La forma más sencilla de reducir el 220AC con más del 10 % de eficiencia

Objetivo

Quiero diseñar un pequeño sensor de temperatura alimentado por red en un solo paquete. Posiblemente como módulo multichip (MCM) en una pequeña placa PCB.

Restricciones

El sensor de temperatura que pienso incorporar:

  1. Opera (Iq) entre 1VDC, 10mA y 3VDC, 30mA
  2. Es un proceso de fabricación Samgsung de 65nm. Entonces es muy pequeño.

Fuente de alimentación:

  1. alrededor de 220V alimentado por red (monofásico)

  2. Operación sin una fuente secundaria (bata, tapa a granel, etc.) deseada para minimizar el tamaño.

  3. La demanda de eficiencia es solo> 10% y eso es suficiente para mí.

ideas ahora

Tenía la intención de diseñar mi convertidor de potencia en un pequeño chip, muchas gracias por las sugerencias de la gente. Pienso en la bomba de carga y los diferentes módulos IC, la recolección de energía de RF y la posibilidad de implementar un dispositivo de este tipo en el proceso nm Si. Sobre todo, los microchips que pueden convertir 220 VCA a CC baja son de gran tamaño para mí, y también tienen muchas tapas grandes alrededor del módulo; bomba de carga de la idea de Olin, no creo que pueda diseñar un diodo que pueda admitir alto voltaje en el chip, si no en el chip, será de gran tamaño (creo); Para la recolección de energía, investigué un poco antes y, sinceramente, es bueno, pero la energía de RF no es muy sólida y existen algunas limitaciones sobre la distancia. Así que vuelvo a las ideas originales de cómo convertir el voltaje. Espero que sus muchachos puedan verificar si tienen razón.Usaré algunas cosas de regulación (fuera del chip) para regular el voltaje por fin, así que solo quiero verificar si los pensamientos son correctos.

1> Lineal con las resistencias. Ingrese 220Vac a las dos resistencias, una es de 1Mohm, la otra es de alrededor de 10Kohm, figura a continuación:

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Sé que la eficiencia es muy baja, alrededor del 1%, así que la descarto. Pero es mi primera idea.

2> lineal con el condensador. Dado que la eficiencia de la primera forma es tan baja, me pregunto si puedo usar dos condensadores para reemplazar las resistencias (las cifras a continuación) una tapa es 1pf, la otra es 10fF (los valores exactos no son seguros).

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También quiero diseñar el condensador grande en mi placa de circuito impreso por mí mismo como en la figura a continuación, para poder mini-tamaño. Si el valor límite no es grande, puedo diseñarlo en chip.

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Primero, no sé si el circuito fundamental (la primera figura) funcionará o no, porque nunca vi esto antes, pero como sé, espero que funcione. Suponga que funciona, cómo diseñarlo exactamente (me refiero a cómo diseñar el valor límite correctamente y cómo elegir la frecuencia del interruptor correctamente).

3> El convertidor de aislamiento lineal convencional:

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Mi pregunta es, de esta manera convencional, la corriente de salida en otros diseños generalmente necesita mucha, por lo que el transformador es grande, pero solo lo necesito muy pequeño (1mA ~ 30mA), así que según su opinión, ¿qué tan grande será? Sé poco sobre el diseño de transformadores. la relación de voltaje es 45:1 y la corriente es 1:45, ¿cuántas bobinas en ambos lados son buenas? Que grande sera.

si el transformador de arriba no es tan grande, además, se mejora mi método de diseño para el transformador, y quiero diseñar el transformador en la placa PCB por mí mismo, como las figuras a continuación:

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en mi primera figura, solo uso un transformador de etapa, si el tamaño es grande para diseñar una conversión de 220V-5V, tal vez pueda diseñar dos o más etapas para convertir como 220V-48V-5V. Espero que el transformador (cada etapa, espero que una etapa sea suficiente) sea inferior a 1 cm × 1 cm. Si eso es posible, lo haré. Y creo que la eficiencia es buena y también segura.

Sobre todo , quiero mejorar mi diseño en el método No 2 y No 3, pero no sé si mis pensamientos son correctos o no. Listo para obtener un juicio ahora.

