Abrimos el chip de aislamiento galvánico con un pequeño transformador dentro

Encontré un anuncio para la venta de un pequeño chip que proporciona 5 V de aislamiento ( aislamiento galvánico ). Usted suministra 5 V por un lado y obtiene 5 V por el otro. Es de destacar que la diferencia de voltaje entre los dos lados puede llegar a 5000 V. Un convertidor DC-DC y un pequeño transformador de aislamiento están instalados en el chip, por lo que no hay conexión eléctrica directa entre los lados. Me sorprendió que pudieran meterlo todo en una caja del tamaño de una uña, así que decidí mirar dentro.

Muchas personas se quejan de la publicidad contextual, pero en este sentido es ideal para mis intereses. Chip UCC12050; especificación . El chip produce 5 V, 3.3 V, 5.4 V o 3.7 V, esto se puede seleccionar usando una resistencia. Los valores como 5.4 y 3.7 V parecen aleatorios, pero dan 0.4 V adicionales, de modo que el voltaje puede regularse con un regulador LDO [regulador de voltaje lineal, caracterizado por una pequeña caída de voltaje a través del elemento regulador / aprox. traducción]. Su potencia es pequeña, solo medio vatio.

Tengo este chip de Texas Instruments. Robert Baruch, del proyecto 5447, me lo recogió y lo hirvió en ácido sulfúrico a una temperatura de 210 ° C. La caja de epoxi se disolvió y quedaron un montón de pequeños componentes: se muestran a continuación en la foto, con una moneda de un centavo por escala [diámetro de moneda 19.05 mm / aprox. traducción]. En la parte superior: dos pequeños cristales de silicio, uno para el circuito primario y el segundo para el secundario. Debajo de ellos hay dos placas transformadoras de ferrita magnetizadas. A la derecha hay una de las cinco piezas de tela de fibra de vidrio. Debajo: un radiador de cobre, parcialmente disuelto en el proceso.




Debido a la estructura interna del chip, la humedad puede penetrar en él y permanecer dentro. Y al soldar el chip, la humedad puede evaporarse, por lo que el chip explotará como una semilla de palomitas de maíz. Para evitar esto, el chip se empaquetó en una bolsa impermeable con tarjetas que muestran el nivel de humedad. La sensibilidad a la humedad del chip es la tercera, lo que significa que debe soldarse a más tardar una semana después de ser retirado del paquete; de ​​lo contrario, deberá hornearse primero.

También en el chip había dos bobinas de cobre octogonales: bobinados de transformadores. La foto a continuación muestra los restos de uno de ellos. Estas son probablemente pistas de cobre en pequeñas placas de circuito impreso. La fibra de vidrio es el remanente de estos tableros después de la disolución del epóxico. Aparentemente, el devanado consistía en varios conductores que corrían en paralelo.



Para comprender cómo se interconectan los componentes, estudié las patentes de Texas Instruments y encontré un chip de aislamiento galvánico similar (a continuación). Presta atención a la estructura de cristales y bobinas. Una característica clave de la patente es que los contactos se levantan dentro y los cristales se montan al revés. Esto mejora el aislamiento electromagnético de la placa de circuito.



El cuerpo del chip está hecho de acuerdo con el tipo de SOIC , y el tamaño es más pequeño que un clavo. A continuación se muestra una vista del chip: los cristales y el devanado se hacen tan pequeños que caben en el estuche (sería interesante verlo en la sección). Tiene aproximadamente el doble de grosor que el gabinete SOIC estándar para acomodar múltiples capas de transformadores.


. . , , . : 7,5 ×10,3 , – 2,7 .

Hay dos cristales de silicio en el chip: uno para el circuito primario que recibe energía y el segundo para el circuito secundario que suministra energía. La foto a continuación muestra un circuito secundario de cristal. Una capa de metal es visible en la parte superior del chip; Creo que, en total, se utilizan tres capas de metal para unir todos los componentes allí. El silicio no es visible en la foto, está oculto debajo del metal. En la parte superior izquierda, los conductores están soldados a las almohadillas de cristal. Hay mucho más metal en el lado izquierdo del chip que en el derecho; en el lado izquierdo está la electrónica de potencia analógica, por lo tanto, se requieren conductores que admitan altas corrientes allí.



