Nous ouvrons la puce d'isolation galvanique avec un minuscule transformateur à l'intérieur

Je suis tombé sur une annonce pour la vente d'une minuscule puce qui fournit une puissance d'isolation de 5 V ( isolation galvanique ). Vous fournissez 5 V d'une part et obtenez 5 V de l'autre. Il est à noter que la différence de tension entre les deux côtés peut atteindre 5000 V. Un convertisseur DC-DC et un minuscule transformateur d'isolement sont installés dans la puce, il n'y a donc pas de connexion électrique directe entre les côtés. J'ai été choqué qu'ils aient pu tout mettre dans un étui de la taille d'un clou, alors j'ai décidé de regarder à l'intérieur.

Beaucoup de gens se plaignent de la publicité contextuelle, mais en ce sens, elle convenait parfaitement à mes intérêts. Chip UCC12050; spécification . La puce produit 5 V, 3,3 V, 5,4 V ou 3,7 V - cela peut être sélectionné à l'aide d'une résistance. Des valeurs telles que 5,4 et 3,7 V semblent aléatoires, mais elles donnent 0,4 V supplémentaire, de sorte que la tension peut être régulée avec un régulateur LDO [régulateur de tension linéaire, caractérisé par une faible chute de tension à travers l'élément de régulation / env. trad.]. Sa puissance est faible, seulement un demi-watt.

J'ai obtenu cette puce de Texas Instruments. Robert Baruch de project5474 l'a ramassé pour moi, en le faisant bouillir dans de l'acide sulfurique à une température de 210 ° C. Le boîtier en époxy s'est dissous et un tas de minuscules composants sont restés - ils sont illustrés ci-dessous sur la photo, avec une pièce d'un cent pour l'échelle [diamètre de la pièce 19,05 mm / env. trad.]. En haut - deux minuscules cristaux de silicium, un pour le circuit primaire, le second pour le secondaire. En dessous, deux plaques de transformateur en ferrite magnétisées. Sur la droite se trouve l'un des cinq morceaux de tissu en fibre de verre. Ci-dessous - un radiateur en cuivre, partiellement dissous dans le processus.




En raison de la structure interne de la puce, l'humidité peut y pénétrer et y rester. Et lors du soudage de la puce, l'humidité peut s'évaporer, c'est pourquoi la puce éclatera comme une graine de pop-corn. Pour éviter cela, la puce a été emballée dans un sac étanche avec des cartes indiquant le niveau d'humidité. Le niveau de sensibilité à l'humidité de la puce est le 3ème, ce qui signifie qu'elle doit être soudée au plus tard une semaine après avoir été retirée de l'emballage - sinon elle devra d'abord être cuite.

Il y avait également dans la puce deux bobines de cuivre octogonales - enroulements de transformateur. La photo ci-dessous montre les restes de l'un d'eux. Ce sont probablement des pistes en cuivre sur de minuscules cartes de circuits imprimés. La fibre de verre est les restes de ces panneaux après la dissolution de l'époxy. Apparemment, l'enroulement était composé de plusieurs conducteurs fonctionnant en parallèle.



Pour comprendre comment les composants sont interfacés, j'ai étudié les brevets de Texas Instruments et trouvé une puce d'isolation galvanique similaire (ci-dessous). Faites attention à la structure des cristaux et des bobines. Une caractéristique clé du brevet est que les contacts sont soulevés à l'intérieur et que les cristaux sont montés à l'envers. Cela améliore l'isolation électromagnétique de la carte de circuit imprimé.



Le corps de la puce est fabriqué selon le type de SOIC , et la taille est plus petite qu'un clou. Ci-dessous, une vue de la puce - les cristaux et le bobinage sont si petits qu'ils tiennent dans le boîtier (il serait intéressant de le regarder en section). Il est environ deux fois plus épais que l'enceinte SOIC standard pour accueillir plusieurs couches de transformateur.


. . , , . : 7,5 ×10,3 , – 2,7 .

Il y a deux cristaux de silicium dans la puce - un pour le circuit primaire recevant la puissance, et le second pour le circuit secondaire fournissant la puissance. La photo ci-dessous montre un cristal de circuit secondaire. Une couche métallique est visible sur le dessus de la puce; Je pense qu'au total, trois couches métalliques sont utilisées pour coller tous les composants là-bas. Le silicium n'est pas visible sur la photo, il est caché sous le métal. En haut à gauche, les conducteurs sont soudés aux plots de cristal. Il y a beaucoup plus de métal sur le côté gauche de la puce que sur la droite; sur le côté gauche se trouve l'électronique de puissance analogique, par conséquent, des conducteurs qui supportent des courants élevés y sont nécessaires.