TODAVÍA no sabemos si esta fuente de alimentación debe aislarse. Eso debe decidirse primero ya que las soluciones de cualquier manera serán muy diferentes. Dices que esto alimentará un sensor, pero ¿a dónde va la salida del sensor? También pregunta sobre un conector, por lo que implica que la señal del sensor puede ir a otra parte. Si la señal del sensor solo se va a mostrar localmente, por ejemplo, entonces el suministro podría aislarse, pero la pregunta sobre el conector no tiene sentido. Además, de qué va esto, de la electrónica o del conector. Elegir uno.
Si el "conector" es solo para enchufarlo a la toma de corriente, entonces no veo cuál es el problema. Use cualquier enchufe de pared estándar para cualquier lugar donde se use este dispositivo. En cuanto a 220 VAC en un chip, no sucederá. El suministro debe ser externo al chip, luego cualquier chip que haya ejecutado desde la CC de bajo voltaje resultante. Una bomba de carga puede ser adecuada, como le sugerí a su pregunta original hace unos días.
Las bombas de carga ciertamente pueden bajar tanto como subir. En proporciones de reducción altas, se parecen más a las fuentes de corriente. La corriente es función de las capacitancias y de la tensión y frecuencia de bombeo. Las bombas de carga capacitivas son comunes en suministros no aislados que solo necesitan emitir unos pocos mA. También son bastante eficientes. Es probable que necesite agregar algún tipo de regulación después. Esto puede ser tan simple como un regulador de derivación zener, ya que de 220 V a 3 V, la bomba de carga parecerá una fuente de corriente.
@OlinLathrop Edito mi pregunta nuevamente y pienso en diferentes métodos durante algún tiempo, espero que puedas verificar
debe conocer esta nueva respuesta a un tipo de pregunta similar aquí electronics.stackexchange.com/questions/53587/…
El diseño de chips está totalmente fuera de mi profesión. 1V 10mA de consumo equivale a 10mW de disipación. Si fabrica CUALQUIER tipo de regulador con un 10% de eficiencia, terminará con una fuente de alimentación de 90 mW + una disipación del sensor de 10 mW. ¿No es demasiado? Quiero decir, este será un sensor de temperatura de un solo chip, ¿esa disipación no afectará significativamente la medición?

Respuestas (7)

Lo que está buscando se llama una fuente de alimentación fuera de línea. Una búsqueda rápida revela el Fairchild Semi FSAR001. Poner 80 - 240 Vac produce 5Vdc a 35 mA máx.

Hay muchos más alrededor.

  • ¡¡¡NO está aislado!!! lo que significa que este no es un diseño para poner en dispositivos que las personas manejarán - Punto final.

Permítanme repetirlo, este es un circuito letal, pero perfectamente razonable de usar en las condiciones adecuadas.

Aquí hay un recorte de la página 2 de la hoja de datos.ingrese la descripción de la imagen aquí

Esta respuesta no aborda su pregunta sobre el diseño de un chip. Lo cual puedo responder, pero espero que el problema real se resuelva con esta pista y dirección.

+1 Buen trabajo. No consideré el caso no aislado...
¡Buena respuesta! Pero ¿qué pasa con la eficiencia? No puedo encontrarlo, tal regulador de línea no aislado, creo que la eficiencia será inferior al 10%. Bienvenido a corregir ~
Puede ser muy bajo, hay tipos de estos que usan condensadores como elemento de acoplamiento, lo que a su vez lo hace más eficiente a expensas de más potencia reactiva (y un factor de potencia más pobre)
Nuevamente, ¿cómo puedo encontrar un producto de tipo capacitor de acoplamiento? ¿Qué debo buscar en Google? ¿También sabes cuál es la eficiencia máxima que podría tener este tipo? Si la eficiencia es del 30% al 50%, estoy feliz de usarlo. Por cierto, ¿has considerado construir el tipo SMPS en un chip? ¿Es posible de hacer? Puedo poner el condensador grande fuera del chip y, por lo demás, ¿es posible hacerlo en el chip?
La hoja de datos no proporciona un método para calcular la potencia. Sin embargo, la técnica utilizada es cargar la tapa a través de un ángulo de conducción y usar un LDO para salir de eso. Hubiera pensado que un puente rectificador en chip hubiera sido mejor (partes como esa que he usado en el pasado). Pero un examen superficial muestra que no puede ser TAN malo. 200 V @ 35 mA = ~ 7 W, que un paquete DIP NO PUEDE manejar. Diría que tendría que tener una eficiencia del 90 % o más debido a ese hecho.
¿Quiere decir que la eficiencia de este FSAR001 es del 90 % o más? o el tipo de condensador de acoplamiento? Este circuito FSR001 es un paquete DIP. Estoy un poco confundido. Además, cuando dices "que puedo responder pero...", ¿quieres decir que diseñaste ese chip AC/DC antes? ¿Qué tipo de estructura es la mejor en su opinión? ¿Has probado la estructura SMPS? Sólo preguntaba..
@alan: la eficiencia de FSAR001 será alta cuando se considere la eficiencia como (Vin x Iin) / (Vout x Iout). PERO su factor de potencia es ppor, lo que a menudo no importa. Funciona encendiendo un interruptor cuando Vin_mains es bajo y apagándolo cuando Vin_mains >> Vout. Si su proceso IC puede soportar el voltaje máximo de la red, puede incorporarlo a su IC. De lo contrario, puede agregarlo usando un interruptor de alto voltaje (transistor bipolar, etc.) más un IC de bajo voltaje. Este es un circuito muy inteligente y también fácilmente poco confiable si está mal diseñado. Hará lo que quieras si está bien diseñado.
@rawbrawb este circuito alrededor del IC001 necesita condensadores muy grandes, no es lo que realmente necesito. Si mi demanda de eficiencia energética es solo> 10%, y quiero diseñarlo para un chip, ¿tiene alguna experiencia haciendo esto o alguna sugerencia?
Respondido como una respuesta separada. Porque creo que el lado del diseño del chip es extraño y la pregunta debería haberse planteado en dos partes. Una es, ¿cómo hacer esto con un mínimo de piezas?, y dos, ¿se puede diseñar como un chip?
Sí, tiene usted razón. y tu respuesta es ciertamente a la primera, ^_^. Gracias de cualquier manera
@rawbrawb Edito mis preguntas nuevamente, y pienso en la posibilidad de implementación del proceso nm Si, y sigo pensando que puedo simplemente chipear el 5Vdc-1Vdc algo así, para 220V-1V, es muy grande, y tengo algunos pensamientos originales para esto, espero que puedas revisar los editados.

