हम अंदर एक छोटे ट्रांसफार्मर के साथ गैल्वेनिक आइसोलेशन चिप खोलते हैं

मुझे एक छोटी सी चिप की बिक्री के लिए एक विज्ञापन मिला, जो 5 वी आइसोलेटिंग पावर ( गैल्वेनिक आइसोलेशन ) प्रदान करता है । आप एक तरफ 5 वी की आपूर्ति करते हैं, और दूसरी तरफ 5 वी प्राप्त करते हैं। यह उल्लेखनीय है कि दोनों पक्षों के बीच वोल्टेज का अंतर 5000 V तक पहुंच सकता है। डीसी-डीसी कनवर्टर और एक छोटे से अलगाव ट्रांसफार्मर चिप में स्थापित होते हैं, इसलिए पक्षों के बीच कोई प्रत्यक्ष विद्युत कनेक्शन नहीं है। मैं हैरान था कि वे यह सब एक मामले में एक नाखून के आकार में ढालने में सक्षम थे, इसलिए मैंने अंदर देखने का फैसला किया।

कई लोग प्रासंगिक विज्ञापन के बारे में शिकायत करते हैं, लेकिन इस अर्थ में यह आदर्श रूप से मेरे हितों के अनुकूल है। चिप UCC12050; विनिर्देशन । चिप 5 वी, 3.3 वी, 5.4 वी, या 3.7 वी का उत्पादन करता है - यह एक अवरोधक का उपयोग करके चुना जा सकता है। 5.4 और 3.7 वी जैसे मान यादृच्छिक लगते हैं, लेकिन वे एक अतिरिक्त 0.4 वी का उत्पादन करते हैं, ताकि वोल्टेज को एलडीओ नियामक [रैखिक वोल्टेज नियामक] के साथ विनियमित किया जा सके, जो कि विनियमन तत्व / लगभग भर में एक छोटा वोल्टेज ड्रॉप होता है। transl।]। इसकी शक्ति छोटी है, केवल आधा वाट है।

मुझे यह चिप टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स से मिली है। प्रोजेक्ट 5474 से रॉबर्ट बारूक ने इसे 210 ° C के तापमान पर सल्फ्यूरिक एसिड में उबालते हुए मेरे लिए उठाया। एपॉक्सी मामला भंग हो गया और छोटे घटकों का एक गुच्छा बना रहा - उन्हें फोटो में नीचे दिखाया गया है, जिसमें स्केल [सिक्का व्यास 19.05 मिमी / लगभग के लिए एक-प्रतिशत सिक्का है। transl।]। शीर्ष पर - दो छोटे सिलिकॉन क्रिस्टल, एक प्राथमिक सर्किट के लिए, दूसरा माध्यमिक के लिए। उनके नीचे दो चुम्बकीय फेराइट ट्रांसफार्मर प्लेटें हैं। दाईं ओर शीसे रेशा कपड़े के पांच टुकड़ों में से एक है। नीचे - एक तांबा रेडिएटर, आंशिक रूप से प्रक्रिया में भंग हो गया।




चिप की आंतरिक संरचना के कारण, नमी इसमें प्रवेश कर सकती है और अंदर रह सकती है। और जब चिप को टांका लगाया जाता है, तो नमी वाष्पित हो सकती है, यही वजह है कि चिप पॉपकॉर्न के बीज की तरह फट जाएगी। इससे बचने के लिए, चिप को वॉटरप्रूफ बैग में पैक किया गया था, जिसमें नमी का स्तर दिखाया गया था। चिप की नमी संवेदनशीलता 3 है, जिसका अर्थ है कि पैकेज से हटाए जाने के एक सप्ताह बाद तक इसे टांका लगाने की आवश्यकता नहीं है - अन्यथा इसे पहले बेक करने की आवश्यकता होगी।

इसके अलावा चिप में दो अष्टकोणीय तांबे के कॉइल थे - ट्रांसफार्मर वाइंडिंग। नीचे दी गई फोटो उनमें से एक के अवशेष को दिखाती है। ये संभवत: छोटे मुद्रित सर्किट बोर्डों पर तांबे के ट्रैक हैं। इपॉक्सी के विघटन के बाद रेशा इन बोर्डों के अवशेष हैं। जाहिरा तौर पर, घुमावदार समानांतर में चलने वाले कई कंडक्टर शामिल थे।



