阅读说明：本技术 应用于高电压隔离驱动芯片的高共态瞬模抗扰度滤波器 (High common-mode transient mode immunity filter applied to high-voltage isolation driving chip ) 是由 周骞 史余辉 卢继武 周晓凡 于 2019-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明属于集成电路设计领域,公开了应用于高电压隔离驱动芯片的高共态瞬模抗扰度滤波器。由发射端和接收端构成,其中接收端由差分式通道、四级高通RC滤波电路、差分射频放大器电路组成；其中差分式通道设计,可用于增强信号抗干扰性；四级高通RC滤波电路,信号在送入射频放大器之前,会经过四级高通RC滤波电路；差分射频放大器电路,输出单端信号用于接收端的解调电路。本发明解决了射频放大器节点电压过高的问题,实现了载波信号在干扰信号发生的情况下避免衰减过大的技术创新,同时由于四级高通滤波器会滤除因为周期性干扰产生的低频干扰,避免接收端解调电路误判的输出,从而实现很高的共态瞬模抗扰度指标。(The invention belongs to the field of integrated circuit design and discloses a high common mode transient mode immunity filter applied to a high-voltage isolation driving chip. The device comprises a transmitting end and a receiving end, wherein the receiving end consists of a differential channel, a four-stage high-pass RC filter circuit and a differential radio frequency amplifier circuit; the differential channel design can be used for enhancing the signal anti-interference performance; the four-stage high-pass RC filter circuit is used for passing signals before the signals are sent to the radio frequency amplifier; and the differential radio frequency amplifier circuit outputs a single-ended signal to be used for a demodulation circuit of a receiving end. The invention solves the problem of overhigh node voltage of the radio frequency amplifier, realizes the technical innovation of avoiding overlarge attenuation of carrier signals under the condition of interference signals, and simultaneously avoids the output of erroneous judgment of a receiving end demodulation circuit because a four-stage high-pass filter can filter low-frequency interference generated by periodic interference, thereby realizing high common-mode transient-mode immunity index.)

应用于高电压隔离驱动芯片的高共态瞬模抗扰度滤波器

技术领域：

本发明属于集成电路设计领域，具体涉及应用于高电压隔离驱动芯片的高CMTI(共态瞬模抗扰度)滤波器。

背景技术：

在电力电子设备中，隔离器处于十分核心的地位，尤其在高电压及大功率应用中。隔离器主要用于实现电路的功能性隔离和安全隔离，例如高压功率电路和低压控制电路的隔离，以及可能被人体触摸的接口电路的隔离等。

然而在系统级应用中，需要在隔离的两端进行信息的传输，这带来了极大的挑战。从系统级架构来看，被隔离的两端是系统的两个模块，既要满足模块间的通信需求，又要满足功能性的隔离需求。例如在高压隔离中，因为两端不共地，电压差甚至高达1kV，同时两端电压瞬变会带来严重的干扰。在这种复杂的情况下面实现隔离两端的通信，将会是一个很大的难点。

一般传统的高压隔离驱动电路，采用变压器隔离，它的优点是隔离耐压高、受干扰小，很容易做到很高的CMTI指标。但是它有着一个致命缺点，就是变压器面积太大。在SOC(片上集成系统)中，这极大地推高了系统成本。同时，为了获得高Q值的片上变压器，变压器金属层次还需要加厚，这进一步加大了它的生产成本。

与变压器隔离不同的另外一种方法是电容隔离，采用电容隔离可以完美地解决变压器隔离所面临的成本问题。但是电容隔离方法面临着它的一个天生缺陷，即它的抗扰性差，CMTI指标很难提高。这是因为电容两端电压不能发生突变，所以在两端不共地电压发生电压差时，其电压差发生改变的时间越短，其瞬间干扰电流就越大，进而干扰了隔离传输接收端电路的正常工作。

综上所述，在低成本需求下，传统的高电压隔离驱动芯片设计难以获得高CMTI特性。因此，需要发明一种新型的高电压隔离驱动芯片，既能满足当前功能性要求，又能解决生产成本问题。

发明内容

：

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种应用于高电压隔离驱动芯片的高共态瞬模抗扰度滤波器。本发明的技术方案如下：