Sin moverse por la física. Necesitará una "verruga de pared". O obtiene una verruga de pared como un producto empaquetado o la implementa usted mismo en su PCB.

He aquí por qué su pregunta no es factible:

Una verruga de pared...

  • realiza la rectificación (convirtiendo la alimentación de CA bipolar en alimentación de CA unipolar)
  • seguido de filtración (convirtiendo CA unipolar en una aproximación de CC)

Esos son los pasos básicos para pasar de CA a CC. Cualquier enfoque alternativo incluirá esos pasos de alguna forma. Puede obtener unidades mucho más pequeñas (menor potencia de salida) si eso se adapta mejor a sus necesidades. También puede obtenerlos como módulos de PCB (google para fuente de alimentación de "marco abierto") en lugar de productos empaquetados.

Por ejemplo, estos .

si implemento la verruga de la pared en mi PCB, ¿cómo se verá? ¿Hay alguna foto que pueda ver? Quiero decir, si puedo diseñar la mayoría de los componentes en componentes de nivel CMOS de 65 nm en un chip, entonces puedo hacerlo mucho más pequeño, ¿verdad? por ejemplo, puedo diseñar el transformador onchip, y no es nada grande.
¿Eh? ¿Eres diseñador de chips? En cualquier caso, no. Al primer orden, no tendrás suficiente aislamiento de esa manera. No será seguro. Mire esos productos a los que me vinculé arriba. Esos son ejemplos de pequeñas soluciones empaquetadas.
¿Quiere decir que convertir la CA bipolar en CA unipolar mediante el puente de diodos es el primer orden? Sí, soy diseñador de chips, por lo que no estoy seguro de poder diseñar el convertidor en un chip o no. Revisé la web que me dijiste. Vi la fuente de alimentación de marco abierto, no es lo que quiero, hay componentes muy grandes, y espero poder diseñar el puente de diodo, el inductor y algunos de los condensadores (tal vez algunos son demasiado grandes, así que necesito poner afuera), y el transformador (el transformador no es muy grande en la placa de circuito impreso, creo que puedo cambiar el transformador de devanado Fe en un transformador de torsión de pila en el chip) en el chip
Quizás ese nivel de detalle debería ir en su pregunta original. Le sugiero que cambie el título a "¿Es posible un SMPS con capacidad de 220 V integrado?". Eso atraería a más de la parte de la comunidad centrada en los semiconductores. Por lo que puedo estimar en mi cabeza, a 220 V no podría mantener suficiente aislamiento en 65 nm Si.
¿Puedo poner el puente de diodo y el capacitor de filtrado primero fuera del chip, y simplemente diseñar la parte de CC alta y CC baja en un chip? ¿Crees que es posible? ¿Hay algún chip convertidor de CC alto-CC bajo en el mundo ahora?
Si y si. Muchos muchos. Pero eso no es eficiente (FYI).
Esta respuesta es severamente incorrecta. Hasta hace muy poco, casi ninguna "Verruga de la pared" estaba en modo de cambio. La tendencia en desarrollo de hacerlos de esa manera ha sido excelente, pero es bastante ignorante afirmar que una verruga de pared necesariamente cambia de modo cuando hay una gran base instalada de unidades lineales, y aún se fabrican más.
@Chris - Sí, de acuerdo. en realidad, eso fue un error de mi parte. No quise tener tres balas. Estaba escribiendo algo más y luego decidí cambiar de enfoque a la declaración más general sobre rect + filt. De alguna manera me perdí que todavía tenía mi bala original allí. Corregido con disculpas.
Muchos problemas con esta respuesta. (1) Los conmutadores a bordo y fuera de línea refutan la declaración "debe ser una verruga de pared". (2) Si está en una tabla y no en la pared, no es una verruga en la pared. (3) Algunas salidas de CA, otras de CC y otras de CC regulada. La única cosa que tienen en común, la omitió: (4) ¡Todos brindan aislamiento! ¡Esta es prácticamente la razón por la que se inventaron las verrugas de la pared!
@gbarry: todos los puntos son justos ... dicho esto, en el contexto de la pregunta del OP original (que ha sido muy revisada), definió el término para que signifique efectivamente "un dispositivo que se conecta a la pared y convierte AC-DC". de ahí que mi respuesta diga que, básicamente, no puede convertir CA a CC sin un dispositivo que convierta CA a CC... no es exactamente mi respuesta más profunda en SE ;-)
@DrFriedParts Edito mis preguntas nuevamente y cambio algo que quiero decir, pienso en sus sugerencias y vuelvo a los pensamientos originales, espero que puedan verificarlo.

