Get best of the week

نفتح رقاقة العزل الجلفاني بمحول صغير في الداخل

لقد صادفت إعلانًا لبيع شريحة صغيرة توفر قوة عزل 5 فولت ( عزل كلفاني ). تقوم بتوريد 5 فولت من جهة ، وتحصل على 5 فولت من ناحية أخرى. من الجدير بالذكر أن فرق الجهد بين الجانبين يمكن أن يصل إلى 5000 فولت. يتم تثبيت محول DC-DC ومحول عزل صغير في الشريحة ، لذلك لا يوجد اتصال كهربائي مباشر بين الجانبين. لقد صدمت لأنهم كانوا قادرين على دفع كل شيء في حالة بحجم الظفر ، لذلك قررت النظر في الداخل.


يشتكي الكثير من الناس من الإعلانات السياقية ، ولكن بهذا المعنى يناسب اهتماماتي بشكل مثالي. رقاقة UCC12050 ؛ المواصفات . تنتج الرقاقة 5 فولت أو 3.3 فولت أو 5.4 فولت أو 3.7 فولت - يمكن تحديد ذلك باستخدام المقاوم. تبدو القيم مثل 5.4 و 3.7 فولت عشوائية ، ولكنها تنتج 0.4 فولت إضافية ، بحيث يمكن تنظيم الجهد باستخدام منظم LDO [منظم جهد خطي ، يتميز بانخفاض جهد صغير عبر عنصر التنظيم / تقريبًا. ترجم.]. قوته صغيرة ، نصف واط فقط.

حصلت على هذه الشريحة من شركة Texas Instruments. التقطه روبرت باروخ من المشروع 5474 لي ، وغليه في حمض الكبريتيك عند درجة حرارة 210 درجة مئوية. تم تذويب علبة الإيبوكسي ، وبقيت مجموعة من المكونات الصغيرة - موضحة أدناه في الصورة ، بعملة سنت واحد للقياس [قطر العملة 19.05 مم / تقريبًا. ترجم.]. في الأعلى - اثنان من بلورات السيليكون الصغيرة ، واحدة للدائرة الأولية ، والثانية للطبقة الثانوية. يوجد أسفلها لوحان من محولات الفريت الممغنطة. على اليمين واحدة من خمس قطع من الألياف الزجاجية. أدناه - مشعاع نحاسي ، مذاب جزئيًا في العملية.




نظرًا للهيكل الداخلي للرقاقة ، يمكن أن تخترق الرطوبة وتظل بالداخل. وعند لحام الرقاقة ، يمكن أن تتبخر الرطوبة ، ولهذا السبب تنفجر الرقاقة مثل بذور الفشار. لتجنب ذلك ، كانت الرقاقة معبأة في كيس مقاوم للماء مع بطاقات توضح مستوى الرطوبة. حساسية رطوبة الشريحة هي الثالثة ، مما يعني أنها تحتاج إلى لحام في موعد لا يتجاوز أسبوعًا بعد إزالتها من العبوة - وإلا ستحتاج إلى خبزها أولاً.

كما يوجد في الرقاقة ملفان نحاسيان مثمنان - لفات المحولات. تظهر الصورة أدناه بقايا واحد منهم. ربما تكون هذه مسارات نحاسية على لوحات دوائر مطبوعة صغيرة. الألياف الزجاجية هي بقايا هذه الألواح بعد تفكك الإيبوكسي. على ما يبدو ، يتألف اللف من عدة موصلات تعمل بالتوازي.



لفهم كيفية ترابط المكونات ، درست براءات اختراع Texas Instruments ووجدت رقاقة عزل كلفانية مماثلة (أدناه). انتبه إلى بنية البلورات والملفات. السمة الرئيسية لبراءة الاختراع هي أن جهات الاتصال مرفوعة من الداخل والبلورات مثبتة رأسًا على عقب. هذا يحسن العزلة الكهرومغناطيسية من لوحة الدائرة.