यह समझने के लिए कि घटकों को कैसे हस्तक्षेप किया जाता है, मैंने टेक्सास इंस्ट्रूमेंट्स पेटेंट का अध्ययन किया और एक समान गैल्वेनिक आइसोलेशन चिप (नीचे) पाया। क्रिस्टल और कॉइल्स की संरचना पर ध्यान दें। पेटेंट की एक प्रमुख विशेषता यह है कि संपर्क अंदर की ओर उठे होते हैं और क्रिस्टल उलटे होते हैं। यह सर्किट बोर्ड से विद्युत चुम्बकीय अलगाव में सुधार करता है।



चिप बॉडी SOIC के प्रकार के अनुसार बनाई जाती है , और आकार एक नाखून से छोटा होता है। नीचे चिप का एक दृश्य है - क्रिस्टल और घुमावदार को इतना छोटा बना दिया जाता है कि वे मामले में फिट होते हैं (इसे अनुभाग में देखना दिलचस्प होगा)। यह कई ट्रांसफार्मर परतों को समायोजित करने के लिए मानक SOIC बाड़े के रूप में लगभग दो बार मोटी है।


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चिप में दो सिलिकॉन क्रिस्टल होते हैं - एक प्राथमिक सर्किट प्राप्त करने वाली शक्ति के लिए, और दूसरा द्वितीयक सर्किट के लिए जो बिजली की आपूर्ति करता है। नीचे दी गई तस्वीर एक माध्यमिक सर्किट क्रिस्टल दिखाती है। चिप के ऊपर एक धातु की परत दिखाई देती है; मुझे लगता है कि कुल मिलाकर, तीन धातु परतों का उपयोग वहां के सभी घटकों को बांधने के लिए किया जाता है। फोटो में सिलिकॉन दिखाई नहीं दे रहा है, यह धातु के नीचे छिपा हुआ है। शीर्ष बाईं ओर, कंडक्टर क्रिस्टल पैड के लिए सोल्डर किए गए हैं। चिप की बाईं ओर दाईं ओर बहुत अधिक धातु है; बाईं ओर एनालॉग पावर इलेक्ट्रॉनिक्स है, इसलिए, उच्च धाराओं का समर्थन करने वाले कंडक्टरों की आवश्यकता होती है।



यदि आप धातु की परतों को हटाते हैं (मैं धातु को हटाने के लिए वैकल्पिक हाइड्रोक्लोरिक एसिड और नक़्क़ाशी के लिए एक विशेष मिश्रणसिलिकॉन डाइऑक्साइड को हटाने के लिए), सिलिकॉन उनके नीचे दिखाई देगा (नीचे देखें)। दर्शनीय ट्रांजिस्टर, प्रतिरोध और कैपेसिटर। धातु की परत नेत्रहीन रूप से नीचे पड़े सिलिकॉन के समान नहीं है, लेकिन कुछ विशेषताएं सामान्य हैं।



चिप की दिलचस्प विशेषताओं में से एक रासायनिक-यांत्रिक प्लानेरीकरण के लिए voids का भरना है(सीएमपी)। उत्पादन में, चिप परतों को इस तकनीक का उपयोग करके एक सपाट स्थिति में पॉलिश किया गया था। हालांकि, धातु कंडक्टर के बिना क्षेत्र नरम हैं, और वे बहुत सूखा हो जाएगा। इससे बचने के लिए, खाली क्षेत्रों को एक वर्ग ग्रिड से भर दिया जाता है, जो चिप के एक समान स्तर की गारंटी देता है। भराव नीचे दी गई तस्वीर में दिखाई दे रहा है - ये एक कोण पर स्थित वर्ग हैं। चिप में कई धातु की परतें हैं, और उनमें से प्रत्येक का अपना भराव अपने कोण पर झूठ बोल रहा है (कोण भराव को अन्य घटकों के साथ लाइन करने की अनुमति नहीं देता है, जो आवारा समाई और अधिष्ठापन को कम करता है)।


