线圈导体120所达成)。

变压比(TR)可由下列公式(1)所表示：

TR＝n_eq ²(1)

参数“n_eq”代表等效圈数比，其可表示为下列公式(2)：

$n_{eq}=\frac{n}{k}\sqrt{1+{(1-k)}^2{\left(\frac{\mathrm{\ω}L}{R_L}\right)}^2}\≈\frac{n}{k}---\left(2\right)$

参数“n”代表主线圈与次线圈之间的圈数比，参数“k”代表主线圈与次线圈之间的耦合因子(couplingfactor)，而参数“L”代表次线圈的电感值，参数“R_L”代表次线圈的负载电阻值。在变压器100中，所用的小电感值L，因此，项次“(1-k)²(ωL/R_L)²”非常小。

在本发明一实施例中，参数“k”相关于主线圈与次线圈之间的间距。甚至，如果主线圈与次线圈之间相距远的话，则参数“k”为小值。

第一线圈导体110与第二线圈导体120能达到低耦合“k”，因为第一线圈导体110与第二线圈导体120之间相距远。第三线圈导体130与第二线圈导体120达到高耦合“k”，因为第三线圈导体130与第二线圈导体120之间相距近。

甚至，第一线圈导体110的电感大于第二线圈导体120与第三线圈导体130的各别电感，且第一线圈导体110的环绕面积小于第二线圈导体120与第三线圈导体130的各别环绕面积。甚至，该变压器100的一第一变压比取决于该第一与该第二线圈导体110与120间的一第一间距与一电感比。该变压器100的一第二变压比取决于该第二与该第三线圈导体120与130间的一第二间距与一电感比。第一变压比高于第二变压比。

例如，如图3A所示，第一线圈导体110是主线圈而第二线圈导体120是次线圈。因为第一线圈导体110与第二线圈导体120之间的间距大，参数“k”(k1)非常小。小“k”值导致高的“n_eq”(n_eq1)与高变压比(TR1＝n_eq1 ²)。例如但不限于，n_eq1高于或等于1.5。在本发明实施例中，第一线圈导体110与第二线圈导体120之间的间距高于距离临界值，而第一线圈导体110与第二线圈导体120之间的第一耦合因子则低于耦合因子临界值。耦合因子临界值例如但不受限于为0.6。第三线圈导体130与第二线圈导体120之间的第二耦合因子则高于耦合因子临界值。

然而，如图3B所示，第三线圈导体130是主线圈而第二线圈导体120是次线圈。因为第三线圈导体130与第二线圈导体120之间的间距远小于第一线圈导体110与第二线圈导体120之间的间距，图3B图中的参数“k”(k2)远高于图3A中的参数“k”(k1)。高“k”(k2)值导致低的“n_eq”(n_eq2)与低变压比(TR2＝n_eq2 ²)。例如但不受限于，(n_eq1/n_eq2)高于或等于1.5。亦即，比值(TR1/TR2)高于或等于2.25。

如附图所示，第一线圈导体110将第一金属层M1上的金属空间留给第二输入电感，以形成高变压比模式。亦即，第一线圈导体110将第一金属层M1上的金属空间留给第三线圈导体130。第一线圈导体110与第三线圈导体130都实质上绕线于第一金属层M1以节点电路面积。

换句话说，在本发明实施例中，堆叠变压器结构与横向变压器结构用于达成差异极大的两个变压比。堆叠变压器结构由第二线圈导体120(绕线于第二金属层M2的外侧部分)与第三线圈导体130(绕线于第一金属层M1的外侧部分)所达成，其为垂直堆叠。横向变压器结构由第二线圈导体120(绕线于第二金属层M2的外侧部分)与第一线圈导体110(绕线于第一金属层M1的内侧部分)所达成，其为横向，虽然第二线圈导体120与第三线圈导体130绕线于不同金属层。

再次参照图1。第一线圈导体110耦合至输出入端口的第一端口。第二线圈导体120耦合至输出入端口的第二端口。第三线圈导体130耦合至输出入端口的第三端口。在某些实施例中，只有第一端口与第三端口的一可跟第二端口建立信号路径。另一端口被隔离，使得没有信号流通。因此，第一端口或第三端口的一可跟第二端口建立信号路径，但并非两者可同时跟第二端口建立信号路径。

如图1与图3A所示，当变压器100操作于高变压比(TR)模式时，第一端口跟第二端口建立信号路径。操作于高变压比(TR)模式的变压器100适合于，例如但不受限于，低输出功率情况。

