В чипа за галванично разделяне е поставен малък трансформатор

5
1440

Оригиналът е на Ken Shirriff, който има многобройни интересни примери от подобен род.

Попаднах на обява за продажбите на мъничък чип за галванично развързване. Всичко е елементарно – подавате 5 V от едната страна и получавате 5 V от другата. Интересното е, че разликата на напреженията между тези две страни може да достига 5000 V и по този начин може да се осигури много добра защита на на апаратурата, както и да се избегне поразяването на хората от електрическия ток. В чипа е поставен DC-DC преобразовател с малък изолиращ трансформатор и между двете страни няма електрическа връзка. Учудих се преди всичко на това, че всичко е напъхано в корпус по-малък от нокът и реших да видя какво има вътре.

Това е чипът UCC12050. Той може да подава на изхода си 5 V, 3,3 V, 5,4 V или 3,7 V, като това напрежение може да се избира с помощта на резистор. Напреженията 5,4 и 3,7 изглеждат случайни, но те дават допълнителните 0,4 V, благодарение на които напрежението може да се регулира с помощта на LDO регулатор (линеен регулатор на напрежение с малък спад на напрежението върху регулиращия елемент). Мощността на изхода не е много голяма – само половин ват.

Взех няколко от тези чипа директно от Texas Instruments. Робърт Барух от project5474 ми помогна като го нагря в сярна киселина до температура 210 °C. Епоксидният корпус се разтвори и останаха само няколко миниатюрни компонента. Те са показани на снимката по-долу и за да се прецени техния мащаб са поставени върху монета от един цент (диаметърът на тази монета е 19,05 мм). Отгоре на монетата се виждат два малки кристала – един за първичния кръг, а другият за вторичния на изхода. Под тях са разположени двете феритови пластинки на трансформатора. Отдясно се намира един от петте къса тъкан от фибростъкло. Отдолу е поставен медния радиатор, който частично се разтвори при този процес.

Поради специфичната вътрешна структура на чипа в него може да проникне влага, която да остане вътре. А при запояването влагата може да се изпари, от което чипът ще гръмне като пуканка. За да се избегне това, този чип е поставен в херметичен пакет с лепенки, показващи нивото на влажността. Неговата чувствителност към влагата е от ниво 3, което означава, че той трябва да бъде запоен не по-късно от една седмица след изваждането му от опаковката. Ако запояването стане по-късно, той трябва предварително да бъде подгрят и добре изсушен.

В чипа имаше две осмоъгълни медни индуктивности, които са намотките на трансформатора. На снимката по-долу са показани остатъците на едната от тях. Това явно са пътечки върху миниатюрните печатни платки. Стъклопластът е остатъкът от тези платки след разтварянето на епоксидната смола. Вижда се, че намотката се състои от няколко паралелни пътечки, които се използват като проводници на съответната индуктивност.

За да разбера по-подробно как е направено всичко, разгледах патентите на Texas Instrument, където намерих подобен чип за галванично разделяне. Там добре се вижда разположението на кристалите и индуктивностите.

Корпусът е тип SOIC, като неговите размери са по-малки от нокът. По-долу е показано как изглежда този чип – кристалите и индуктивностите са направени съвсем малки, за да могат да се поберат в този корпус. Но той е около два пъти по-дебел от стандартния SOIC заради двата слоя на трансформатора.

Вторичният кристал и неговите компоненти

В чипа са поставени два силициеви кристала – единият за първичната схема, получаващ захранване и втори – подаващ захранване. На снимката по-долу е показан кристалът на вторичната схема. Вижда се металният слой върху чипа. Мисля че за да се осъществи връзката между всички компоненти са използвани три метални слоя. Силицият не се вижда на тази снимка, понеже се намира под метала. В лявата и в горната част се виждат проводници, които са запоени към площадките на кристала. В лявата част на чипа има много повече метал отколкото в дясната. Това е така, защото в лявата страна се намира аналоговата част на електрониката на захранването и за нея са необходими проводници, издържащи на висок ток.

Ако махнем металните слоеве (аз използвах солна киселина за премахване на метала и специална смес за ецване и премахване на силициевия диоксид), под тях вече се вижда силицият. Виждат се транзисторите, резисторите и кондензаторите.

В завода различните слоеве на чипа са полирани до плоско и гладко състояние, но участъците без метални проводници остават по-меки и бързо биха се изтъркали. За да се избегне този неприятен ефект празните участъци са запълнени с метализирани квадратчета, които са разположени под ъгъл спрямо другите слоеве. Чипът има много метални слоеве, като празните места на всеки слой са запълнени с тези квадратчета, а този ъгъл не позволява те да са разположени паралелно и по този начин се елиминира паразитния капацитет.

Логотипът на първичния кристал, който е заобиколен от квадратчетата. Р означава първичен, primary

В долната част на чипа, под металните слоеве, силицият също е запълнен с квадратчета. Те са силициеви, а линиите между тях за запълнени с някакъв материал, навярно полисилиций. Тази решетка от квадратчета също е поставена под ъгъл, но квадратчетата са паралелни спрямо кристала на чипа.

Изображението по-долу показва различните компоненти на кристала. Отляво са компонентите на захранването, които са съединени с трансформатора, а отдясно се намира управляващата логика.