प्राथमिक क्रिस्टल पर लोगो, जो भराव से घिरा हुआ है। P प्राथमिक के लिए खड़ा है।

चिप के तल पर, धातु की परतों के नीचे, सिलिकॉन में एक सीएमपी भराव भी है। ये वर्ग सिलिकॉन का हिस्सा हैं, और उनके बीच की रेखाएं किसी प्रकार की सामग्री, शायद पॉलीसिलिकॉन से भरी हुई हैं । हालांकि यह ग्रिड कोण है, वर्ग चिप के समानांतर हैं।



नीचे दिए गए आरेख क्रिस्टल घटकों का एक हिस्सा दिखाता है। बाईं ओर ट्रांसफार्मर से जुड़े बिजली के घटक हैं, दाईं ओर नियंत्रण तर्क है।



चिप के तर्क, जाहिरा तौर पर, मानक कोशिकाओं के दो ब्लॉकों के होते हैं, जहाँ प्रत्येक तार्किक तत्व को पुस्तकालय से तैयार किया जाता है, और कोशिकाएँ ग्रिड में जाती हैं। नीचे दी गई फोटो क्लोजअप लॉजिक दिखाती है। प्रत्येक ब्लॉक एक MOS ट्रांजिस्टर है, और वे शीर्ष पर धातु की परतों से जुड़े हुए हैं। सबसे छोटा विवरण लगभग 700 एनएम चौड़ा है - लाल बत्ती की तरंग दैर्ध्य (इसलिए तस्वीर धुंधली है)। तुलना के लिए, सबसे उन्नत चिप्स आज 5 एनएम विनिर्माण प्रक्रिया पर स्विच कर रहे हैं - यह 140 गुना कम है।



चिप क्षेत्र का एक बड़ा हिस्सा कैपेसिटर द्वारा कब्जा कर लिया जाता है, जिसमें सिलिकॉन पर पड़ी एक धातु की परत होती है और एक ढांकता हुआ होता है। नीचे की तस्वीर में बड़े वर्ग अनुभाग कैपेसिटर हैं; ढांकता हुआ पीला, लाल या हरे रंग का दिखता है, जो मोटाई पर निर्भर करता है। वे बड़े कैपेसिटर बनाने वाली धातु की परत से जुड़े होते हैं। एक वर्ग पैटर्न एक सीएमपी भराव है। मैं ढांकता हुआ को भंग करने में सफल नहीं हुआ - मुझे संदेह है कि यह सिलिकॉन नाइट्राइड हो सकता है, और सिलिकॉन डाइऑक्साइड नहीं, जिससे परतों के बीच अधिकांश इन्सुलेशन बनाया जाता है।



नीचे सिलिकॉन पर क्षैतिज धारियां अशुद्धियों द्वारा बनाई गई प्रतिरोध हैं जो व्यक्तिगत वर्गों के प्रतिरोध को बढ़ाती हैं। प्रतिरोध चौड़ाई द्वारा विभाजित लंबाई के लिए आनुपातिक है, इसलिए, महत्वपूर्ण प्रतिरोध प्राप्त करने के लिए, प्रतिरोधों को लंबा और पतला बनाया जाता है। प्रतिरोधों के स्ट्रिप्स को एक झिझक के साथ सिरों पर जोड़कर, आप और भी अधिक संप्रदाय के अवरोधक प्राप्त कर सकते हैं।



नीचे दी गई तस्वीर चिप के ट्रांजिस्टर का हिस्सा दिखाती है। अलग-अलग ट्रांजिस्टर की एक विस्तृत श्रृंखला का उपयोग चिप पर किया जाता है, जिसमें बड़े पावर ट्रांजिस्टर (बॉटम) से लेकर "10 माइक्रोन" लेबल के बाईं ओर छोटे लॉजिक ट्रांजिस्टर का संग्रह होता है। सभी ट्रांजिस्टर एक पैमाने पर दिए गए हैं, ताकि आप आकार में महत्वपूर्ण अंतर की सराहना करें (डायोड हो सकते हैं)।