El circuito FSAR001 sugerido por rawbrawb es inteligente y hará lo que usted quiera mejor que casi cualquier otro circuito SI está bien diseñado. Pero puede ser muy poco fiable si está mal diseñado. Esto se debe a que los transitorios o las señales no deseadas pueden activar el interruptor de entrada a salida cuando no debería serlo. La red eléctrica se conecta entonces a la salida directamente. Esto suele ser 'una mala idea' [tm].

La eficiencia del circuito FSAR001 será alta cuando se considere la eficiencia como
(Vin x Iin) / (Vout x Iout) . PERO su factor de potencia es pobre, lo que a menudo no importa. es decir, extrae toda su energía cuando el ciclo de la red está en bajo voltaje y nada en absoluto cuando el voltaje es alto, por lo que la forma de onda está MUY distorsionada en comparación con una sinusoide. Las autoridades reguladoras están cada vez más descontentas con estos sistemas, PERO cuando los niveles de potencia son muy bajos (como aquí), pueden considerarse aceptables.

Funciona encendiendo un interruptor cuando Vin_mains es bajo y ~- Vout, y apagándolo cuando Vin_mains >> Vout. Si su proceso IC puede soportar el voltaje máximo de la red, puede incorporarlo a su IC. De lo contrario, puede agregarlo usando un interruptor de alto voltaje (transistor bipolar, etc.) más un IC de bajo voltaje. Este es un circuito muy inteligente y también fácilmente poco confiable si está mal diseñado. Hará lo que quieras si está bien diseñado.

Un diseño que puede ser pequeño y que es potencialmente más seguro es rectificar la red y luego usar un oscilador de muy alta frecuencia para transferir energía a través de un núcleo magnético. Cuanto mayor sea la frecuencia, menor será el núcleo. Algunos convertidores modernos funcionan en el rango de 1 MhZ - 10 Mhz para reducir el tamaño. Incluso frecuencias más altas son posibles con el debido cuidado.

Un enfoque reciente consiste en generar RF a frecuencias extremadamente altas (más de 1 GHz en algunos casos) y utilizar condensadores muy muy pequeños como dispositivos de acoplamiento de energía. Esto puede resultar en sistemas extremadamente pequeños pero la complejidad es mayor.

¿Corea? Una visita allí sería interesante... :-).

