Wir öffnen den galvanischen Isolationschip mit einem winzigen Transformator im Inneren

Ich bin auf eine Anzeige für den Verkauf eines winzigen Chips gestoßen, der eine 5-V-Trennleistung ( galvanische Trennung ) liefert . Sie liefern einerseits 5 V und andererseits 5 V. Es ist bemerkenswert, dass die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Seiten 5000 V erreichen kann. Ein DC-DC-Wandler und ein winziger Trenntransformator sind im Chip installiert, sodass keine direkte elektrische Verbindung zwischen den Seiten besteht. Ich war schockiert, dass sie alles in einen Fall von der Größe eines Nagels schieben konnten, also beschloss ich, nach innen zu schauen.

Viele Leute beschweren sich über kontextbezogene Werbung, aber in diesem Sinne passte sie ideal zu meinen Interessen. Chip UCC12050; Spezifikation . Der Chip erzeugt 5 V, 3,3 V, 5,4 V oder 3,7 V - dies kann über einen Widerstand ausgewählt werden. Werte wie 5,4 und 3,7 V scheinen zufällig zu sein, ergeben jedoch zusätzliche 0,4 V, so dass die Spannung mit einem LDO-Regler geregelt werden kann [linearer Spannungsregler, gekennzeichnet durch einen kleinen Spannungsabfall über dem Regelelement / ca. übersetzt.]. Seine Leistung ist klein, nur ein halbes Watt.

Ich habe diesen Chip von Texas Instruments bekommen. Robert Baruch von project5474 nahm es für mich auf und kochte es in Schwefelsäure bei einer Temperatur von 210 ° C. Das Epoxidgehäuse löste sich auf, und ein paar winzige Komponenten blieben zurück - sie sind unten auf dem Foto mit einer Ein-Cent-Münze für den Maßstab dargestellt [Münzdurchmesser 19,05 mm / ca. übersetzt.]. Oben - zwei winzige Siliziumkristalle, einer für den Primärkreis, der zweite für den Sekundärkreis. Unter ihnen befinden sich zwei magnetisierte Ferrittransformatorplatten. Auf der rechten Seite befindet sich eines von fünf Glasfasertuchstücken. Unten - ein Kupferstrahler, der dabei teilweise aufgelöst wurde.




Aufgrund der inneren Struktur des Chips kann Feuchtigkeit in ihn eindringen und im Inneren verbleiben. Und beim Löten des Chips kann Feuchtigkeit verdunsten, weshalb der Chip wie ein Popcorn-Samen platzt. Um dies zu vermeiden, wurde der Chip in einem wasserdichten Beutel mit Karten verpackt, die den Feuchtigkeitsgehalt anzeigen. Die Feuchtigkeitsempfindlichkeit des Chips ist die dritte, was bedeutet, dass er spätestens eine Woche nach dem Entfernen aus der Verpackung gelötet werden muss - andernfalls muss er zuerst gebacken werden.

Ebenfalls im Chip befanden sich zwei achteckige Kupferspulen - Transformatorwicklungen. Das Foto unten zeigt die Überreste eines von ihnen. Dies sind wahrscheinlich Kupferspuren auf winzigen Leiterplatten. Fiberglas ist der Rest dieser Platten nach dem Auflösen des Epoxids. Anscheinend bestand die Wicklung aus mehreren parallel verlaufenden Leitern.



Um zu verstehen, wie die Komponenten miteinander verbunden sind, habe ich Patente von Texas Instruments untersucht und einen ähnlichen galvanischen Isolationschip gefunden (siehe unten). Achten Sie auf die Struktur von Kristallen und Spulen. Ein wesentliches Merkmal des Patents ist, dass die Kontakte im Inneren angehoben und die Kristalle verkehrt herum montiert werden. Dies verbessert die elektromagnetische Trennung von der Leiterplatte.