如图1与图3B所示，当变压器100操作于低变压比(TR)模式时，第三端口跟第二端口建立信号路径。操作于低变压比(TR)模式的变压器100适合于，例如但不受限于，高输出功率情况。

变压器100兼具低耦合与高耦合的特征。当输入馈入至耦合至第一线圈导体110的第一端口时(亦即第一线圈导体110当成主线圈)时，变压器100操作于低耦合高变压比模式，以适合于低输出功率情况。当输入馈入至耦合至001310的第三端口时(亦即第三线圈导体130当成次线圈)时，变压器100操作于高耦合低变压比模式，以适合于高输出功率情况。因此，本发明实施例的变压器100可有效利用低输出功率的可利用空间，以将功率效率最大化。

例如但不受限于，本发明实施例的变压器适合于耦合至RF收发器设计的可编程增益放大器(PGA(programmablegainamplifier))。甚至，本发明实施例的变压器适合于需要两种或更多种不同输出需求的RF电路。

甚至，通过变压器100的低耦合高变压比模式，阻抗变压比可被提升。因为利用低耦合“k”来实现变压器100的低耦合高变压比模式，可减少低耦合高变压比模式的去Q效应(de-Qeffect)。可有效使用电路面积，因为将金属层空间留给高耦合低变压比变压器结构。

虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本案。本案所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本案的精神和范围内，可作各种的更动与润饰。因此，本案的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。

Claims (32)