Muchas gracias por su respuesta, estoy muy interesado en el último método --- "generar RF a frecuencias extremadamente altas y usar condensadores muy pequeños ..." ¿Se puede usar este método para diseñar el convertidor AC / DC de alta eficiencia? ¿Puede darme algunos enlaces o sitios web sobre este diseño de sistema de condensador de acoplamiento? Gracias
@RussellMcMahon Corea suena realmente interesante. Por una tarifa razonable, se puede obtener la ayuda profesional que tanto se necesita.
@alan: esto no es exactamente lo que quise decir, pero te dará algunas ideas. powercastco.com/PDF/P2110CSR-SL-UsersGuide.pdf Transfiere energía desde una fuente de 915 MHz. No usa acoplamiento capacitivo pero puede darle algunas ideas. Eché un vistazo rápido con Google y encontré lo anterior. Sleep llama aquí, pero si busca, por ejemplo, transferencia de potencia de RF capacitiva, o similar, debería encontrar enlaces útiles.
@alan - Aquí hay otro - más cerca de lo que quieres. google.co.nz/…
@RussellMcMahon gracias, revisé este documento y la distancia efectiva no es muy larga, no podría ser de 10 metros para siempre, tal vez. No es lo que realmente necesito. Además, el circuito FSR001 no es lo que necesito, el capacitor del diagrama de aplicación es muy grande y solo necesito cosas muy pequeñas, y si quiero, mi eficiencia es solo ≥ 10%, y eso es suficiente, y la salida es 1V, aproximadamente 30mA . ¿Tiene alguna sugerencia sobre cómo diseñar este circuito en un solo chip?
@Alan Decir "este documento" no es útil. ¿Qué papel, por favor? - Hice referencia a varios. "POwerharvester" ofrece una serie de soluciones. Consulte powercastco.com/products/powerharvester-receivers y powercastco.com/PDF/Powerharvester-Brochure.pdf - Puede trabajar en un rango de mm. No tienes que usar muchos metros de alcance. // ¿Miraste mi segunda referencia que es un sistema ON-IC?
@RussellMcMahon Lo estoy pensando... Organizaré mis pensamientos los fines de semana y editaré mi pregunta nuevamente. Muchas gracias.
@RussellMcMahon honestamente, la recolección de energía de RF es una buena opción para mí, investigué un poco sobre esto antes, y creo que es un método para lograr lo que quiero, y muchas gracias. Pero hay algunas limitaciones sobre la distancia, y la energía de RF no es muy sólida, así que espero, si realmente no puedo hacerlo a mi manera, entonces pensaré en esto. Edito mis preguntas nuevamente y vuelvo a los pensamientos muy originales, espero que puedan verificarlo.
@alan: no sé cuál es su nivel de conocimiento, pero parece que no comprende los conceptos electrónicos básicos. Ayudaría a las personas si explicara en qué nivel está trabajando: ¿es una tarea o un proyecto y cuál es su nivel de conocimiento? || Para la transferencia de capacitores a frecuencias de red, el capacitor es tal que Vmain / Xcap ~~= Corriente requerida. Xcap ~= 1/(2. x Pi x frecuencia x Capacitancia) para que pueda calcular los valores de los capacitores. Los que sugieres son demasiado pequeños.
@alan - || Si usa un transformador a la frecuencia de la red, entonces la impedancia del devanado de entrada a la frecuencia de la red debe ser lo suficientemente alta como para causar que la "magnetización" o la corriente inactiva sea pequeña en comparación con la corriente de carga. Sus devanados de PCB de una sola capa son demasiado pequeños. Puede usar bobinas del tamaño que sugiera usando el sistema descrito por Anindo Ghosh. Mire la nota de aplicación que mencionó y la hoja de datos ADuM524x relacionada aquí .
@alan: los circuitos integrados ADuM524x tienden a transferir aproximadamente 5 V a 10 mA utilizando una señal de 300 MHz. Puede usar su propio sistema para transferir energía al nivel que desee. || Su sistema es de bajo voltaje a bajo voltaje, PERO podría hacer un oscilador de 300 mHz (u otro) alimentado por la red eléctrica y con una salida de bajo voltaje.
@RussellMcMahon sobre los condensadores lineales, sé lo que quieres decir. El límite que sugerí es pequeño, pero puedo cambiarlo a la magnitud de nF, hago que el límite sea de 120 nF y 12 uF, y la carga es de aproximadamente 1 Kohm, el resultado que puedo obtener es de aproximadamente 2 V y 2 mA de CA, luego, Planeo usar un chip para convertir esto a lo que necesito. Estoy seguro de que funciona y lo simulo en cadencia, y además el condensador no consume energía, así que usaré mi chip para reemplazar la carga, y estoy pensando, es posible realizarlo. ¿Qué hay de malo con eso? Por cierto, corté el interruptor en mi circuito de simulación.
@RussellMcMahon sobre el método del capacitor lineal, dado que el capacitor no consume energía y también puede dividir el voltaje, suponga que mi corriente requerida es de 10 mA y U x W x C = I, C~~= 10 mA/(220 x 2 x Pi x 50 )~~= 140nF, uso 120nF y 12uF, y 1kohm en paralelo con 12uF, está funcionando en mi circuito. mi único problema es que, ¿piensas mucho en construir un condensador de 12uF y 120nF en una placa de circuito impreso?
Sobre el método del transformador principal, también creo que es demasiado grande para construirlo. y estoy leyendo ese documento, y si mi método de capacitor lineal funciona y la eficiencia es suficiente (dado que la tapa consume poca energía, creo que la eficiencia es suficiente), lo dejaré caer, pero tengo que decir, ese documento es muy bueno, y desde que Anindo Ghosh publicó, lo estoy leyendo e investigando al respecto.
"Podría usar su propio sistema para transferir energía al nivel que desee. || Su sistema es de bajo voltaje a bajo voltaje PERO podría hacer un oscilador de 300 mHz (u otro) alimentado por la red eléctrica y con una salida de bajo voltaje" No lo hago entiendelo. Sé que este dispositivo es de CC baja a CC baja, lo cual, por cierto, puedo diseñar CC baja a CC baja en un chip de proceso nm por mí mismo. Solo encuentro que el transformador es interesante. Incluso puedo diseñar un oscilador alimentado por la línea principal, todavía necesito un voltaje de entrada bajo para que este dispositivo obtenga otro voltaje de salida bajo, lo cual es absurdo, porque lo que necesito es una fuente de alimentación.

