Abrimos o chip de isolamento galvânico com um pequeno transformador dentro

Me deparei com um anúncio para a venda de um chip minúsculo que fornece energia de isolamento de 5 V ( isolamento galvânico ). Você fornece 5 V, por um lado, e obtém 5 V, por outro. Vale ressaltar que a diferença de tensão entre os dois lados pode chegar a 5000 V. Um conversor DC-DC e um pequeno transformador de isolamento estão instalados no chip, para que não haja conexão elétrica direta entre os lados. Fiquei chocado que eles foram capazes de enfiar tudo em uma caixa do tamanho de uma unha, então eu decidi olhar para dentro.

Muitas pessoas reclamam da publicidade contextual, mas, nesse sentido, é ideal para meus interesses. Chip UCC12050; especificação . O chip produz 5 V, 3,3 V, 5,4 V ou 3,7 V - isso pode ser selecionado usando um resistor. Valores como 5,4 e 3,7 V parecem aleatórios, mas produzem 0,4 V adicionais, de modo que a tensão pode ser regulada com um regulador LDO [regulador de tensão linear, caracterizado por uma pequena queda de tensão no elemento regulador / aprox. transl.]. Seu poder é pequeno, apenas meio watt.

Eu peguei esse chip da Texas Instruments. Robert Baruch do project5474 pegou para mim, fervendo em ácido sulfúrico a uma temperatura de 210 ° C. A caixa de epóxi se dissolveu e restaram vários componentes minúsculos - eles são mostrados abaixo na foto, com uma moeda de um centavo por escala [diâmetro da moeda 19,05 mm / aprox. transl.]. No topo - dois pequenos cristais de silício, um para o circuito primário e o segundo para o secundário. Abaixo deles estão duas placas transformadoras de ferrite magnetizadas. À direita, está um dos cinco pedaços de pano de fibra de vidro. Abaixo - um radiador de cobre, parcialmente dissolvido no processo.




Devido à estrutura interna do chip, a umidade pode penetrar nele e permanecer dentro. E ao soldar o chip, a umidade pode evaporar, e é por isso que o chip explodirá como uma semente de pipoca. Para evitar isso, o chip foi embalado em uma bolsa impermeável com cartões mostrando o nível de umidade. A sensibilidade à umidade do chip é a terceira, o que significa que ele precisa ser soldado o mais tardar uma semana após ser removido da embalagem - caso contrário, ele precisará ser cozido primeiro.

Também estavam no chip duas bobinas de cobre octogonais - enrolamentos de transformadores. A foto abaixo mostra os restos de um deles. Provavelmente são faixas de cobre em pequenas placas de circuito impresso. A fibra de vidro é o restante dessas placas após a dissolução do epóxi. Aparentemente, o enrolamento consistia em vários condutores funcionando paralelamente.



Para entender como os componentes são interfaceados, estudei as patentes da Texas Instruments e encontrei um chip de isolamento galvânico semelhante (abaixo). Preste atenção à estrutura de cristais e bobinas. Uma característica fundamental da patente é que os contatos são elevados no interior e os cristais são montados de cabeça para baixo. Isso melhora o isolamento eletromagnético da placa de circuito.



O corpo do chip é feito de acordo com o tipo de SOIC e o tamanho é menor que uma unha. Abaixo está uma vista do chip - os cristais e o enrolamento são feitos tão pequenos que cabem no gabinete (seria interessante olhar para ele em seção). Tem aproximadamente o dobro da espessura do gabinete SOIC padrão para acomodar várias camadas de transformador.


. . , , . : 7,5 ×10,3 , – 2,7 .

Existem dois cristais de silício no chip - um para o circuito primário que recebe energia e o segundo para o circuito secundário que fornece energia. A foto abaixo mostra um cristal do circuito secundário. Uma camada de metal é visível na parte superior do chip; Eu acho que no total, três camadas de metal são usadas para unir todos os componentes lá. O silício não é visível na foto, está oculto sob o metal. No canto superior esquerdo, os condutores são soldados nas almofadas de cristal. Há muito mais metal no lado esquerdo do chip do que no direito; no lado esquerdo é a eletrônica de potência analógica; portanto, são necessários condutores que suportam altas correntes.