Si vous enlevez les couches métalliques (j'ai alterné de l'acide chlorhydrique pour enlever le métal et un mélange spécial pour la gravurepour éliminer le dioxyde de silicium), le silicium sera visible en dessous (voir ci-dessous). Transistors, résistances et condensateurs visibles. La couche métallique n'est visuellement pas très similaire au silicium en dessous, mais certaines caractéristiques sont communes.



L'une des caractéristiques intéressantes de la puce est le remplissage des vides pour la planarisation chimico-mécanique(CMP). En production, les couches de copeaux ont été polies à plat à l'aide de cette technologie. Cependant, les zones sans conducteurs métalliques sont plus molles et elles seraient trop drainées. Pour éviter cela, les zones vides sont remplies d'une grille carrée, ce qui garantit un niveau de polissage uniforme de la puce. Le remplissage est visible sur la photo ci-dessous - ce sont des carrés situés à un angle. La puce a de nombreuses couches métalliques, et chacune a sa propre charge située à son propre angle (l'angle ne permet pas à la charge de s'aligner avec d'autres composants, ce qui minimise la capacité et l'inductance parasites).


Le logo sur le cristal primaire, entouré de remplissage. P signifie primaire.

Au bas de la puce, sous les couches métalliques, le silicium a également une charge CMP. Ces carrés font partie du silicium, et les lignes entre eux sont remplies d'une sorte de matériau, probablement du polysilicium . Bien que cette grille soit inclinée, les carrés sont parallèles à la puce.



Le diagramme ci-dessous montre une partie des composants cristallins. À gauche, les composants de puissance connectés au transformateur, à droite, la logique de commande.



La logique de la puce se compose apparemment de deux blocs de cellules standard, où chaque élément logique est extrait de la bibliothèque et où les cellules s'alignent dans une grille. La photo ci-dessous montre une logique de gros plan. Chaque bloc est un transistor MOS, et ils sont connectés par des couches métalliques sur le dessus. Les plus petits détails ont une largeur d'environ 700 nm - la longueur d'onde de la lumière rouge (donc l'image est floue). À titre de comparaison, les puces les plus avancées passent aujourd'hui au processus de fabrication à 5 nm - c'est 140 fois moins.



Une assez grande partie de la surface de la puce est occupée par des condensateurs, constitués d'une couche métallique reposant sur du silicium et séparés par un diélectrique. Les grandes sections carrées sur la photo ci-dessous sont des condensateurs; le diélectrique est jaunâtre, rougeâtre ou verdâtre, selon l'épaisseur. Ils sont reliés par une couche métallique formant de plus grands condensateurs. Un motif carré est un remplissage CMP. Je n'ai pas réussi à dissoudre le diélectrique - je soupçonne qu'il peut s'agir de nitrure de silicium, et non de dioxyde de silicium, à partir duquel la majeure partie de l'isolation entre les couches est réalisée.



Les bandes horizontales sur le silicium ci-dessous sont des résistances formées d'impuretés qui augmentent la résistance des sections individuelles. La résistance est proportionnelle à la longueur divisée par la largeur.Par conséquent, pour obtenir une résistance significative, les résistances sont longues et minces. En connectant les bandes de résistances aux extrémités avec un zigzag, vous pouvez obtenir une résistance de dénomination encore plus grande.



La photo ci-dessous montre une partie des transistors de la puce. Une large gamme de transistors différents est utilisée sur la puce, des gros transistors de puissance (en bas) à une collection de minuscules transistors logiques à gauche de l'étiquette «10 µm». Tous les transistors sont donnés sur une seule échelle, de sorte que vous appréciez la différence de taille significative (il peut y avoir des diodes).

Cristal primaire

La photo ci-dessous montre le cristal de silicium primaire. Certaines des broches sont connectées à la puce sur le dessus. Une partie de la couche métallique a été supprimée pour la photo et des conducteurs sont visibles à ces endroits. Dans la partie supérieure de la puce, il y a un circuit de puissance analogique, principalement des condensateurs, et est recouvert d'une couche métallique presque uniforme (j'ai accidentellement laissé tomber le cristal lors du nettoyage dans l'égout, il n'y a donc pas beaucoup de photos).



Un gros plan ci-dessous montre un cristal en train de retirer une couche métallique et une couche d'oxyde de silicium. Veuillez noter - certains morceaux de métal et de polysilicium se sont détachés du cristal et ont tourné à des angles aléatoires. On voit que la structure cristalline est tridimensionnelle, en elle de nombreuses couches se superposent. Après élimination de l'oxyde de silicium, la structure de la couche peut tomber.