Ahora para responder el lado de la pregunta sobre el "diseño del chip". Esta respuesta no puede necesariamente cubrir todos los detalles. Tendrás que investigar áreas individuales por tu cuenta, a las que espero darte pistas en el texto.

El primer paso que tendrá que hacer es encontrar un proceso que pueda manejar los altos voltajes que se requieren. Hay límites para los materiales que se usan aquí que escalan con la fuerza del campo eléctrico. Hay procesos de Si que van desde 1000 V hasta 1 V, por lo que supondremos que encontrará un proceso de Si (Bipolar, BiCMOS o CMOS) que pueda manejar el voltaje.

Parece obsesionado con la tecnología de proceso de 65 nm. Haciendo un cálculo aproximado y asumiendo una operación de 1V, para escalar este diseño para manejar 600 V, necesitaría un nodo de proceso de 39,000 nm = 39um. Y eso es para apoyar el campo electrónico lateral desde la Fuente hasta el Drenaje. Eso en sí mismo es un gran indicio de que este proceso no se usaría. De hecho, los nodos de proceso de mayor voltaje usan dispositivos ligeramente diferentes, como DMOS. Lo más probable es que el chip del controlador fuera de línea se fabrique en un proceso de 1, 2 o 3 um, y en realidad puede ser SOI.

El nodo de proceso más pequeño y de mayor voltaje que conozco es ~ 50 V en un proceso CMOS de 0.18u, calificado para automóviles. Podría haber otros por ahí. Mira alrededor. Ya que estás en Corea, mira Magnachip y Dongbu Hightech. como fabulosas.

Suponiendo que ahora ha elegido un proceso que puede manejar el voltaje y el nodo de proceso de 65 nm ya no está en sus pensamientos. Ahora es un héroe porque el NRE para el proceso ha pasado de $ 1 millón (nodo de 65 nm) a quizás $ 60 000 (nodo 3u).

Entonces, ¿podemos poner inductores en el chip? Absolutamente. pero son ENORMES, y muy difíciles de hacer de una manera que tenga buen rendimiento. Los chicos de RF los usan para circuitos y filtros de tanques. Pero lo que debe recordar es que los tamaños de los inductores utilizados en los circuitos de RF son aproximadamente 1/1,000,000 de la inductancia que necesitará para hacer un buen convertidor SMPS. Y NO, no puede colocar un material de alta permitividad para aumentar la inductancia, está atascado con SiO2 y sus diversas variaciones. Entonces, los inductores de POTENCIA ahora también están fuera de la ecuación.

A continuación, condensadores. Basado en un nodo de proceso conocido: 180 nm, admite 1,8 voltios y tiene una capacitancia de 8,8 fF por um^2. Vamos a escalar esto a 600 V aumentando el grosor del óxido de la puerta. => Óxido de compuerta de 60um de espesor para evitar roturas. (El campo E permanece igual). La capacitancia es 1/333 => 26,4 aF/um^2. Para 10 uF, necesita 3.8e11 um cuadrados para obtener esa capacitancia. => 0,4 ​​m ^ 2 observe que es un dado que mide aproximadamente 0,6 m X 0,6 m en un lado. Creo que el costo comienza a convertirse en un problema entonces. Ese condensador fuera del chip ahora comienza a parecer muy razonable.