يتكون جسم الرقاقة وفقًا لنوع SOIC ، والحجم أصغر من الظفر. فيما يلي عرض للشريحة - البلورات والملفات تكون صغيرة جدًا بحيث تتناسب مع الهيكل (سيكون من المثير للاهتمام النظر إليها في القسم). يبلغ سمكها ضعف ضعف حاوية SOIC القياسية لاستيعاب طبقات المحولات المتعددة.


. . , , . : 7,5 ×10,3 , – 2,7 .


هناك نوعان من بلورات السيليكون في الرقاقة - واحدة للقدرة المستقبلة للدائرة الأولية ، والثانية للدائرة الثانوية التي تزود الطاقة. تظهر الصورة أدناه بلورة دائرة ثانوية. تظهر طبقة معدنية أعلى الشريحة ؛ أعتقد أنه في المجموع ، يتم استخدام ثلاث طبقات معدنية لربط جميع المكونات هناك. السليكون غير مرئي في الصورة ، إنه مخفي تحت المعدن. في الجزء العلوي الأيسر ، يتم لحام الموصلات على منصات الكريستال. يوجد الكثير من المعادن على الجانب الأيسر من الشريحة أكثر من الجانب الأيمن. على الجانب الأيسر هو إلكترونيات الطاقة التناظرية ، وبالتالي ، هناك حاجة إلى الموصلات التي تدعم التيارات العالية هناك.



إذا قمت بإزالة الطبقات المعدنية (قمت بالتناوب مع حمض الهيدروكلوريك لإزالة المعدن ومزيج خاص للحفرلإزالة ثاني أكسيد السيليكون) ، سيكون السيليكون مرئيًا أسفلها (انظر أدناه). الترانزستورات والمقاومات والمكثفات المرئية. الطبقة المعدنية لا تشبه إلى حد كبير السيليكون الموجود أدناه ، ولكن بعض الميزات شائعة.



واحدة من الميزات المثيرة للاهتمام للرقاقة هي ملء الفراغات للتخطيط الكيميائي الميكانيكي(CMP). في الإنتاج ، تم صقل طبقات الرقائق إلى حالة مسطحة باستخدام هذه التكنولوجيا. ومع ذلك ، فإن المناطق التي لا تحتوي على موصلات معدنية تكون أكثر نعومة ، وسيتم تصريفها كثيرًا. لتجنب ذلك ، تمتلئ المناطق الفارغة بشبكة مربعة ، مما يضمن مستوى موحد لتلميع الرقاقة. الحشو مرئي في الصورة أدناه - هذه مربعات تقع بزاوية. تحتوي الرقاقة على العديد من الطبقات المعدنية ، ولكل منها حشو خاص بها مستلقي في زاويته الخاصة (لا تسمح الزاوية للحشو بالتوافق مع المكونات الأخرى ، مما يقلل من السعة الشاردة والتحريض).


الشعار على الكريستال الأساسي ، محاط بحشو. P تعني الأساسي.

في الجزء السفلي من الشريحة ، تحت الطبقات المعدنية ، يحتوي السيليكون أيضًا على حشو CMP. هذه المربعات هي جزء من السليكون ، والخطوط بينها مليئة بنوع من المواد ، ربما من البولي سيليكون . على الرغم من أن هذه الشبكة بزاوية ، فإن المربعات موازية للرقاقة.



يوضح الرسم البياني أدناه جزءًا من مكونات البلورة. على اليسار توجد مكونات الطاقة المتصلة بالمحول ، على اليمين هو منطق التحكم.



يبدو أن منطق الشريحة يتكون من كتلتين من الخلايا القياسية، حيث يتم أخذ كل عنصر منطقي جاهزًا من المكتبة ، وتصطف الخلايا في شبكة. تظهر الصورة أدناه منطق المقربة. كل كتلة هي ترانزستور MOS ، ويتم توصيلها بطبقات معدنية في الأعلى. يبلغ أصغر التفاصيل حوالي 700 نانومتر - الطول الموجي للضوء الأحمر (وبالتالي تكون الصورة ضبابية). للمقارنة ، تتحول الرقائق الأكثر تقدمًا اليوم إلى عملية التصنيع 5 نانومتر - وهذا أقل 140 مرة.



