Kami membuka chip isolasi galvanik dengan transformator kecil di dalamnya

Saya menemukan iklan untuk penjualan chip kecil yang menyediakan daya isolasi 5 V ( isolasi galvanik ). Anda memasok 5 V di satu sisi, dan mendapatkan 5 V di sisi lain. Perlu dicatat bahwa perbedaan tegangan antara kedua sisi dapat mencapai 5.000 V. Konverter DC-DC dan transformator isolasi kecil dipasang dalam chip, sehingga tidak ada sambungan listrik langsung antara kedua sisi. Saya terkejut bahwa mereka bisa memasukkan semuanya ke dalam case seukuran paku, jadi saya memutuskan untuk melihat ke dalam.

Banyak orang mengeluh tentang iklan kontekstual, tetapi dalam hal ini idealnya sesuai dengan minat saya. Chip UCC12050; spesifikasi . Chip menghasilkan 5 V, 3,3 V, 5,4 V, atau 3,7 V - ini dapat dipilih menggunakan resistor. Nilai-nilai seperti 5,4 dan 3,7 V tampak acak, tetapi mereka menghasilkan 0,4 V tambahan, sehingga tegangan dapat diatur dengan regulator LDO [regulator tegangan linier, ditandai dengan penurunan tegangan kecil melintasi elemen pengatur / kira-kira. diterjemahkan.]. Kekuatannya kecil, hanya setengah watt.

Saya mendapat chip ini dari Texas Instruments. Robert Baruch dari project5474 mengambilnya untuk saya, mendidihkannya dalam asam sulfat pada suhu 210 ° C. Kasing epoksi larut dan sekelompok komponen kecil tetap - mereka ditunjukkan di bawah ini di foto, dengan koin satu sen untuk skala [diameter koin 19,05 mm / kira-kira. diterjemahkan.]. Di atas - dua kristal silikon kecil, satu untuk rangkaian primer, yang kedua untuk sekunder. Di bawahnya ada dua pelat transformator ferit bermagnet. Di sebelah kanan adalah salah satu dari lima potong kain fiberglass. Di bawah - radiator tembaga, sebagian dilarutkan dalam proses.




Karena struktur internal chip, uap air dapat menembus ke dalamnya dan tetap di dalam. Dan ketika menyolder chip, uap air bisa menguap, itulah sebabnya chip itu akan pecah seperti biji popcorn. Untuk menghindari hal ini, chip tersebut dikemas dalam tas tahan air dengan kartu yang menunjukkan tingkat kelembaban. Tingkat sensitivitas kelembaban chip adalah yang ke-3, yang berarti perlu disolder paling lambat seminggu setelah dikeluarkan dari paket - jika tidak maka harus dipanggang terlebih dahulu.

Juga dalam chip adalah dua gulungan tembaga segi delapan - belitan transformator. Foto di bawah ini menunjukkan sisa-sisa salah satunya. Ini mungkin trek tembaga pada papan sirkuit kecil tercetak. Fiberglass adalah sisa-sisa papan ini setelah pembubaran epoksi. Tampaknya, belitan terdiri dari beberapa konduktor yang berjalan secara paralel.



Untuk memahami bagaimana komponen dihubungkan, saya mempelajari paten Texas Instruments dan menemukan chip isolasi galvanik yang serupa (di bawah). Perhatikan struktur kristal dan gulungan. Fitur utama dari paten adalah bahwa kontak dinaikkan ke dalam dan kristal dipasang terbalik. Ini meningkatkan isolasi elektromagnetik dari papan sirkuit.



Tubuh chip dibuat sesuai dengan jenis SOIC , dan ukurannya lebih kecil dari paku. Di bawah ini adalah pandangan dari chip - kristal dan belitan dibuat sangat kecil sehingga cocok dalam case (akan menarik untuk melihatnya di bagian). Ini kira-kira dua kali lebih tebal dari penutup SOIC standar untuk mengakomodasi beberapa lapisan transformator.


. . , , . : 7,5 ×10,3 , – 2,7 .

Ada dua kristal silikon dalam chip - satu untuk daya penerima rangkaian utama, dan yang kedua untuk pasokan daya rangkaian sekunder. Foto di bawah ini menunjukkan kristal sirkuit sekunder. Lapisan logam terlihat di atas chip; Saya pikir secara total, tiga lapisan logam digunakan untuk mengikat semua komponen di sana. Silikon tidak terlihat di foto, disembunyikan di bawah logam. Di kiri atas, konduktor disolder ke bantalan kristal. Ada lebih banyak logam di sisi kiri chip daripada di kanan; di sisi kiri adalah elektronika daya analog, oleh karena itu, konduktor yang mendukung arus tinggi diperlukan di sana.