Si quita las capas de metal (alternaba el ácido clorhídrico para eliminar el metal y una mezcla especial para grabarpara eliminar el dióxido de silicio), el silicio será visible debajo de ellos (ver más abajo). Transistores, resistencias y condensadores visibles. La capa metálica no es visualmente muy similar al silicio que se encuentra debajo, pero algunas características son comunes.



Una de las características interesantes del chip es el llenado de huecos para la planarización químico-mecánica.(CMP) En producción, las capas de chips se pulieron a un estado plano utilizando esta tecnología. Sin embargo, las áreas sin conductores metálicos son más suaves y estarían demasiado drenadas. Para evitar esto, las áreas vacías se llenan con una cuadrícula cuadrada, lo que garantiza un nivel uniforme de pulido del chip. El relleno se puede ver en la foto a continuación: estos son cuadrados ubicados en ángulo. El chip tiene muchas capas de metal, y cada una tiene su propio relleno, que se encuentra en su propio ángulo (el ángulo no permite que el relleno se alinee con otros componentes, lo que minimiza la capacitancia y la inductancia parásitas).


El logotipo en el cristal primario, rodeado de relleno. P significa primario.

En la parte inferior del chip, debajo de las capas de metal, el silicio también tiene un relleno CMP. Estos cuadrados son parte del silicio, y las líneas entre ellos están rellenas con algún tipo de material, probablemente polisilicio . Aunque esta cuadrícula está en ángulo, los cuadrados son paralelos al chip.



El siguiente diagrama muestra una parte de los componentes de cristal. A la izquierda están los componentes de alimentación conectados al transformador, a la derecha está la lógica de control.



La lógica del chip, aparentemente, consiste en dos bloques de celdas estándar., donde cada elemento lógico se toma listo de la biblioteca y las celdas se alinean en una cuadrícula. La foto a continuación muestra una lógica de primer plano. Cada bloque es un transistor MOS, y están conectados por capas de metal en la parte superior. Los detalles más pequeños tienen aproximadamente 700 nm de ancho: la longitud de onda de la luz roja (por lo que la imagen es borrosa). A modo de comparación, los chips más avanzados de hoy están cambiando al proceso de fabricación de 5 nm, esto es 140 veces menos.



Una parte bastante grande del área del chip está ocupada por condensadores, que consisten en una capa de metal sobre silicio y separados por un dieléctrico. Grandes secciones cuadradas en la foto de abajo son condensadores; el dieléctrico se ve amarillento, rojizo o verdoso, dependiendo del grosor. Están conectados por una capa de metal que forma condensadores más grandes. Un patrón cuadrado es un relleno CMP. No logré disolver el dieléctrico. Sospecho que puede ser nitruro de silicio y no dióxido de silicio, del cual está hecha la mayor parte del aislamiento entre las capas.



Las franjas horizontales en el silicio debajo son resistencias formadas por impurezas que aumentan la resistencia de las secciones individuales. La resistencia es proporcional a la longitud dividida por el ancho, por lo tanto, para obtener una resistencia significativa, las resistencias se hacen largas y delgadas. Al conectar las tiras de resistencias en los extremos con un zigzag, puede obtener una resistencia de denominación aún mayor.



La foto a continuación muestra parte de los transistores del chip. Se utiliza una amplia gama de diferentes transistores en el chip, desde transistores de gran potencia (abajo) hasta una colección de pequeños transistores lógicos a la izquierda de la etiqueta "10 µm". Todos los transistores se proporcionan en una escala, para que aprecie la diferencia significativa en el tamaño (puede haber diodos).

Cristal primario

La foto a continuación muestra el cristal de silicio primario. Algunos de los pines están conectados al chip en la parte superior. Parte de la capa de metal se ha eliminado para la foto, y los conductores son visibles en estos lugares. En la parte superior del chip hay un circuito de alimentación analógico, principalmente condensadores, y está cubierto con una capa de metal casi uniforme (accidentalmente dejé caer el cristal durante la limpieza en la alcantarilla, por lo que no quedan muchas fotos).



Un primer plano a continuación muestra un cristal en el proceso de eliminación de una capa de metal y una capa de óxido de silicio. Tenga en cuenta que algunas piezas de metal y polisilicio se separaron del cristal y giraron en ángulos aleatorios. Se ve que la estructura cristalina es tridimensional, en ella muchas capas se encuentran una encima de la otra. Después de eliminar el óxido de silicio, la estructura de la capa puede caerse.