Ahora todas las restricciones de diseño están en su lugar. Usando un antiguo nodo de proceso de alto voltaje, sin acceso a inductores o capacitores en el chip. ¡Pero es barato! Y obtiene transistores analógicos adecuados frente a los digitales que obtendría en el proceso de 65 nm.

La única solución en la que puedo pensar, ya que no puede usar ningún condensador fuera del chip, es construir un rectificador de onda completa y SOLAMENTE operar el circuito cuando el voltaje de entrada está por encima del umbral de operación de 3 V. Haga que el circuito se apague durante el cruce por cero de la forma de onda de CA. De esa manera, no necesita los condensadores de retención "grandes". Una vez que la forma de onda de CA esté por encima del rango de 3 V alrededor del cruce por cero, tendrá mucha potencia. Puede colocar condensadores de retención de carga y filtrado mucho más pequeños en los circuitos de polarización (que no consumen mucha energía) para permitir que el punto de funcionamiento del circuito permanezca fijo durante la fuente de alimentación variable. Y puedes reducir la potencia. Debería poder obtener un buen circuito de banda prohibida que funcione con menos de 1 uA, lo que significa condensadores mucho más pequeños.

Gracias por su respuesta, y pienso mucho en sus sugerencias para este fin de semana, y edito mi pregunta nuevamente más tarde, gracias

Es posible reducir y rectificar la alimentación aislada de la línea de alimentación principal, así como los bloques de alimentación, analógicos y digitales en un solo troquel, y lo están haciendo al menos un par de fabricantes, siendo digno de mención Analog Devices en este sentido.

Transformador en un chip

Los dispositivos isoPower iCoupler de Analog Devices logran 5 kV de aislamiento, con una operación de fuente de alimentación única, a través de su tecnología de microtransformador en chip . Si bien su cartera actual de isoPower aparentemente no ofrece ningún microcontrolador o dispositivo sensor de temperatura, la prueba del concepto de tecnología debería servir para orientar al diseñador de chips en la dirección correcta.

El documento al que se hace referencia anteriormente proporciona detalles sobre las geometrías de aislamiento, los espacios y los parámetros de los materiales para sus diseños.

Sección del transformador iCoupler

Algunos puntos destacados del documento:

  • Los microtransformadores están construidos sobre un sustrato CMOS y una capa de poliimida de 20 µm de espesor entre el primario y el secundario proporciona aislamiento de alta tensión de hasta 5 kV.
  • La rectificación del secundario se logra mediante diodos Schottky integrados
  • Un regulador lineal en el secundario regula la potencia de salida, lo que permite que los dispositivos emitan potencia regulada para suministrar componentes de nivel lógico adicionales.

En resumen, la línea isoPower es casi una combinación ideal para el aspecto de potencia de los requisitos establecidos en la pregunta.

Una vez que se logra la potencia regulada aislada de un solo chip, la funcionalidad de visualización y detección de temperatura se puede abordar como un problema de diseño de chip/MEMS más convencional.

Estoy leyendo este artículo ahora, y creo que es realmente bueno. Por cierto, ¿cómo cree que el método del condensador lineal para bajar el voltaje a lo que quiero? Simulo mi circuito y uso condensadores de 120nF y 12uF, y una resistencia de 1Kohm paralela a un condensador de 12uF, la salida del resitor es casi 2V AC , puedo ajustar algunos valores después de diseñar el chip del sensor, ¿crees que hay algún problema con eso? Dudo mucho por eso, quiero construir la tapa en la placa de circuito impreso por mí mismo (la mentalidad de doble lado en la placa de circuito impreso puede ser como una tapa), pero necesito averiguar si este es el camino a seguir. No veo que nadie haya hecho esto.
No, el uso de placas de doble cara en una placa de circuito impreso no brindará una capacitancia constante, ni tampoco una capacitancia lo suficientemente alta para ningún propósito útil. La capacitancia entre dos planos de carga cae drásticamente con la distancia entre los planos... Los PCB son demasiado gruesos. Además, esto probablemente amerita una pregunta aparte.
Tengo algunas preguntas sobre ese documento, el diseño del transformador es realmente impresionante, pero la frecuencia de transmisión es de MHz y la frecuencia de la línea principal es de solo 50 Hz. Además, el dispositivo es un convertidor CC-CC, CC de entrada baja a CC de entrada baja, que puedo diseñar yo mismo con un chip de proceso nm. Lo único que encuentro muy interesante es el transformador, pero no estoy seguro de cómo usarlo con la línea principal de 220V AC. Parece que no puedo usar este transformador para conectar la línea principal de CA y obtener una CA de bajo voltaje.
@alan La gente de respuesta técnica de Analog Devices puede proporcionar información sobre el documento, así como mejoras más recientes en isoPower. Tienen un foro bastante activo.