1.一种变压器，包括：

第一线圈导体；以及

第二线圈导体，磁性耦合至该第一线圈导体，

其中，

该第二与该第一线圈导体之间达成一第一变压比，以及

该第一与该第二线圈导体之间的一第一间距高于一间距临界值，且，该第一与该第二线圈导体之间的一第一耦合因子低于一耦合因子临界值。

2.如权利要求1所述的变压器，还包括：

第三线圈导体，磁性耦合至该第二线圈导体，

其中，

该第二与该第三线圈导体之间达成不同于该第一变压比的一第二变压比，以及

该第三与该第二线圈导体之间的一第二间距低于该间距临界值，且，该第三与该第二线圈导体之间的一第二耦合因子高于该耦合因子临界值。

3.如权利要求2所述的变压器，其中，

该第一与该第三线圈导体为横向绕线于一第一金属层上，以及

该第二线圈导体绕线于不同于该第一金属层的一第二金属层上。

4.如权利要求2所述的变压器，其中，

该第一与该第三线圈导体为堆叠。

5.如权利要求2所述的变压器，其中，

该第二线圈导体垂直堆叠于该第三线圈导体。

6.如权利要求1所述的变压器，其中，

如果该第一线圈导体当成该变压器的一主线圈与一次线圈之一，该第二线圈导体当成该变压器的该主线圈与该次线圈之另一。

7.如权利要求2所述的变压器，其中，

如果该第三线圈导体当成该变压器的一主线圈与一次线圈之一，该第二线圈导体当成该变压器的该主线圈与该次线圈之另一。

8.如权利要求2所述的变压器，其中，

该第一变压比的一等效圈数比高于或等于1.5；

该第一变压比高于该第二变压比；以及

该第一变压比的该等效圈数比高于或等于该第二变压比的一等效圈数比的1.5倍。

9.如权利要求8所述的变压器，其中，

如果处于一第一输出功率下，应用该第一变压比，以及

如果处于一第二输出功率下，应用该第二变压比，

该第一输出功率低于该第二输出功率。

10.一种变压器，包括：

第一线圈导体，绕线于该变压器的一第一金属层的一内侧部分；

第二线圈导体，磁性耦合至该第一线圈导体，绕线于该变压器的一第二金属层的一外侧部分；以及

第三线圈导体，磁性耦合至该第二线圈导体，绕线于该变压器的该第一金属层的一外侧部分，

其中，

该第二与该第三线圈导体为垂直堆叠，

第一变压比根据该第一与该第二线圈导体之间的一第一间距与一电感比，

第二变压比根据该第三与该第二线圈导体之间的一第二间距与一电感比，以及

该第一变压比高于该第二变压比。

11.如权利要求10所述的变压器，其中，

如果该第一线圈导体当成该变压器的一主线圈与一次线圈之一，该第二线圈导体当成该变压器的该主线圈与该次线圈之另一。

12.如权利要求10所述的变压器，其中，

如果该第三线圈导体当成该变压器的一主线圈与一次线圈之一，该第二线圈导体当成该变压器的该主线圈与该次线圈之另一。

13.如权利要求10所述的变压器，其中，

该第一变压比的一等效圈数比高于或等于1.5；以及

该第一变压比的该等效圈数比高于或等于该第二变压比的一等效圈数比的1.5倍。

14.如权利要求10所述的变压器，其中，

如果处于一第一输出功率下，应用该第一变压比，以及

如果处于一第二输出功率下，应用该第二变压比，

该第一输出功率低于该第二输出功率。

15.如权利要求10所述的变压器，其中，

该第一与该第三线圈导体为横向绕线。

16.如权利要求10所述的变压器，其中，

该第一与该第三线圈导体为堆叠。

17.一种变压器，包括：

第一线圈导体；

第二线圈导体，磁性耦合至该第一线圈导体；以及

第三线圈导体，磁性耦合至该第二线圈导体，

其中，

该第一与该第二线圈导体之间达成一第一耦合因子，以及

该第二与该第三线圈导体之间达成高于该第一耦合因子的一第二耦合因子。

18.如权利要求17所述的变压器，还包括：

该第一与该第三线圈导体为横向绕线于一第一金属层上，以及

该第二线圈导体绕线于不同于该第一金属层的一第二金属层上。

19.如权利要求17所述的变压器，其中，

该第一与该第三线圈导体为堆叠。

20.如权利要求18所述的变压器，其中，

该第二线圈导体垂直堆叠于该第三线圈导体。

21.如权利要求17所述的变压器，其中，

如果该第一线圈导体当成该变压器的一主线圈与一次线圈之一，该第二线圈导体当成该变压器的该主线圈与该次线圈之另一。

22.如权利要求17所述的变压器，其中，

如果该第三线圈导体当成该变压器的一主线圈与一次线圈之一，该第二线圈导体当成该变压器的该主线圈与该次线圈之另一。

23.如权利要求17所述的变压器，其中，

该第二与该第一线圈导体之间达成一第一变压比，该第一变压比的一等效圈数比高于或等于1.5；

该第二与该第三线圈导体之间达成一第二变压比，该第一变压比高于该第二变压比；以及

该第一变压比的该等效圈数比高于或等于该第二变压比的一等效圈数比的1.5倍。

24.如权利要求23所述的变压器，其中，

如果处于一第一输出功率下，应用该第一变压比，以及

如果处于一第二输出功率下，应用该第二变压比，

该第一输出功率低于该第二输出功率。

25.一种变压器，包括：

第一线圈导体；

第二线圈导体，磁性耦合至该第一线圈导体；以及

第三线圈导体，磁性耦合至该第二线圈导体，

其中，

该第一与该第二线圈导体之间达成一第一耦合因子与一第一变压比，以及

该第二与该第三线圈导体之间达成一第二耦合因子与一第二变压比，该第一耦合因子低于该第二耦合因子，该第一变压比高于该第二变压比，以及

该第一线圈导体之间的一电感大于该第二与该第三线圈导体的各别电感，且该第一线圈导体的一环绕面积小于该第二与该第三线圈导体的各别环绕面积。

26.如权利要求25所述的变压器，还包括：

该第一与该第三线圈导体为横向绕线于一第一金属层上，以及

该第二线圈导体绕线于不同于该第一金属层的一第二金属层上。

27.如权利要求25所述的变压器，其中，

该第一与该第三线圈导体为堆叠。

28.如权利要求26所述的变压器，其中，

该第二线圈导体垂直堆叠于该第三线圈导体。

29.如权利要求25所述的变压器，其中，

如果该第一线圈导体当成该变压器的一主线圈与一次线圈之一，该第二线圈导体当成该变压器的该主线圈与该次线圈之另一。

30.如权利要求25所述的变压器，其中，

如果该第三线圈导体当成该变压器的一主线圈与一次线圈之一，该第二线圈导体当成该变压器的该主线圈与该次线圈之另一。

31.如权利要求25所述的变压器，其中，

该第一变压比的一等效圈数比高于或等于1.5；以及

该第一变压比的该等效圈数比高于或等于该第二变压比的一等效圈数比的1.5倍。

32.如权利要求31所述的变压器，其中，

如果处于一第一输出功率下，应用该第一变压比，以及

如果处于一第二输出功率下，应用该第二变压比，

该第一输出功率低于该第二输出功率。