应用于高电压隔离驱动芯片的高共态瞬模抗扰度滤波器，所述高共态瞬模抗扰度滤波器由发射端和接收端构成，其中接收端由差分式通道、四级高通RC滤波电路、差分射频放大器电路组成；所述四级高通RC滤波电路包括对发射端IN+信号进行滤波的四级高通RC滤波电路和对发射端IN-信号进行滤波的四级高通RC滤波电路。

所述差分式通道用于增强信号抗干扰性，包括隔离区电容器件1和隔离区电容器件5，其中，所述隔离区电容器件1从发射端接收到信号IN+，所述隔离区电容器件5从发射端接收到信号IN-，且IN+和IN-是一对差分信号，经由四级高通RC滤波电路生成OUT+与OUT-，OUT+与OUT-也是一对差分信号，经由差分射频放大器电路输出OUT信号；

所述四级高通RC滤波电路由隔离区电容器件2、隔离区电容器件3、隔离区电容器件4、隔离区电容器件6、隔离区电容器件7、隔离区电容器件8以及电阻器件9、电阻器件10、电阻器件11、电阻器件12、电阻器件13、电阻器件14、电阻器件15、电阻器件16构成；

所述电阻器件9的正极与所述隔离区电容器件1的下极板相接，并从发射端获得信号IN+；

所述电阻器件9的正极与所述隔离区电容器件2的正极相接，所述隔离区电容器件2的负极与所述电阻器件10的正极相接，所述电阻器件10的正极与所述隔离区电容器件3的正极相接，所述隔离区电容器件3的负极与所述电阻器件11的正极相接，所述电阻器件11的正极与所述隔离区电容器件4的正极相接，所述隔离区电容器件4的负极与所述电阻器件12的正极相接，所述电阻器件9的负极接偏置电压Bias1，所述电阻器件10的负极接偏置电压Bias2，所述电阻器件11的负极接偏置电压Bias3，所述电阻器件12的负极接偏置电压Bias4；

所述对发射端IN+信号进行滤波的四级高通RC滤波电路由所述电阻器件9、所述电阻器件10、所述电阻器件11、所述电阻器件12、所述隔离区电容器件2、所述隔离区电容器件3和所述隔离区电容器件4构成；

所述电阻器件13的正极与所述隔离区电容器件5的下极板相接，并从发射端获得信号IN-；

所述电阻器件13的正极与所述隔离区电容器件6的正极相接，所述隔离区电容器件6的负极与所述电阻器件14的正极相接，所述电阻器件14的正极与所述隔离区电容器件7的正极相接，所述隔离区电容器件7的负极与所述电阻器件15的正极相接，所述电阻器件15的正极与所述隔离区电容器件8的正极相接，所述隔离区电容器件8的负极与所述电阻器件16的正极相接，所述电阻器件13的负极接偏置电压Bias5，所述电阻器件14的负极接偏置电压Bias6，所述电阻器件15的负极接偏置电压Bias7，所述电阻器件16的负极接偏置电压Bias8；

所述对发射端IN-信号进行滤波的四级高通RC滤波电路由所述电阻器件13、所述电阻器件14、所述电阻器件15、所述电阻器件16、所述隔离区电容器件6、所述隔离区电容器件7和所述隔离区电容器件8构成；

所述差分射频放大器电路的输入信号是差分信号OUT+与OUT-，这对差分信号是由发射端IN+和IN-信号通过四级高通RC滤波电路之后生成的；差分信号OUT+与OUT-通过差分射频放大器电路得到输出单端信号OUT，OUT信号用于接收端的解调电路；

优选的，所述四级高通RC滤波电路，其截止频率略低于差分信号IN+与IN-信号的载波频率，并构成干扰电流分级泄放通道，其中流经电阻器件9的电流为I1，流经电阻器件10的电流为I2，流经电阻器件11的电流为I3，流经电阻器件12的电流为I4，从电流I1到I2、I3、I4，电流依次递减；流经电阻器件13的电流为I5，流经电阻器件14的电流为I6，流经电阻器件15的电流为I7，流经电阻器件16的电流为I8，从电流I5到I6、I7、I8，电流依次递减；