Jika Anda menghilangkan lapisan logam (saya berganti asam klorida untuk menghilangkan logam dan campuran khusus untuk etsauntuk menghilangkan silikon dioksida), silikon akan terlihat di bawahnya (lihat di bawah). Transistor, resistor, dan kapasitor yang terlihat. Lapisan logam secara visual tidak sangat mirip dengan silikon yang terletak di bawah, tetapi beberapa fitur umum.



Salah satu fitur menarik dari chip ini adalah mengisi celah untuk planarisasi kimia-mekanik(CMP). Dalam produksi, lapisan chip dipoles ke keadaan datar menggunakan teknologi ini. Namun, area tanpa konduktor logam lebih lunak, dan terlalu kering. Untuk menghindari hal ini, area kosong diisi dengan kotak persegi, yang menjamin tingkat pemolesan chip yang seragam. Pengisi terlihat di foto di bawah ini - ini adalah kotak yang terletak di sudut. Chip ini memiliki banyak lapisan logam, dan masing-masingnya memiliki pengisi sendiri yang terletak pada sudutnya sendiri (sudut tidak memungkinkan pengisi untuk sejajar dengan komponen lain, yang meminimalkan kapasitansi dan induktansi yang tidak jelas).


Logo pada kristal utama, dikelilingi oleh pengisi. P adalah singkatan dari primary.

Di bagian bawah chip, di bawah lapisan logam, silikon juga memiliki pengisi CMP. Kotak-kotak ini adalah bagian dari silikon, dan garis-garis di antara mereka dipenuhi dengan beberapa jenis bahan, mungkin polisilikon . Meskipun grid ini bersudut, kuadratnya sejajar dengan chip.



Diagram di bawah ini menunjukkan bagian dari komponen kristal. Di sebelah kiri adalah komponen daya yang terhubung ke transformator, di sebelah kanan adalah logika kontrol.



Logika chip, tampaknya, terdiri dari dua blok sel standar, di mana setiap elemen logis diambil siap dari perpustakaan, dan sel-sel berbaris dalam kotak. Foto di bawah ini menunjukkan logika closeup. Setiap blok adalah transistor MOS, dan mereka dihubungkan oleh lapisan logam di atasnya. Detail terkecil adalah sekitar 700 nm lebar - panjang gelombang lampu merah (sehingga gambarnya buram). Sebagai perbandingan, chip paling canggih saat ini beralih ke proses manufaktur 5 nm - ini 140 kali lebih sedikit.



Sebagian besar area chip ditempati oleh kapasitor, terdiri dari lapisan logam yang terletak pada silikon dan dipisahkan oleh dielektrik. Bagian persegi besar pada foto di bawah ini adalah kapasitor; dielektrik terlihat kekuningan, kemerahan atau kehijauan, tergantung pada ketebalannya. Mereka dihubungkan oleh lapisan logam yang membentuk kapasitor yang lebih besar. Pola kotak adalah pengisi CMP. Saya tidak berhasil melarutkan dielektrik - saya menduga itu mungkin silikon nitrida, dan bukan silikon dioksida, dari mana sebagian besar isolasi antara lapisan dibuat.



Garis-garis horizontal pada silikon di bawah ini adalah resistor yang dibentuk oleh pengotor yang meningkatkan resistansi masing-masing bagian. Resistansi sebanding dengan panjang dibagi dengan lebar, oleh karena itu, untuk mendapatkan resistansi yang signifikan, resistor dibuat panjang dan tipis. Dengan menghubungkan strip resistor di ujungnya dengan zigzag, Anda bisa mendapatkan resistor denominasi yang lebih besar.



Foto di bawah ini menunjukkan bagian dari transistor chip. Berbagai macam transistor yang berbeda digunakan pada chip, dari transistor daya besar (bawah) hingga kumpulan transistor logika kecil di sebelah kiri label "10 μm". Semua transistor diberikan dalam satu skala, sehingga Anda menghargai perbedaan ukuran yang signifikan (mungkin ada dioda).

Kristal primer

Foto di bawah ini menunjukkan kristal silikon primer. Beberapa pin terhubung ke chip di atas. Sebagian dari lapisan logam telah dihapus untuk foto, dan konduktor terlihat di tempat-tempat ini. Di bagian atas chip ada sirkuit daya analog, terutama kapasitor, dan ditutupi dengan lapisan logam yang hampir seragam (saya tidak sengaja menjatuhkan kristal saat membersihkan ke selokan, sehingga tidak ada banyak foto yang tersisa).



Sebuah close-up di bawah ini menunjukkan kristal dalam proses menghilangkan lapisan logam dan lapisan silikon oksida. Harap dicatat - beberapa potong logam dan polisilikon terputus dari kristal dan berubah secara acak. Terlihat bahwa struktur kristal itu tiga dimensi, di dalamnya banyak lapisan saling bertumpukan. Setelah penghilangan silikon oksida, struktur lapisan dapat rontok.