प्राथमिक क्रिस्टल

नीचे दी गई तस्वीर प्राथमिक सिलिकॉन क्रिस्टल को दिखाती है। कुछ पिन शीर्ष पर चिप से जुड़े होते हैं। फोटो के लिए धातु की परत का हिस्सा हटा दिया गया है, और कंडक्टर इन जगहों पर दिखाई दे रहे हैं। चिप के ऊपरी हिस्से में एक एनालॉग पावर सर्किट है, मुख्य रूप से कैपेसिटर, और लगभग एक समान धातु की परत के साथ कवर किया गया है (मैंने गलती से क्रिस्टल को सीवर में सफाई के दौरान गिरा दिया था, इसलिए बहुत सारी तस्वीरें नहीं बची हैं)।



नीचे एक क्लोज़-अप एक धातु की परत और एक सिलिकॉन ऑक्साइड परत को हटाने की प्रक्रिया में एक क्रिस्टल को दर्शाता है। कृपया ध्यान दें - धातु और पॉलीसिलिकॉन के कुछ टुकड़े क्रिस्टल से टूट गए और यादृच्छिक कोण पर बदल गए। यह देखा जाता है कि क्रिस्टल संरचना तीन आयामी है, इसमें कई परतें एक दूसरे के ऊपर स्थित हैं। सिलिकॉन ऑक्साइड को हटाने के बाद, परत संरचना दूर गिर सकती है।

चिप कैसे काम करती है?

चिप की मूल अवधारणा सीधी है। यह गैल्वेनिक अलगाव के साथ एक डीसी-डीसी कनवर्टर के साथ काम करता है। प्राथमिक पक्ष आने वाले वोल्टेज को दालों में परिवर्तित करता है, और उन्हें ट्रांसफार्मर में स्थानांतरित करता है। द्वितीयक पक्ष दालों को ठीक करता है और एक आउटपुट वोल्टेज प्रदान करता है। चूंकि प्राथमिक और माध्यमिक पक्षों के बीच एक ट्रांसफार्मर है, उनके पास एक सीधा विद्युत कनेक्शन नहीं है, और वोल्टेज विद्युत रूप से पृथक है। लेकिन उनके काम के विवरण का विस्तार से वर्णन नहीं किया गया है: दालों को उत्पन्न करने और सुधारने के लिए कई संभव " टोपोलॉजी " हैं: एक फ्लाईबैक कनवर्टर , एक आगे-प्रवाह कनवर्टर, एक पुल कनवर्टर। एक अन्य मुद्दा आउटपुट वोल्टेज नियंत्रण से संबंधित है।

आउटपुट वोल्टेज को नियंत्रित करने के कई तरीके हैं। एक व्यापक दृष्टिकोण वह है जिसमें प्रतिक्रिया ऑप्टोकोप्लेर के माध्यम से द्वितीयक पक्ष से प्रेषित होती है , धन्यवाद जिससे प्राथमिक पक्ष वोल्टेज को विनियमित कर सकता है। एक अन्य दृष्टिकोण में, प्राथमिक पक्ष वोल्टेज की निगरानी के लिए एक अलग ट्रांसफार्मर का उपयोग करता है। जाहिरा तौर पर, इस चिप में इन विकल्पों का उपयोग करना असंभव है: यहां कोई प्रतिक्रिया पथ नहीं है, और माध्यमिक पक्ष आउटपुट वोल्टेज चुनता है। अप्रभावी दृष्टिकोण लिया जा सकता है, और वांछित मूल्य पर वोल्टेज को कम करने के लिए एक रैखिक वोल्टेज नियामक माध्यमिक पक्ष पर रखा जाना चाहिए।

मैंने विभिन्न टीआई पेटेंट का अध्ययन किया है, और मुझे लगता है कि यह चिप "चरण-शिफ्ट किए गए दोहरे-सक्रिय-पुल" नामक एक प्रौद्योगिकी का उपयोग करती है (नीचे देखें)। प्राथमिक पक्ष ट्रांसफार्मर (बीच में) में सकारात्मक और नकारात्मक दालों को भेजने के लिए चार ट्रांजिस्टर (बाएं) के एच-पुल का उपयोग करता है। द्वितीयक पक्ष (दाएं) पर एक समान एच-ब्रिज ट्रांसफॉर्मर आउटपुट को सीधे वर्तमान में परिवर्तित करता है। एच-ब्रिज का उपयोग द्वितीयक तरफ डायोड के बजाय किया जाता है क्योंकि समय को बदलकर संचरित ऊर्जा की मात्रा को बदलना संभव है। दूसरे शब्दों में, प्राथमिक और द्वितीयक पुलों के बीच चरण बदलाव से वोल्टेज को नियंत्रित किया जा सकता है। अधिकांश कन्वर्टर्स के विपरीत, न तो दालों की आवृत्ति और न ही उनकी चौड़ाई यहां बदलती है।