تشغل المكثفات جزءًا كبيرًا إلى حد ما من منطقة الرقاقة ، وتتكون من طبقة معدنية ملقاة على السيليكون ويفصل بينها عازل. المقاطع المربعة الكبيرة في الصورة أدناه هي مكثفات ؛ يبدو العازل مصفرًا أو محمرًا أو مخضرًا ، اعتمادًا على السمك. وهي متصلة بطبقة معدنية مكونة مكثفات أكبر. النمط المربع هو حشو CMP. لم أنجح في إذابة العازل الكهربائي - أعتقد أنه قد يكون نتريد السليكون ، وليس ثاني أكسيد السليكون ، الذي يتكون منه معظم العزل بين الطبقات.



الخطوط الأفقية على السيليكون أدناه هي مقاومات تتكون من شوائب تزيد من مقاومة الأقسام الفردية. تتناسب المقاومة مع الطول مقسومًا على العرض ، وبالتالي ، للحصول على مقاومة كبيرة ، يتم تصنيع المقاومات الطويلة والرقيقة. من خلال ربط شرائط المقاومات في نهاياتها بخط متعرج ، يمكنك الحصول على مقاوم ذي فئة أكبر.



تظهر الصورة أدناه جزءًا من ترانزستورات الشريحة. يتم استخدام مجموعة واسعة من الترانزستورات المختلفة على الشريحة ، من الترانزستورات ذات الطاقة الكبيرة (أسفل) إلى مجموعة من الترانزستورات المنطقية الصغيرة إلى يسار ملصق "10 ميكرومتر". يتم إعطاء جميع الترانزستورات على مقياس واحد ، بحيث تقدر الفرق الكبير في الحجم (قد يكون هناك ثنائيات).



البلورة الأولية


تظهر الصورة أدناه بلورة السيليكون الأولية. ترتبط بعض المسامير بالرقاقة في الأعلى. تمت إزالة جزء من الطبقة المعدنية للصورة ، وتكون الموصلات مرئية في هذه الأماكن. في الجزء العلوي من الشريحة توجد دائرة طاقة تناظرية ، بشكل رئيسي المكثفات ، ومغطاة بطبقة معدنية شبه موحدة (أسقطت البلورة عن طريق الخطأ أثناء التنظيف في المجاري ، لذلك لم يتبق الكثير من الصور).



تظهر الصورة المقربة أدناه بلورة في عملية إزالة طبقة معدنية وطبقة أكسيد السيليكون. يرجى ملاحظة أن بعض القطع من المعدن والبولي سيليكون قد انقطعت عن البلور وتحولت إلى زوايا عشوائية. يُرى أن البنية البلورية ثلاثية الأبعاد ، حيث توجد طبقات عديدة فوق بعضها البعض. بعد إزالة أكسيد السيليكون ، قد تسقط بنية الطبقة.



كيف تعمل الرقاقة؟


المفهوم الأساسي للرقاقة واضح ومباشر. يعمل مع محول DC-DC مع عزل كلفاني. يحول الجانب الأساسي الجهد الوارد إلى نبضات ، وينقلها إلى المحول. يقوم الجانب الثانوي بتصحيح النبضات ويوفر جهد خرج. نظرًا لوجود محول بين الجانبين الأساسي والثانوي ، فليس لديهم اتصال كهربائي مباشر ، والجهد معزول كهربائيًا. لكن تفاصيل عمله ليست موصوفة بالتفصيل: هناك العديد من " الطوبولوجيا " الممكنة لتوليد وتصحيح النبضات: محول flyback ، محول تدفق إلى الأمام ، محول جسر. قضية أخرى تتعلق بالتحكم في جهد الخرج.

هناك عدة طرق للتحكم في جهد الخرج. هناك نهج واسع الانتشار يتم فيه إرسال التغذية المرتدة من الجانب الثانوي عبر optocoupler ، والذي بفضله يمكن للجانب الأساسي تنظيم الجهد. في طريقة أخرى ، يستخدم الجانب الأساسي محول منفصل لمراقبة الجهد. يبدو أنه من المستحيل استخدام هذه الخيارات في هذه الشريحة: لا يوجد مسار تغذية مرتدة هنا ، والجانب الثانوي يختار جهد الخرج. يمكن اتخاذ نهج غير فعال ، ويجب وضع منظم جهد خطي على الجانب الثانوي لتقليل الجهد إلى القيمة المطلوبة.