Bagaimana cara kerja chip?

Konsep dasar chip sangat mudah. Ini beroperasi dengan konverter DC-DC dengan isolasi galvanik. Sisi primer mengubah tegangan masuk menjadi pulsa, dan mentransfernya ke transformator. Sisi sekunder memperbaiki pulsa dan memberikan tegangan output. Karena ada trafo antara sisi primer dan sekunder, mereka tidak memiliki koneksi listrik langsung, dan tegangan terisolasi secara listrik. Tetapi rincian karyanya tidak dijelaskan secara rinci: ada banyak " topologi " yang memungkinkan untuk menghasilkan dan memperbaiki pulsa: konverter flyback , konverter aliran maju, konverter jembatan. Masalah lain terkait dengan kontrol tegangan output.

Ada beberapa cara untuk mengontrol tegangan output. Pendekatan umum adalah di mana umpan balik ditransmisikan dari sisi sekunder melalui optocoupler , berkat sisi utama dapat mengatur tegangan. Dalam pendekatan lain, sisi primer menggunakan transformator terpisah untuk memonitor tegangan. Tampaknya, tidak mungkin untuk menggunakan opsi ini dalam chip ini: tidak ada jalur umpan balik di sini, dan sisi sekunder memilih tegangan output. Pendekatan yang tidak efektif dapat diambil, dan regulator tegangan linier harus ditempatkan di sisi sekunder untuk mengurangi tegangan ke nilai yang diinginkan.

Saya telah mempelajari berbagai paten TI, dan saya pikir chip ini menggunakan teknologi yang disebut "fase-shifted dual-active-bridge" (lihat di bawah). Sisi utama menggunakan jembatan-H dari empat transistor (kiri) untuk mengirim pulsa positif dan negatif ke transformator (di tengah). Jembatan-H serupa di sisi sekunder (kanan) mengubah output transformator kembali menjadi arus searah. Jembatan-H digunakan sebagai pengganti dioda pada sisi sekunder karena dimungkinkan untuk mengubah jumlah energi yang ditransmisikan dengan mengubah timing. Dengan kata lain, tegangan dapat dikendalikan oleh pergeseran fasa antara jembatan primer dan sekunder. Tidak seperti kebanyakan konverter, frekuensi pulsa maupun lebarnya tidak berubah di sini.


Diagram dari paten 10122367

Setiap H-bridge terdiri dari empat transistor: dua n-channel dan dua p-channel MOS transistor. Foto di bawah ini menunjukkan enam transistor daya besar yang menempati sebagian besar kristal sekunder. Saya mempelajari struktur mereka, dan bagi saya tampaknya dua transistor di sebelah kanan adalah MOSFET n-channel, dan empat lainnya adalah MOSFET p-channel. Ternyata empat transistor diperlukan untuk jembatan-H, dan dua lagi untuk keperluan lain.

Penggunaan chip

Saya menghubungkan chip melalui papan tempat memotong roti, dan itu bekerja seperti yang dijanjikan. Ini sangat mudah digunakan - hanya beberapa kapasitor filter yang diperlukan, pada input dan output. Meskipun kristal penuh kapasitor, mereka terlalu kecil untuk disaring. Kapasitor eksternal memiliki kapasitansi yang lebih tinggi. Saya menerapkan 5 V ke input (kiri bawah) dan mendapat 5 V pada output (kanan atas) yang menyalakan LED. Dalam elektronik yang berhubungan dengan daya, penting untuk mengikuti pedoman pengaturan elemen untuk menghindari kebisingan dan osilasi. Namun, meskipun papan saya tidak memuaskan mereka, chip tersebut bekerja dengan sempurna. Saya mengukur output pada 5 V dan kebisingannya minimal.

Kesimpulan

Ketika saya melihat sebuah chip berisi transformator DC-DC lengkap, saya memutuskan bahwa pasti ada beberapa teknologi yang menarik di dalamnya. Membuka casing mengungkapkan komponennya kepada saya, termasuk dua kristal silikon dan belitan transformator datar kecil. Mempelajari komponen dan membandingkannya dengan paten Texas Instrument, saya sampai pada kesimpulan bahwa chip menggunakan topologi jembatan aktif ganda dengan pergeseran fasa untuk transfer energi. Menariknya, teknologi ini semakin populer dengan pengisi daya untuk kendaraan listrik, meskipun di sana kita berbicara tentang energi yang jauh lebih tinggi.

Kristal-kristal itu ternyata kompleks, dengan tiga lapisan logam dan komponen kecil yang tidak terlihat di perangkat optik. Biasanya saya mempelajari chip beberapa dekade lebih tua, yang jauh lebih mudah dipahami, jadi artikel ini memiliki lebih banyak dugaan saya daripada rekayasa terbalik (yaitu, di suatu tempat saya bisa membuat kesalahan).