Se você remover as camadas de metal (alternei o ácido clorídrico para remover o metal e uma mistura especial para a gravação)para remover o dióxido de silício), o silício será visível abaixo deles (veja abaixo). Transistores, resistores e capacitores visíveis. A camada de metal não é visualmente muito semelhante ao silício abaixo, mas alguns recursos são comuns.



Uma das características interessantes do chip é o preenchimento de vazios para planarização químico-mecânica(CMP). Na produção, as camadas de chip foram polidas para um estado plano usando essa tecnologia. No entanto, as áreas sem condutores de metal são mais suaves e seriam muito drenadas. Para evitar isso, as áreas vazias são preenchidas com uma grade quadrada, o que garante um nível uniforme de polimento do chip. O preenchimento é visível na foto abaixo - esses quadrados estão localizados em ângulo. O chip possui muitas camadas de metal, e cada uma delas tem seu próprio material de preenchimento no seu próprio ângulo (o ângulo não permite que o material de alinhamento se alinhe com outros componentes, o que minimiza a capacitância e a indutância perdidas).


O logotipo no cristal primário, cercado por material de enchimento. P significa primário.

Na parte inferior do chip, sob as camadas de metal, o silicone também possui um preenchimento de CMP. Esses quadrados fazem parte do silício e as linhas entre eles são preenchidas com algum tipo de material, provavelmente polissilício . Embora essa grade seja angular, os quadrados são paralelos ao chip.



O diagrama abaixo mostra uma parte dos componentes do cristal. À esquerda estão os componentes de energia conectados ao transformador, à direita está a lógica de controle.



A lógica do chip, aparentemente, consiste em dois blocos de células padrão, onde cada elemento lógico é retirado da biblioteca e as células se alinham em uma grade. A foto abaixo mostra uma lógica de close up. Cada bloco é um transistor MOS e eles são conectados por camadas de metal na parte superior. Os menores detalhes têm cerca de 700 nm de largura - o comprimento de onda da luz vermelha (para que a imagem fique embaçada). Para comparação, os chips mais avançados da atualidade estão mudando para o processo de fabricação de 5 nm - 140 vezes menos.



Uma parte bastante grande da área do chip é ocupada por capacitores, consistindo de uma camada de metal sobre o silício e separada por um dielétrico. Grandes seções quadradas na foto abaixo são capacitores; o dielétrico parece amarelado, avermelhado ou esverdeado, dependendo da espessura. Eles são conectados por uma camada de metal formando capacitores maiores. Um padrão quadrado é um preenchimento CMP. Não consegui dissolver o dielétrico - suspeito que possa ser nitreto de silício, e não dióxido de silício, do qual é feita a maior parte do isolamento entre as camadas.



As faixas horizontais no silicone abaixo são resistências formadas por impurezas que aumentam a resistência de seções individuais. A resistência é proporcional ao comprimento dividido pela largura, portanto, para obter resistência significativa, os resistores são feitos longos e finos. Ao conectar as tiras de resistores nas extremidades com um zigue-zague, você pode obter um resistor de denominação ainda maior.



A foto abaixo mostra parte dos transistores do chip. Uma ampla gama de transistores diferentes é usada no chip, desde grandes transistores de potência (inferior) a uma coleção de minúsculos transistores lógicos à esquerda da etiqueta "10 µm". Todos os transistores são fornecidos em uma escala, para que você aprecie a diferença significativa de tamanho (pode haver diodos).

Cristal primário

A foto abaixo mostra o cristal de silício primário. Alguns dos pinos estão conectados ao chip na parte superior. Parte da camada de metal foi removida para a foto e os condutores são visíveis nesses locais. Na parte superior do chip, há um circuito de energia analógico, principalmente capacitores, e é coberto com uma camada de metal quase uniforme (acidentalmente deixei cair o cristal durante a limpeza no esgoto, para que não restem muitas fotos).



Um close abaixo mostra um cristal no processo de remoção de uma camada de metal e uma camada de óxido de silício. Observe - alguns pedaços de metal e polissilício se separaram do cristal e giraram em ângulos aleatórios. Vê-se que a estrutura cristalina é tridimensional, nela muitas camadas se encontram umas sobre as outras. Após a remoção do óxido de silício, a estrutura da camada pode cair.