¿Cómo funciona el chip?

El concepto básico del chip es sencillo. Funciona con un convertidor DC-DC con aislamiento galvánico. El lado primario convierte el voltaje entrante en pulsos y los transfiere al transformador. El lado secundario rectifica los pulsos y proporciona un voltaje de salida. Como hay un transformador entre los lados primario y secundario, no tienen una conexión eléctrica directa y el voltaje está aislado eléctricamente. Pero los detalles de su trabajo no se describen en detalle: existen muchas " topologías " posibles para generar y rectificar pulsos: un convertidor de retorno , un convertidor de flujo directo, un convertidor de puente. Otro problema está relacionado con el control del voltaje de salida.

Hay varias formas de controlar el voltaje de salida. Un enfoque generalizado es que la retroalimentación se transmite desde el lado secundario a través de un optoacoplador , gracias al cual el lado primario puede regular el voltaje. En otro enfoque, el lado primario usa un transformador separado para monitorear el voltaje. Aparentemente, es imposible usar estas opciones en este chip: no hay una ruta de retroalimentación aquí, y el lado secundario elige el voltaje de salida. Se podría adoptar un enfoque ineficaz y se debería colocar un regulador de voltaje lineal en el lado secundario para reducir el voltaje al valor deseado.

He estudiado varias patentes de TI, y creo que este chip utiliza una tecnología llamada "puente de doble activo con cambio de fase" (ver más abajo). El lado primario utiliza un puente H de cuatro transistores (izquierda) para enviar pulsos positivos y negativos al transformador (en el medio). Un puente H similar en el lado secundario (derecha) convierte la salida del transformador a corriente continua. El puente H se usa en lugar de diodos en el lado secundario porque es posible cambiar la cantidad de energía transmitida cambiando el tiempo. En otras palabras, el voltaje puede controlarse mediante un cambio de fase entre los puentes primario y secundario. A diferencia de la mayoría de los convertidores, ni la frecuencia de los pulsos ni su ancho cambian aquí.


Diagrama de la patente 10122367

Cada puente H consta de cuatro transistores: dos transistores MOS de canal n y dos de canal p. La foto a continuación muestra seis grandes transistores de potencia que ocupan la mayor parte del cristal secundario. Estudié su estructura, y me parece que los dos transistores de la derecha son MOSFET de canal n, y los otros cuatro son MOSFET de canal p. Resulta que cuatro transistores son necesarios para el puente H, y dos más para otros fines.

Uso de chips

Conecté el chip a través de la placa de pruebas y funcionó según lo prometido. Es extremadamente fácil de usar: solo se necesitan un par de condensadores de filtrado, en la entrada y en la salida. Aunque los cristales están llenos de condensadores, son demasiado pequeños para filtrar. Los condensadores externos tienen una capacitancia más alta. Apliqué 5 V a la entrada (abajo a la izquierda) y obtuve 5 V en la salida (arriba a la derecha) que encendió el LED. En electrónica relacionada con la energía, es importante seguir las pautas para la disposición de elementos para evitar ruidos y oscilaciones. Sin embargo, aunque mi placa no satisfizo a ninguno de ellos, el chip funcionó perfectamente. Medí la salida a 5 V y el ruido fue mínimo.

Conclusión

Cuando vi un chip que contenía un transformador CC-CC completo, decidí que definitivamente debía haber alguna tecnología interesante en su interior. Abrir la caja me reveló sus componentes, incluidos dos cristales de silicio y pequeños devanados de transformadores planos. Al estudiar los componentes y compararlos con las patentes de Texas Instrument, llegué a la conclusión de que el chip utiliza la topología de un puente activo dual con un cambio de fase para la transferencia de energía. Curiosamente, esta tecnología está ganando popularidad con los cargadores para vehículos eléctricos, aunque estamos hablando de energías mucho más altas.

Los cristales resultaron ser complejos, con tres capas de metal y componentes pequeños que no son visibles en el dispositivo óptico. Por lo general, estudio chips unas décadas más antiguos, que son mucho más fáciles de entender, por lo que este artículo tiene más de mis conjeturas que la ingeniería inversa (es decir, en algún lugar podría haber cometido un error).