优选的，所述电阻器件9、电阻器件10、电阻器件11、电阻器件12、电阻器件13、电阻器件14、电阻器件15、电阻器件16为片上集成的栅极电阻；

优选的，所述隔离区电容器件2、所述隔离区电容器件3、所述隔离区电容器件4、所述隔离区电容器件6、所述隔离区电容器件7、所述隔离区电容器件8为片上集成的金属电容；

优选的，所述隔离区电容器件1和所述隔离区电容器件5是片上集成的抗高压隔离电容。

与现有技术相比，本发明具有如下有益的技术效果：

第一，给大电压干扰下产生的强干扰电流提供了泄放通道，避免射频放大器节点电压过高；

第二，对比直接电阻偏置的架构，四级偏置避免了信号在干扰发生情况下面衰减过大；

第三，高通滤波器会滤除因为周期性干扰产生的低频干扰，从而避免接收端的解调电路误判输出。

附图说明：

图1是电容式隔离驱动示意图；

图2是本发明实施例的一种应用于高电压隔离驱动芯片的高共态瞬模抗扰度滤波器示意图；

图3是一种周期性强干扰下偏置信号的数学原理分析示意图；

图4是本发明实施例的一种应用于高电压隔离驱动芯片的高共态瞬模抗扰度滤波器的Spectre模拟仿真结果示意图。

图2中附图标号说明如下：

1-隔离区电容器件、2-隔离区电容器件、3-隔离区电容器件、4-隔离区电容器件、5-隔离区电容器件、6-隔离区电容器件、7-隔离区电容器件、8-隔离区电容器件；

9-电阻器件、10-电阻器件、11-电阻器件、12-电阻器件、13-电阻器件、14-电阻器件、15-电阻器件、16-电阻器件。

具体实施方式

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以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明，但是所做示例不作为对本发明的限制。

如图1所示的电容式隔离驱动结构，系统包括发射端和接收端，中间隔着隔离区域。系统工作具体原理如图2所示，发射端发射的有用信号，通过调制器将有用信号调制在载波信号上，然后再由接收端解调出来。

如图2所示，本发明实施例的一种应用于高电压隔离驱动芯片的高共态瞬模抗扰度滤波器接收端示意图，由差分式通道、四级高通RC滤波电路、差分射频放大器电路组成；

所述差分式通道用于增强信号抗干扰性，包括隔离区电容器件1和隔离区电容器件5，其中，所述隔离区电容器件1从发射端接收到信号IN+，所述隔离区电容器件5从发射端接收到信号IN-，且IN+和IN-是一对差分信号，经由四级高通RC滤波电路生成OUT+与OUT-，OUT+与OUT-也是一对差分信号，经由差分射频放大器电路输出OUT信号；

所述四级高通RC滤波电路由隔离区电容器件2、隔离区电容器件3、隔离区电容器件4、隔离区电容器件6、隔离区电容器件7、隔离区电容器件8以及电阻器件9、电阻器件10、电阻器件11、电阻器件12、电阻器件13、电阻器件14、电阻器件15、电阻器件16构成；

所述电阻器件9的正极与所述隔离区电容器件1的下极板相接，并从发射端获得信号IN+；

所述电阻器件9的正极与所述隔离区电容器件2的正极相接，所述隔离区电容器件2的负极与所述电阻器件10的正极相接，所述电阻器件10的正极与所述隔离区电容器件3的正极相接，所述隔离区电容器件3的负极与所述电阻器件11的正极相接，所述电阻器件11的正极与所述隔离区电容器件4的正极相接，所述隔离区电容器件4的负极与所述电阻器件12的正极相接，所述电阻器件9的负极接偏置电压Bias1，所述电阻器件10的负极接偏置电压Bias2，所述电阻器件11的负极接偏置电压Bias3，所述电阻器件12的负极接偏置电压Bias4；

所述对发射端IN+信号进行滤波的四级高通RC滤波电路由所述电阻器件9、所述电阻器件10、所述电阻器件11、所述电阻器件12、所述隔离区电容器件2、所述隔离区电容器件3和所述隔离区电容器件4构成；