Der Chipkörper wird entsprechend der Art des SOIC hergestellt und ist kleiner als ein Nagel. Unten sehen Sie eine Ansicht des Chips - die Kristalle und die Wicklung sind so klein, dass sie in das Gehäuse passen (es wäre interessant, sie im Abschnitt zu betrachten). Es ist ungefähr doppelt so dick wie das Standard-SOIC-Gehäuse, um mehrere Transformatorschichten aufzunehmen.


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Der Chip enthält zwei Siliziumkristalle - einen für den Primärkreis, der Strom empfängt, und einen für den Sekundärkreis, der Strom liefert. Das Foto unten zeigt einen Sekundärkreiskristall. Auf dem Chip ist eine Metallschicht sichtbar. Ich denke, dass insgesamt drei Metallschichten verwendet werden, um alle Komponenten dort zu verbinden. Silizium ist auf dem Foto nicht sichtbar, es ist unter dem Metall versteckt. Oben links sind die Leiter mit den Kristallpads verlötet. Auf der linken Seite des Chips befindet sich viel mehr Metall als auf der rechten Seite. Auf der linken Seite befindet sich die analoge Leistungselektronik. Daher sind dort Leiter erforderlich, die hohe Ströme unterstützen.



Wenn Sie die Metallschichten entfernen (ich wechselte Salzsäure, um Metall und eine spezielle Mischung zum Ätzen zu entfernenUm Siliziumdioxid zu entfernen, ist Silizium darunter sichtbar (siehe unten). Sichtbare Transistoren, Widerstände und Kondensatoren. Die Metallschicht ist dem darunter liegenden Silizium optisch nicht sehr ähnlich, aber einige Merkmale sind häufig.



Eines der interessanten Merkmale des Chips ist das Füllen von Hohlräumen für die chemisch-mechanische Planarisierung(CMP). In der Produktion wurden die Spanschichten mit dieser Technologie in einen flachen Zustand gebracht. Bereiche ohne Metallleiter sind jedoch weicher und würden zu stark entwässert. Um dies zu vermeiden, werden leere Bereiche mit einem quadratischen Gitter gefüllt, das ein gleichmäßiges Polieren des Chips garantiert. Der Füllstoff ist auf dem Foto unten sichtbar - dies sind Quadrate, die in einem Winkel angeordnet sind. Der Chip hat viele Metallschichten, und jede von ihnen hat ihren eigenen Füllstoff, der in einem eigenen Winkel liegt (der Winkel erlaubt es dem Füllstoff nicht, sich mit anderen Komponenten auszurichten, was Streukapazität und Induktivität minimiert).


Das Logo auf dem Primärkristall, umgeben von Füllstoff. P steht für primär.

Am Boden des Chips, unter den Metallschichten, hat Silizium auch einen CMP-Füllstoff. Diese Quadrate sind Teil von Silizium, und die Linien zwischen ihnen sind mit einer Art Material gefüllt, wahrscheinlich Polysilizium . Obwohl dieses Gitter abgewinkelt ist, sind die Quadrate parallel zum Chip.



Das folgende Diagramm zeigt einen Teil der Kristallkomponenten. Links sind die an den Transformator angeschlossenen Leistungskomponenten, rechts die Steuerlogik.



Die Logik des Chips besteht anscheinend aus zwei Blöcken von Standardzellen, wo jedes logische Element aus der Bibliothek bereit genommen wird und die Zellen in einem Raster angeordnet sind. Das Foto unten zeigt eine Nahaufnahmelogik. Jeder Block ist ein MOS-Transistor und sie sind oben durch Metallschichten verbunden. Die kleinsten Details sind etwa 700 nm breit - die Wellenlänge des roten Lichts (das Bild ist also verschwommen). Zum Vergleich: Die modernsten Chips wechseln heute zum 5-nm-Herstellungsprozess - das ist 140-mal weniger.