Comment fonctionne la puce?

Le concept de base de la puce est simple. Il fonctionne avec un convertisseur DC-DC avec isolation galvanique. Le côté primaire convertit la tension entrante en impulsions et les transfère au transformateur. Le côté secondaire rectifie les impulsions et fournit une tension de sortie. Puisqu'il y a un transformateur entre les côtés primaire et secondaire, ils n'ont pas de connexion électrique directe et la tension est isolée électriquement. Mais les détails de son travail ne sont pas décrits en détail: il existe de nombreuses « topologies » possibles pour générer et rectifier des impulsions: un convertisseur flyback , un convertisseur direct, un convertisseur pont. Un autre problème est lié au contrôle de la tension de sortie.

Il existe plusieurs façons de contrôler la tension de sortie. Une approche courante consiste à transmettre une rétroaction du côté secondaire via un optocoupleur , grâce auquel le côté primaire peut réguler la tension. Dans une autre approche, le côté primaire utilise un transformateur séparé pour surveiller la tension. Apparemment, il est impossible d'utiliser ces options dans cette puce: il n'y a pas de chemin de retour ici et le côté secondaire choisit la tension de sortie. Une approche inefficace pourrait être adoptée et un régulateur de tension linéaire devrait être placé sur le côté secondaire pour réduire la tension à la valeur souhaitée.

J'ai étudié différents brevets TI et je pense que cette puce utilise une technologie appelée «pont double actif à décalage de phase» (voir ci-dessous). Le côté primaire utilise un pont en H de quatre transistors (à gauche) pour envoyer des impulsions positives et négatives au transformateur (au milieu). Un pont en H similaire sur le côté secondaire (à droite) convertit la sortie du transformateur en courant continu. Le pont en H est utilisé à la place des diodes du côté secondaire car il est possible de changer la quantité d'énergie transmise en changeant la synchronisation. En d'autres termes, la tension peut être contrôlée par un déphasage entre les ponts primaire et secondaire. Contrairement à la plupart des convertisseurs, ni la fréquence des impulsions ni leur largeur ne changent ici.


Schéma du brevet 10122367

Chaque pont en H se compose de quatre transistors: deux transistors MOS à canal n et deux à canal p. La photo ci-dessous montre six grands transistors de puissance qui occupent la majeure partie du cristal secondaire. J'ai étudié leur structure et il me semble que les deux transistors à droite sont des MOSFET à canal n et les quatre autres sont des MOSFET à canal p. Il s'avère que quatre transistors sont nécessaires pour le pont en H et deux autres à d'autres fins.

Utilisation de la puce

J'ai connecté la puce à travers la planche à pain, et cela a fonctionné comme promis. Il est extrêmement facile à utiliser - seuls quelques condensateurs de filtrage sont nécessaires, à l'entrée et à la sortie. Bien que les cristaux soient remplis de condensateurs, ils sont trop petits pour être filtrés. Les condensateurs externes ont une capacité plus élevée. J'ai appliqué 5 V à l'entrée (en bas à gauche) et obtenu 5 V à la sortie (en haut à droite) qui a allumé la LED. En électronique liée à l'alimentation, il est important de suivre les directives de disposition des éléments pour éviter le bruit et les oscillations. Cependant, bien que ma carte n'en ait satisfait aucun, la puce a parfaitement fonctionné. J'ai mesuré la sortie à 5 V et le bruit était minime.

Conclusion

Quand j'ai vu une puce contenant un transformateur DC-DC à part entière, j'ai décidé qu'il devait certainement y avoir une technologie intéressante à l'intérieur. L'ouverture du boîtier m'a révélé ses composants, dont deux cristaux de silicium et de minuscules enroulements plats de transformateur. En étudiant les composants et en les comparant aux brevets de Texas Instrument, je suis arrivé à la conclusion que la puce utilise la topologie d'un double pont actif avec un déphasage pour le transfert d'énergie. Fait intéressant, cette technologie gagne en popularité avec les chargeurs pour véhicules électriques, bien que nous parlions là d'énergies beaucoup plus élevées.

Les cristaux se sont révélés complexes, avec trois couches de métal et de petits composants qui ne sont pas visibles dans le dispositif optique. Habituellement, j'étudie les puces quelques décennies plus anciennes, qui sont beaucoup plus faciles à comprendre, donc cet article a plus de mes suppositions que la rétro-ingénierie (c'est-à-dire quelque part où j'aurais pu faire une erreur).