Esencialmente - no. Encontrará muy pocas fuentes de alimentación fuera de línea en silicio, pero se forman en procesos no estándar ajustados específicamente para transistores de alto voltaje y no son adecuados para microcontroladores o circuitos analógicos generales. Como diseñador de chips, no tendrá acceso a estos procesos a menos que hable con un fabricante especializado: International Rectifier, Ixys, etc.

Si puede diseñar todo su sistema, incluido el sensor, de modo que pueda estar completamente aislado del acceso de un consumidor, "doble aislamiento", entonces probablemente pueda usar una fuente de alimentación fuera de línea no aislada como la parte de Fairchild mencionada anteriormente. . Luego, puede dedicar quizás una pulgada cuadrada de espacio de PCB a la fuente de alimentación fuera de línea: su sensor y su electrónica pueden vivir en la misma placa.

Pero un sensor de temperatura, aislado del entorno como debe ser por razones de seguridad, y físicamente cerca de una fuente de alimentación caliente, me parece bastante inútil...

Esta es la razón de las preguntas persistentes sobre cuáles son exactamente sus sensores y todavía no tenemos la información de usted para responder a su pregunta correctamente.

Es poco probable que un diseño decente experimente un autocalentamiento problemático, dados los minúsculos (aunque demasiado vagos) niveles de potencia imaginados.
...depende de sus requisitos de sensibilidad/selectividad. Como dijiste, demasiado vago para saberlo con certeza.
@Chris: es posible que haya sido un poco duro: si el OP ha pensado adecuadamente en los compromisos de aislamiento térmico, de flujo de aire y de seguridad, podría encontrar lo que permitirá que sea un "diseño decente". Pero no lo hará sin pensar en ellos.

Simplemente no va a poner una fuente de alimentación alimentada por línea en un chip. Los voltajes son demasiado altos para permitir un tamaño razonable y necesita otros componentes que requieran suficiente almacenamiento de energía para hacerlos imposibles.

Supongo que esto puede ser un suministro aislado ya que aparentemente está tratando de construir una unidad independiente que no se conecte eléctricamente al mundo exterior, excepto a la línea eléctrica. En ese caso, sigo pensando que una bomba de carga es tu mejor opción. Sí, será externo al chip y, en comparación con un chip, será enorme. Esa es la forma en que está.

Aquí hay una bomba de carga básica:

Cuando la entrada de CA superior se vuelve negativa con respecto a la inferior, C1 se carga hasta el voltaje de línea máximo negativo a través de D2. A medida que el voltaje vuelve a ser positivo, se descarga a través de D1 y carga un poco C3. Sin carga, el voltaje de salida de CC es el voltaje de línea máximo, que no es lo que desea. Sin embargo, la corriente está bien limitada, por lo que lo más sencillo sería seguir esto con un regulador de derivación. Eso caerá entre picos, por lo que diseña el reinicio del circuito para tolerar eso, o hace que el regulador de derivación sea un poco más alto de lo que desea y lo sigue con un regulador lineal normal.

Un inconveniente de este enfoque es que la corriente que obtiene es deprimentemente baja para capacitores de buen tamaño a la frecuencia de línea. Puede hacer que los condensadores más pequeños permitan más corriente, pero luego tendría que rectificar la línea de CA y cortarla usted mismo con un circuito activo.

No hay almuerzo gratis como pareces estar deseando. Si lo que estás pidiendo fuera razonablemente posible, otros lo habrían hecho hace mucho tiempo.

Sí, lo sé, si lo que pido fuera razonablemente posible, alguien puede hacerlo hace... pero no sé por qué no es razonablemente posible... ¿puede señalar por qué mi método No 2 no es posible? puedo construir los condensadores fuera del chip en mi placa de circuito impreso, y creo que, por lo que he aprendido, funciona, dos tapas en cascada pueden dividir el voltaje, por lo que puedo obtener los 2 V CA, luego construiré los 2 V CA-1 V CC en el chip, porque no funciona
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