Como funciona o chip?

O conceito básico do chip é direto. Opera com um conversor DC-DC com isolamento galvânico. O lado primário converte a tensão de entrada em pulsos e os transfere para o transformador. O lado secundário retifica os pulsos e fornece uma tensão de saída. Como existe um transformador entre os lados primário e secundário, eles não possuem uma conexão elétrica direta e a tensão é eletricamente isolada. Mas os detalhes de seu trabalho não são descritos em detalhes: existem muitas “ topologias ” possíveis para gerar e retificar pulsos: um conversor flyback , um conversor de fluxo direto, um conversor de ponte. Outra questão está relacionada ao controle de tensão de saída.

Existem várias maneiras de controlar a tensão de saída. Uma abordagem ampla é a de que o feedback é transmitido do lado secundário via um acoplador óptico , graças ao qual o lado primário pode regular a tensão. Em outra abordagem, o lado primário usa um transformador separado para monitorar a tensão. Aparentemente, é impossível usar essas opções neste chip: não há caminho de realimentação aqui, e o lado secundário escolhe a tensão de saída. Uma abordagem ineficaz pode ser adotada e um regulador de tensão linear deve ser colocado no lado secundário para reduzir a tensão ao valor desejado.

Estudei várias patentes de TI e acho que esse chip utiliza uma tecnologia chamada “ponte ativa dupla com deslocamento de fase” (veja abaixo). O lado primário usa uma ponte H de quatro transistores (esquerda) para enviar pulsos positivos e negativos ao transformador (no meio). Uma ponte H semelhante no lado secundário (direita) converte a saída do transformador novamente em corrente contínua. A ponte H é usada em vez de diodos no lado secundário, porque é possível alterar a quantidade de energia transmitida alterando o tempo. Em outras palavras, a tensão pode ser controlada por uma mudança de fase entre as pontes primária e secundária. Diferentemente da maioria dos conversores, nem a frequência dos pulsos nem sua largura são alteradas aqui.


Diagrama da patente 10122367

Cada ponte H consiste em quatro transistores: dois transistores MOS de canal n e dois de canal p. A foto abaixo mostra seis grandes transistores de potência que ocupam a maior parte do cristal secundário. Estudei sua estrutura, e me parece que os dois transistores à direita são MOSFETs de canal n e os outros quatro são MOSFETs de canal p. Acontece quatro transistores necessários para a ponte H e mais dois para outros fins.

Uso de chips

Liguei o chip através da tábua de pão e funcionou como prometido. É extremamente fácil de usar - são necessários apenas alguns capacitores de filtragem na entrada e na saída. Embora os cristais estejam cheios de capacitores, eles são pequenos demais para serem filtrados. Capacitores externos têm uma capacitância mais alta. Apliquei 5 V na entrada (canto inferior esquerdo) e obtive 5 V na saída (canto superior direito) que acendeu o LED. Na eletrônica relacionada à energia, é importante seguir as diretrizes para o arranjo dos elementos para evitar ruídos e oscilações. No entanto, embora minha placa não satisfizesse nenhum deles, o chip funcionou perfeitamente. Eu medi a saída em 5 V e o ruído era mínimo.

Conclusão

Quando vi um chip contendo um transformador DC-DC completo, decidi que definitivamente deveria haver alguma tecnologia interessante dentro dele. A abertura do gabinete revelou seus componentes para mim, incluindo dois cristais de silício e pequenos enrolamentos de transformadores planos. Estudando os componentes e comparando-os com as patentes da Texas Instrument, cheguei à conclusão de que o chip usa a topologia de uma ponte ativa dupla com uma mudança de fase para transferência de energia. Curiosamente, essa tecnologia está ganhando popularidade com os carregadores de veículos elétricos, apesar de estarmos falando de energias muito mais altas.

Os cristais se mostraram complexos, com três camadas de metal e pequenos componentes que não são visíveis no dispositivo óptico. Normalmente, eu estudo chips de algumas décadas mais antigas, o que é muito mais fácil de entender; portanto, este artigo tem mais de minhas suposições do que a engenharia reversa (ou seja, em algum lugar que eu poderia ter cometido um erro).