पेटेंट 10122367 से आरेख

प्रत्येक एच-ब्रिज में चार ट्रांजिस्टर होते हैं: दो एन-चैनल और दो पी-चैनल एमओएस ट्रांजिस्टर। नीचे दी गई तस्वीर में छह बड़े बिजली ट्रांजिस्टर हैं जो अधिकांश माध्यमिक क्रिस्टल पर कब्जा करते हैं। मैंने उनकी संरचना का अध्ययन किया, और मुझे ऐसा लगता है कि दाईं ओर दो ट्रांजिस्टर n- चैनल MOSFETs हैं, और अन्य चार पी-चैनल MOSFETs हैं। यह एच-ब्रिज के लिए आवश्यक चार ट्रांजिस्टर, और अन्य उद्देश्यों के लिए दो और बदल देता है।

चिप का उपयोग

मैंने ब्रेडबोर्ड के माध्यम से चिप को कनेक्ट किया, और यह वादा के अनुसार काम किया। इसका उपयोग करना बेहद आसान है - इनपुट और आउटपुट में केवल कुछ कपलिंग कैपेसिटर की जरूरत होती है। यद्यपि क्रिस्टल कैपेसिटर से भरे होते हैं, वे फ़िल्टर करने के लिए बहुत छोटे होते हैं। बाहरी कैपेसिटर में एक उच्च समाई होती है। मैंने इनपुट के लिए 5 वी लागू किया (नीचे बाएं) और एलईडी को जलाए जाने वाले आउटपुट (शीर्ष दाएं) पर 5 वी मिला। बिजली से संबंधित इलेक्ट्रॉनिक्स में, शोर और दोलनों से बचने के लिए तत्वों की व्यवस्था के लिए दिशानिर्देशों का पालन करना महत्वपूर्ण है। हालांकि, हालांकि मेरे बोर्ड ने उनमें से किसी को भी संतुष्ट नहीं किया, लेकिन चिप ने पूरी तरह से काम किया। मैंने 5 वी पर आउटपुट मापा और शोर न्यूनतम था।

निष्कर्ष

जब मैंने एक चिप से भरे डीसी-डीसी ट्रांसफार्मर को देखा, तो मैंने फैसला किया कि निश्चित रूप से इसके अंदर कुछ दिलचस्प तकनीक होनी चाहिए। मामले को खोलने से मुझे इसके घटक का पता चला, जिसमें दो सिलिकॉन क्रिस्टल और छोटे फ्लैट ट्रांसफार्मर वाइंडिंग शामिल हैं। घटकों का अध्ययन और टेक्सास इंस्ट्रूमेंट पेटेंट के साथ उनकी तुलना करते हुए, मैं इस निष्कर्ष पर पहुंचा कि चिप ऊर्जा हस्तांतरण के लिए एक चरण बदलाव के साथ एक दोहरे सक्रिय पुल के टोपोलॉजी का उपयोग करता है। दिलचस्प बात यह है कि यह तकनीक इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए चार्जर्स के साथ लोकप्रियता हासिल कर रही है , हालांकि वहां हम बहुत अधिक ऊर्जा के बारे में बात कर रहे हैं।

क्रिस्टल जटिल हो गए, धातु की तीन परतें और छोटे घटक जो ऑप्टिकल डिवाइस में दिखाई नहीं देते हैं। आमतौर पर मैं कई दशकों पुराने चिप्स का अध्ययन करता हूं, जिन्हें समझना बहुत आसान है, इसलिए इस लेख में रिवर्स इंजीनियरिंग की तुलना में मेरे अनुमानों की अधिकता है (यानी, कहीं न कहीं मुझसे गलती हो सकती है)।