Ein ziemlich großer Teil der Chipfläche wird von Kondensatoren eingenommen, die aus einer Metallschicht bestehen, die auf Silizium liegt und durch ein Dielektrikum getrennt ist. Große quadratische Abschnitte auf dem Foto unten sind Kondensatoren. Das Dielektrikum sieht je nach Dicke gelblich, rötlich oder grünlich aus. Sie sind durch eine Metallschicht verbunden, die größere Kondensatoren bildet. Ein quadratisches Muster ist ein CMP-Füllstoff. Es ist mir nicht gelungen, das Dielektrikum aufzulösen - ich vermute, dass es sich um Siliziumnitrid und nicht um Siliziumdioxid handelt, aus dem der größte Teil der Isolierung zwischen den Schichten besteht.



Die horizontalen Streifen auf Silizium darunter sind Widerstände, die durch Verunreinigungen gebildet werden, die den Widerstand einzelner Abschnitte erhöhen. Der Widerstand ist proportional zur Länge geteilt durch die Breite. Um einen signifikanten Widerstand zu erhalten, werden die Widerstände lang und dünn gemacht. Wenn Sie die Widerstandsstreifen an den Enden mit einem Zickzack verbinden, erhalten Sie einen Widerstand mit noch größerem Nennwert.



Das Foto unten zeigt einen Teil der Transistoren des Chips. Auf dem Chip wird eine Vielzahl verschiedener Transistoren verwendet, von großen Leistungstransistoren (unten) bis zu einer Sammlung winziger Logiktransistoren links vom Etikett „10 µm“. Alle Transistoren sind auf einer Skala angegeben, damit Sie den signifikanten Größenunterschied erkennen können (es können Dioden vorhanden sein).

Primärkristall

Das Foto unten zeigt den primären Siliziumkristall. Einige der Stifte sind oben mit dem Chip verbunden. Ein Teil der Metallschicht wurde für das Foto entfernt, und an diesen Stellen sind Leiter sichtbar. Im oberen Teil des Chips befindet sich ein analoger Stromkreis, hauptsächlich Kondensatoren, der mit einer fast gleichmäßigen Metallschicht bedeckt ist (ich habe den Kristall beim Reinigen versehentlich in den Abwasserkanal fallen lassen, sodass nicht mehr viele Fotos übrig sind).



Eine Nahaufnahme unten zeigt einen Kristall beim Entfernen einer Metallschicht und einer Siliziumoxidschicht. Bitte beachten Sie, dass einige Metall- und Polysiliciumstücke vom Kristall abgebrochen und in zufälligen Winkeln gedreht wurden. Es ist ersichtlich, dass die Kristallstruktur dreidimensional ist, in der viele Schichten übereinander liegen. Nach dem Entfernen von Siliziumoxid kann die Schichtstruktur abfallen.

Wie funktioniert der Chip?

Das Grundkonzept des Chips ist unkompliziert. Es arbeitet mit einem DC-DC-Wandler mit galvanischer Trennung. Die Primärseite wandelt die eingehende Spannung in Impulse um und überträgt sie an den Transformator. Die Sekundärseite korrigiert die Impulse und liefert eine Ausgangsspannung. Da sich zwischen der Primär- und der Sekundärseite ein Transformator befindet, haben sie keinen direkten elektrischen Anschluss und die Spannung ist elektrisch isoliert. Die Details seiner Arbeit werden jedoch nicht im Detail beschrieben: Es gibt viele mögliche „ Topologien “ zum Erzeugen und Gleichrichten von Impulsen: einen Rücklaufwandler , einen Vorwärtsstromwandler, einen Brückenwandler. Ein weiteres Problem betrifft die Steuerung der Ausgangsspannung.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Ausgangsspannung zu steuern. Ein weit verbreiteter Ansatz besteht darin, dass Rückkopplungen von der Sekundärseite über einen Optokoppler übertragen werden , wodurch die Primärseite die Spannung regulieren kann. Bei einem anderen Ansatz verwendet die Primärseite einen separaten Transformator, um die Spannung zu überwachen. Anscheinend ist es unmöglich, diese Optionen in diesem Chip zu verwenden: Hier gibt es keinen Rückkopplungspfad, und die Sekundärseite wählt die Ausgangsspannung. Ein ineffektiver Ansatz könnte gewählt werden, und ein linearer Spannungsregler sollte auf der Sekundärseite platziert werden, um die Spannung auf den gewünschten Wert zu reduzieren.