Логическата схема на чипа се състои от два блока стандартни клетки, в които всеки елемент е взет наготово от една голяма библиотека, а самите клетки образуват мрежа. Снимката по-долу показва в по-едър план тази логика. Всяко блокче е CMOS транзистор, като транзисторите се съединяват с помощта на металните слоеве над тях. Най-малките елементи са с размер около 700 nm и понеже е използвана червена светлина с голяма дължина на вълната, изображението е леко размито. За сравнение, днешните чипове се произвеждат чрез 5 нанометров технологичен процес, а това е 140 пъти по-малко.

Доста голяма част от площта на чипа заемат кондензаторите. Те се състоят от метален слой върху силиция и от диелектрик. Големите квадратни елементи на снимката по-долу са кондензаторите, като диелектрикът изглежда жълтеникав, червеникав или зеленикав в зависимост от неговата дебелина. Чрез връзки в металния слой се образуват кондензатори с по-голям капацитет. Диелектрикът не можа да се разтвори и може би това е силициев нитрид, а не силициев диоксид.

Хоризонталните ленти върху силиция са резистори, формирани от примеси, които повишават съпротивлението на тези участъци. Съпротивлението на тези резистори е пропорционално на тяхната дължина, разделена на ширината и за получаването на по-голямо съпротивление резисторите са направени дълги и тънки. А когато техните краища се съединяват на зигзаг може да се получи резистор с още по-голямо съпротивление.

Снимката по-долу показва част от транзисторите на чипа. В него се използва широк спектър от различни транзистори – от големите силови транзистори долу до малките транзистори за логическите схеми, които са отбелязани с маркера „10 микрона“. Мащабът на всички транзистори е еднакъв, като има и диоди.

Първичният кристал

На снимката по-долу е показан първичният силициев кристал. Някои от изводите са съединени към горната част на чипа. Специално заради тази снимка е премахната само част от металния слой и добре се виждат проводниците. В горната част се намира аналоговата част на захранването, която е съставена предимно от кондензатори и е покрита с еднороден метален слой.

По-долу е показан кристалът по време на премахване на металния слой. Но тук се откъснаха някои късчета на метализацията, които се завъртяха на произволни ъгли. Вижда се, че структурата на кристала е триизмерна и различните слоеве са разположени един върху друг.

Работата на чипа

Чипът работи като DC-DC преобразовател с галванично разделяне. Едната страна преобразува входното напрежение в импулси, които отиват в трансформатора. Вторичната част получава тези импулси от трансформатора, изправя ги и по този начин се получава изходно напрежение. И понеже първичната и вторичната част са разделени с трансформатор, между тях няма електрическа връзка и двете части са електрически изолирани една от друга.

След като прегледах различните патенти, реших, че в този чип се използва технологията с име „двоен активен мост с изметване на фазата“ (phase-shifted dual-active-bridge). Първичната страна използва Н-образен мост от четири транзистора (отляво) за изпращане на положителни и отрицателни импулси към трансформатора (в средата). Подобен Н-образен мост във вторичната част (отдясно) преобразува променливия ток от трансформатора в постоянен. Използването на подобен мост от транзистори вместо диоди във вторичната страна се използва защото е възможно да се променя и стабилизира количеството енергия на изхода чрез промяната на таймингите. С други думи, напрежението на изхода може да се регулира чрез изместване на фазата между първичния и вторичния мост. За разлика от много други преобразователи от подобен тип, тук напрежението се регулира и стабилизира не чрез промяна на честотата на импулсите, а чрез тяхната ширина.

Всеки Н-образен мост се състои от 4 транзистора: два n-канални и два p-канални. На снимката по-долу са показани шест големи силови транзистора, които заемат по-голямата част на вторичния кристал. Отдясно се виждат двата n-канални MOSFET, а останалите четири са p-канални MOSFET. Тоест, това са четирите транзистора за Н-моста и още два транзистора за други цели, които не са описани в патентите.

Използване на чипа

Поставих този чип на макетна платка и той веднага започна да работи. Неговото използване е съвсем лесно – необходими са само два филтриращи кондензатора. В чипа има кондензатори, но техният капацитет е малък и се препоръчва използването на външни. Подадох на входа 5 V и на изхода получих 5 V, които накараха включеният във веригата светодиод да светне.

Заключение

Когато видях този малък чип, в който е поставен пълноценен DC-DC преобразовател с трансформатор, реших, че в него е използвана някаква интересна технология. Отварянето на неговия корпус ми разкри неговите компоненти, включително два силициеви кристала и малките плоски намотки на трансформатора. След като изучих откритите в чипа компоненти и ги сравних с патентите на Texas Instrument, стигнах до извода, че за прехвърляне на енергията се използва технологията на два активни моста с изместване по фаза. Интересно е, че тази технология става все по-популярна в зарядните устройства на електромобилите, въпреки че при тях става дума за много по-големи енергии.

Кристалите се оказаха сложни – с по три метални слоя и малки компоненти, които не се виждат с оптични прибори. По този начин научих много нови неща, които ще използвам в своята работа.

0 0 глас
Оценете статията
Абонирай се
Извести ме за
guest
5 Коментара
стари
нови оценка
Отзиви
Всички коментари