我们打开内部带有微小变压器的电流隔离芯片

我遇到了一个广告，该广告出售的是一种微型芯片，该芯片可提供5 V隔离电源（电流隔离）。您一方面提供5 V，另一方面获得5V。值得注意的是，两侧之间的电压差可以达到5000V。芯片中安装了DC-DC转换器和微小的隔离变压器，因此两侧之间没有直接的电气连接。我很震惊，他们能够将所有东西推入钉子大小的盒子中，所以我决定看看里面。

许多人抱怨上下文广告，但从这个意义上说，它非常适合我的兴趣。芯片UCC12050; 规格。芯片产生5 V，3.3 V，5.4 V或3.7 V的电压-可以使用电阻器选择。 5.4和3.7 V等值似乎是随机的，但它们会产生一个额外的0.4 V，因此可以使用LDO稳压器来调节电压[线性稳压器，其特点是调节元件上的压降很小/大约。翻译]。它的功率很小，只有半瓦。

我从德州仪器（TI）获得了该芯片。来自project5474的Robert Baruch为我捡起了它，并在210°C的硫酸中将其煮沸。环氧表壳溶解了，残留了许多微小的成分-照片​​如下所示，它们带有一个1美分的刻度尺硬币[硬币直径19.05毫米/约1.毫米。翻译]。在顶部-两个微小的硅晶体，一个用于初级电路，第二个用于次级电路。在它们下面是两个磁化的铁氧体变压器板。右边是五块玻璃纤维布之一。在下面-一个铜制散热器，在该过程中部分溶解。




由于芯片的内部结构，湿气会渗入其中并保留在内部。当焊接芯片时，水分会蒸发，这就是为什么芯片会像爆米花种子一样破裂的原因。为了避免这种情况，将芯片包装在防水袋中，卡片上应显示湿度水平。芯片的湿度敏感度为3，这意味着从包装中取出后至少要在一周内进行焊接-否则，需要先进行烘烤。

芯片中还有两个八角形的铜线圈-变压器绕组。下图显示了其中之一的遗骸。这些可能是微型印刷电路板上的铜走线。环氧溶解后，玻璃纤维是这些板的残留物。显然，绕组由几根平行运行的导体组成。



为了了解组件之间的接口方式，我研究了德州仪器（TI）的专利，并找到了类似的电流隔离芯片（如下）。注意晶体和线圈的结构。该专利的关键特征是触点内部凸起，晶体倒置安装。这改善了与电路板的电磁隔离。



芯片主体根据SOIC的类型制成，并且尺寸小于指甲。下面是芯片的视图-晶体和绕组都做得很小，以至于它们适合机壳（在剖面中观察它会很有趣）。它的厚度约为标准SOIC外壳的两倍，可容纳多个变压器层。


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芯片中有两个硅晶体-一个用于主电路接收电源，另一个用于辅助电路供电。下图显示了次级电路晶体。在芯片顶部可以看到一个金属层。我认为总共要使用三个金属层来粘合那里的所有组件。硅在照片中不可见，它隐藏在金属下。在左上角，将导体焊接到晶体焊盘上。芯片左侧的金属比右侧的金属多得多。左侧是模拟功率电子设备，因此，那里需要支持大电流的导体。



如果去除金属层（我用盐酸交替去除金属和用于蚀刻的特殊混合物去除二氧化硅），则在其下方将可见硅（请参见下文）。可见的晶体管，电阻器和电容器。金属层在视觉上与下方的硅不太相似，但有些功能很常见。



芯片的有趣特征之一是填充空隙以进行化学机械平面化（CMP）。在生产中，使用该技术将芯片层抛光至平坦状态。但是，没有金属导体的区域较软，它们会被耗尽。为了避免这种情况，在空区域中填充了正方形网格，以确保对芯片进行均匀的抛光。填充物在下面的照片中可见-这些是成一定角度放置的正方形。芯片上有许多金属层，每个金属层都有自己的填充物，这些填充物以自己的角度放置（该角度不允许填充物与其他组件对齐，从而最大程度地减少了杂散电容和电感）。


主晶体上的徽标，被填充物包围。 P代表主要的。

在芯片的底部，金属层下方，硅还具有CMP填充剂。这些正方形是硅的一部分，它们之间的线填充有某种材料，可能是多晶硅。尽管此栅格是倾斜的，但正方形与芯片平行。



下图显示了部分晶体成分。左边是连接到变压器的功率组件，右边是控制逻辑。



显然，芯片的逻辑由两个标准单元块组成，其中每个逻辑元素都已从库中准备好，并且单元在网格中排成一行。下图显示了特写逻辑。每个块都是MOS晶体管，它们通过顶部的金属层连接。最小的细节大约为700 nm宽-红光的波长（因此图像模糊）。相比之下，当今最先进的芯片正在切换到5 nm制造工艺-这要少140倍。