Ich habe verschiedene TI-Patente untersucht und denke, dass dieser Chip eine Technologie verwendet, die als „phasenverschobene Dual-Active-Bridge“ bezeichnet wird (siehe unten). Die Primärseite verwendet eine H-Brücke aus vier Transistoren (links), um positive und negative Impulse an den Transformator (in der Mitte) zu senden. Eine ähnliche H-Brücke auf der Sekundärseite (rechts) wandelt den Transformatorausgang wieder in Gleichstrom um. Die H-Brücke wird auf der Sekundärseite anstelle von Dioden verwendet, da es möglich ist, die Menge der übertragenen Energie durch Ändern des Timings zu ändern. Mit anderen Worten kann die Spannung durch eine Phasenverschiebung zwischen der Primär- und der Sekundärbrücke gesteuert werden. Im Gegensatz zu den meisten Wandlern ändert sich hier weder die Frequenz der Impulse noch deren Breite.


Diagramm aus Patent 10122367

Jede H-Brücke besteht aus vier Transistoren: zwei n-Kanal- und zwei p-Kanal-MOS-Transistoren. Das Foto unten zeigt sechs große Leistungstransistoren, die den größten Teil des Sekundärkristalls einnehmen. Ich habe ihre Struktur untersucht und es scheint mir, dass die beiden Transistoren rechts n-Kanal-MOSFETs und die anderen vier p-Kanal-MOSFETs sind. Es stellt sich heraus, dass vier Transistoren für die H-Brücke und zwei weitere für andere Zwecke erforderlich sind.

Chipnutzung

Ich habe den Chip über das Steckbrett angeschlossen und es hat wie versprochen funktioniert. Es ist extrem einfach zu bedienen - am Ein- und Ausgang werden nur ein paar Filterkondensatoren benötigt. Obwohl die Kristalle voller Kondensatoren sind, sind sie zu klein zum Filtern. Externe Kondensatoren haben eine höhere Kapazität. Ich habe 5 V an den Eingang (unten links) angelegt und 5 V am Ausgang (oben rechts) erhalten, der die LED beleuchtet. In der leistungsbezogenen Elektronik ist es wichtig, die Richtlinien für die Anordnung von Elementen zu befolgen, um Rauschen und Schwingungen zu vermeiden. Obwohl mein Board keinen von ihnen zufriedenstellte, funktionierte der Chip perfekt. Ich habe den Ausgang bei 5 V gemessen und das Rauschen war minimal.

Fazit

Als ich einen Chip mit einem vollwertigen DC-DC-Transformator sah, entschied ich, dass darin definitiv eine interessante Technologie stecken muss. Das Öffnen des Gehäuses enthüllte mir seine Komponenten, darunter zwei Siliziumkristalle und winzige flache Transformatorwicklungen. Als ich die Komponenten untersuchte und sie mit Patenten von Texas Instrument verglich, kam ich zu dem Schluss, dass der Chip die Topologie einer dualen aktiven Brücke mit einer Phasenverschiebung für die Energieübertragung verwendet. Interessanterweise gewinnt diese Technologie bei Ladegeräten für Elektrofahrzeuge an Beliebtheit , obwohl es sich hier um viel höhere Energien handelt.

Die Kristalle erwiesen sich als komplex, mit drei Metallschichten und kleinen Komponenten, die in der optischen Vorrichtung nicht sichtbar sind. Normalerweise studiere ich Chips, die einige Jahrzehnte älter sind und viel einfacher zu verstehen sind. Daher enthält dieser Artikel mehr Vermutungen als Reverse Engineering (dh irgendwo hätte ich einen Fehler machen können).