لقد درست براءات اختراع TI مختلفة ، وأعتقد أن هذه الشريحة تستخدم تقنية تسمى "الجسر المزدوج النشط المتحرك على مراحل" (انظر أدناه). يستخدم الجانب الأساسي جسر H من أربعة ترانزستورات (يسار) لإرسال نبضات موجبة وسالبة إلى المحول (في المنتصف). يعمل جسر H مماثل على الجانب الثانوي (الأيمن) على تحويل إخراج المحول إلى التيار المباشر. يتم استخدام الجسر H بدلاً من الثنائيات على الجانب الثانوي لأنه من الممكن تغيير كمية الطاقة المرسلة عن طريق تغيير التوقيت. وبعبارة أخرى ، يمكن التحكم في الجهد عن طريق التحول الطوري بين الجسور الأولية والثانوية. على عكس معظم المحولات ، لا يتغير تردد النبضات ولا عرضها هنا.


رسم بياني من براءة الاختراع 10122367

يتكون كل جسر H من أربعة ترانزستورات: قناتان N وقناتان MOS. تُظهر الصورة أدناه ستة ترانزستورات طاقة كبيرة تشغل معظم البلورة الثانوية. لقد درست هيكلها ، ويبدو لي أن الترانزستورات على اليمين هما MOSFETs ذات القناة n ، والأخرى الأربعة هي MOSFETs p-channel. اتضح أن أربعة ترانزستورات ضرورية للجسر H واثنين آخرين لأغراض أخرى.



استخدام رقاقة


لقد قمت بتوصيل الشريحة من خلال اللوح ، وعملت كما وعدت. إنه سهل الاستخدام للغاية - هناك حاجة فقط لمكثفات تصفية ، عند الإدخال والإخراج. على الرغم من أن البلورات مليئة بالمكثفات ، إلا أنها صغيرة جدًا بحيث لا يمكن ترشيحها. المكثفات الخارجية لها سعة أعلى. قمت بتطبيق 5 فولت على الإدخال (أسفل اليسار) وحصلت على 5 فولت عند الإخراج (أعلى اليمين) الذي أشعل ضوء LED. في الإلكترونيات المتعلقة بالطاقة ، من المهم اتباع الإرشادات لترتيب العناصر لتجنب الضوضاء والتذبذبات. ومع ذلك ، على الرغم من أن لوحتي لم ترضي أيًا منها ، فقد عملت الشريحة بشكل مثالي. قمت بقياس الإخراج عند 5 فولت وكان الضجيج ضئيلاً.



استنتاج


عندما رأيت رقاقة تحتوي على محول DC-DC كامل ، قررت أنه يجب أن يكون هناك بالتأكيد بعض التكنولوجيا المثيرة للاهتمام داخله. كشف فتح العلبة عن مكوناته لي ، بما في ذلك بلورات السيليكون ولف المحولات المسطحة الصغيرة. بعد دراسة المكونات ومقارنتها ببراءات الاختراع في Texas Instrument ، توصلت إلى استنتاج مفاده أن الشريحة تستخدم طوبولوجيا جسر نشط مزدوج مع تحول طوري لنقل الطاقة. ومن المثير للاهتمام أن هذه التكنولوجيا تكتسب شعبية مع أجهزة الشحن للسيارات الكهربائية ، على الرغم من أننا نتحدث عن طاقات أعلى بكثير.

تبين أن البلورات معقدة ، مع ثلاث طبقات من المعدن والمكونات الصغيرة غير مرئية في الجهاز البصري. عادة ، أدرس الرقائق التي تعود إلى عقود قليلة ، والتي يسهل فهمها كثيرًا ، لذلك تحتوي هذه المقالة على تخمينات أكثر من الهندسة العكسية (أي أنه في مكان ما كنت قد أخطأت).

More articles:


All Articles