芯片面积的很大一部分被电容器占据，电容器由位于硅上并被电介质隔开的金属层组成。下图的大方形部分是电容器。电介质看起来是淡黄色，淡红色或淡绿色，具体取决于厚度。它们通过形成较大电容器的金属层连接。方形图案是CMP填充剂。我没有成功溶解电介质-我怀疑它可能是氮化硅，而不是二氧化硅，是由它们构成层之间的大部分绝缘材料。



下方硅上的水平条纹是由杂质形成的电阻，这些杂质会增加各个部分的电阻。电阻与长度除以宽度成正比，因此，为了获得显着的电阻，必须将电阻器做得又长又薄。通过在两端用锯齿形连接电阻条，可以得到更大面额的电阻。



下图显示了芯片的部分晶体管。芯片上使用了各种各样的晶体管，从大功率晶体管（底部）到“ 10 µm”标签左侧的微型逻辑晶体管的集合。所有晶体管都以一个比例给出，因此您可以体会大小上的显着差异（可能会有二极管）。

初级晶体

下图显示了主要的硅晶体。一些引脚连接到顶部的芯片。去除了部分金属层用于拍照，并且在这些位置可见导体。芯片的上部有一个模拟电源电路，主要是电容器，并覆盖了几乎均匀的金属层（清洁过程中我不小心将晶体掉入下水道，所以留下的照片不多）。



下面的特写显示了去除金属层和氧化硅层过程中的晶体。请注意-一些金属和多晶硅碎片从晶体上脱落并以任意角度转动。可以看出，晶体结构是三维的，其中许多层彼此叠置。除去氧化硅后，层结构可能会脱落。

芯片如何工作？

芯片的基本概念很简单。它与带电隔离的DC-DC转换器一起工作。初级侧将输入电压转换为脉冲，并将其传输到变压器。次级侧对脉冲进行整流并提供输出电压。由于在初级侧和次级侧之间有一个变压器，因此它们没有直接的电连接，并且电压是电气隔离的。但是他的工作细节没有详细描述：用于生成和整流脉冲的可能的“ 拓扑 ” 有很多：反激转换器，正向转换器，桥式转换器。另一个问题与输出电压控制有关。

有几种方法可以控制输出电压。一种普遍的方法是，反馈通过光耦合器从次级侧传输，因此初级侧可以调节电压。在另一种方法中，初级侧使用一个单独的变压器来监视电压。显然，在该芯片中不可能使用这些选项：这里没有反馈路径，而次级侧则选择输出电压。可以采取无效的方法，并且应在次级侧放置一个线性稳压器，以将电压降至所需值。

我已经研究了TI的各种专利，并且我认为该芯片使用了一种称为“相移双有源桥”的技术（见下文）。初级侧使用四个晶体管的H桥（左）向变压器（中间）发送正脉冲和负脉冲。次级侧（右侧）的类似H桥将变压器输出转换回直流电。使用H桥代替次级侧的二极管，因为可以通过更改时序来更改传输的能量。换句话说，可以通过初级桥和次级桥之间的相移来控制电压。与大多数转换器不同，此处脉冲的频率和宽度均不改变。


专利10122367的图表

每个H桥由四个晶体管组成：两个n沟道和两个p沟道MOS晶体管。下图显示了六个大功率晶体管，它们占据了大部分次级晶体。我研究了它们的结构，在我看来，右边的两个晶体管是n沟道MOSFET，另外四个是p沟道MOSFET。原来，H桥需要四个晶体管，而其他目的则需要两个。

芯片使用

我通过面包板连接了芯片，并且按预期工作。它非常易于使用-在输入和输出处仅需要几个滤波电容器。尽管晶体充满了电容器，但它们太小而无法滤波。外部电容器具有更高的电容。我在输入端（左下）施加了5 V的电压，在输出端（右上）获得了5 V的电压，使LED点亮。在与电源相关的电子产品中，重要的是要遵循元件布置的准则，以避免产生噪声和振荡。但是，尽管我的董事会不满意他们中的任何一个，但该芯片运行良好。我在5 V下测量了输出，并且噪声很小。

结论

当我看到一个包含成熟的DC-DC变压器的芯片时，我决定里面肯定有一些有趣的技术。打开盒子向我揭示了它的组成部分，包括两个硅晶体和微小的扁平变压器绕组。通过研究组件并将它们与德州仪器（TI）的专利进行比较，我得出的结论是，该芯片使用具有相移的双有源桥的拓扑进行能量传输。有趣的是，尽管我们谈论的是更高的能量，但这项技术在电动汽车充电器中越来越受欢迎。

晶体非常复杂，具有三层金属和小的组件，这些组件在光学设备中不可见。通常，我研究的芯片要早几十年，这更容易理解，因此，与逆向工程（也就是说，我可能会犯错的地方）相比，本文有更多的猜测。