所述电阻器件13的正极与所述隔离区电容器件5的下极板相接，并从发射端获得信号IN-；

所述电阻器件13的正极与所述隔离区电容器件6的正极相接，所述隔离区电容器件6的负极与所述电阻器件14的正极相接，所述电阻器件14的正极与所述隔离区电容器件7的正极相接，所述隔离区电容器件7的负极与所述电阻器件15的正极相接，所述电阻器件15的正极与所述隔离区电容器件8的正极相接，所述隔离区电容器件8的负极与所述电阻器件16的正极相接，所述电阻器件13的负极接偏置电压Bias5，所述电阻器件14的负极接偏置电压Bias6，所述电阻器件15的负极接偏置电压Bias7，所述电阻器件16的负极接偏置电压Bias8；

所述对发射端IN-信号进行滤波的四级高通RC滤波电路由所述电阻器件13、所述电阻器件14、所述电阻器件15、所述电阻器件16、所述隔离区电容器件6、所述隔离区电容器件7和所述隔离区电容器件8构成；

所述差分射频放大器电路的输入信号是差分信号OUT+与OUT-，这对差分信号是由发射端IN+和IN-信号通过四级高通RC滤波电路之后生成的；差分信号OUT+与OUT-通过差分射频放大器电路得到输出单端信号OUT，OUT信号用于接收端的解调电路；

优选的，所述四级高通RC滤波电路，其截止频率略低于差分信号IN+与IN-信号的载波频率，并构成干扰电流分级泄放通道，其中流经电阻器件9的电流为I1，流经电阻器件10的电流为I2，流经电阻器件11的电流为I3，流经电阻器件12的电流为I4，从电流I1到I2、I3、I4，电流依次递减；流经电阻器件13的电流为I5，流经电阻器件14的电流为I6，流经电阻器件15的电流为I7，流经电阻器件16的电流为I8，从电流I5到I6、I7、I8，电流依次递减；

优选的，所述电阻器件9、电阻器件10、电阻器件11、电阻器件12、电阻器件13、电阻器件14、电阻器件15、电阻器件16为片上集成的栅极电阻；

优选的，所述隔离区电容器件2、所述隔离区电容器件3、所述隔离区电容器件4、所述隔离区电容器件6、所述隔离区电容器件7、所述隔离区电容器件8为片上集成的金属电容；

优选的，所述隔离区电容器件1和所述隔离区电容器件5是片上集成的抗高压隔离电容。

本发明中信号经由四级高通RC滤波电路，再送入放大器放大有以下三种优点：第一，这给大干扰下产生的强干扰电流提供了分级泄放通道，避免射频放大器节点电压瞬间过高；第二，可避免有用信号在干扰发生情况下面，衰减过重；第三，高通滤波器会滤除因为周期性干扰而产生的低频干扰信号，从而避免接收端的解调电路误判。因此，接收端电路能实现很高的共态瞬模抗扰度指标。

本发明中设计的隔离驱动芯片能达到高共态瞬模抗扰度指标的原理如下：如图3所示，这是一种周期性强干扰下偏置信号的数学原理分析示意图。假设干扰信号处于最强的周期性干扰模式，那么经过限幅电路之后，信号的偏置电压会被限幅成方波。现在分析偏置电路呈现方波特性带来的影响。这个波形类比于函数，将这个函数通过傅里叶分解可以看到，这个信号存在很多谐波，这一些低频谐波会通过后一级的放大器放大，进而影响输出。

本设计创新的改进了接收端的电路，信号在送进放大器之前，先经由四级RC滤波电路，干扰产生的瞬间大电流可以从这四条支路递减流走。这避免了受干扰区域的有用信号与其他区域出现很大不同，从而影响后级电路的判断这个问题。同时滤波电路还可以将方波中的大量低频率干扰信号滤除，不容易出错。

图4所示为本发明的一种应用于高电压隔离驱动芯片的高CMTI滤波器的Spectre模拟仿真结果示意图，其数据传输速率为2Mbit/S。在CMTI指标仿真中，干扰信号为在50nS之内上升1kV，同时紧接着在50nS之内又下降1kV这么一个最恶劣的干扰信号，并让其出现在有信号区域A和没有信号区域B之中。经过仿真发现，输出信号没有受到影响。

以上所述，仅为本发明优选地具体实施方式之一，但本发明的保护范围并不局限于此。本领域相关技术人员基于或借鉴本发明思想轻易获得的各种变型或同等布置的其他实施例，均属于本发明保护的范围。