Самый простой способ отказаться от 220AC с эффективностью более 10%

То, что вы ищете, называется автономным источником питания. Быстрый поиск показывает Fairchild Semi FSAR001. Ввод 80–240 В переменного тока дает 5 В постоянного тока при макс. 35 мА.

Есть еще много вокруг.

• он НЕизолированный!!! это означает, что это не дизайн для устройств, с которыми люди будут обращаться - полная остановка.

позвольте мне повторить, что это смертельная схема, но вполне разумная для использования в правильных условиях.

Вот вырезка со страницы 2 таблицы данных.

Этот ответ не касается вашего вопроса о конструкции чипа. На что я могу ответить, но я надеюсь, что настоящая проблема будет решена с этим руководством и направлением.

Не обойти физику. Вам понадобится «настенная бородавка». Либо вы получаете настенную бородавку в виде упакованного продукта, либо реализуете ее самостоятельно на своей печатной плате.

Вот почему ваш запрос невозможен:

Стенная бородавка...

• выполняет выпрямление (преобразование двухполярной мощности переменного тока в однополярную мощность переменного тока)
• с последующей фильтрацией (преобразование однополярного переменного тока в приближение постоянного тока)

Это основные шаги для перехода от переменного тока к постоянному. Любой альтернативный подход будет включать эти шаги в той или иной форме. Вы можете получить гораздо меньшие (с более низкой выходной мощностью) устройства, если это лучше соответствует вашим потребностям. Вы также можете получить их в виде модулей печатных плат (погуглите «блок питания с открытой рамой») вместо упакованных продуктов.

Например, эти .

Схема FSAR001, предложенная rawbrawb, — умная схема, которая сделает то, что вы хотите, лучше, чем почти любая другая хорошо спроектированная схема ПЧ. Но он может быть очень ненадежным, если он плохо спроектирован. Это связано с тем, что переходные процессы или непреднамеренные сигналы могут включить переключатель ввода-вывода, когда он не должен быть им. Затем сеть подключается к выходу напрямую. Обычно это «плохая идея» [tm].

Эффективность схемы FSAR001 будет высокой, если рассматривать эффективность как
(Vin x Iin) / (Vout x Iout). НО его коэффициент мощности плохой - что часто не имеет значения. т.е. он потребляет всю свою мощность, когда сетевой цикл находится на низком напряжении, и совсем не потребляет, когда напряжение высокое, поэтому форма сигнала ОЧЕНЬ искажена по сравнению с синусоидой. Регулирующие органы все чаще недовольны такими системами, НО когда уровни мощности очень низкие (как здесь), это можно считать приемлемым.

Он работает, включив переключатель, когда Vin_mains низкий и ~- Vout, и выключив его, когда Vin_mains >> Vout. Если ваш процесс ИС может выдерживать пиковое напряжение сети, вы можете встроить его в свою ИС. Если нет, то вы можете добавить его, используя один высоковольтный переключатель (биполярный транзистор и т. д.) плюс микросхему низкого напряжения. Это очень умная схема, а также легко ненадежная, если она плохо спроектирована. Он будет делать то, что вы хотите, если он хорошо спроектирован.

Конструкция, которая может быть небольшой и потенциально более безопасной, заключается в выпрямлении сети, а затем в использовании генератора очень высокой частоты для передачи энергии через магнитный сердечник. Чем выше частота, тем меньше ядро. Некоторые современные преобразователи работают в диапазоне от 1 МГц до 10 МГц, чтобы уменьшить размер. При должной осторожности возможны даже более высокие частоты.

Недавний подход состоит в том, чтобы генерировать РЧ на чрезвычайно высоких частотах - 1 ГГц + в некоторых случаях, и использовать очень-очень маленькие конденсаторы в качестве устройств связи по энергии. Это может привести к очень маленьким системам, но сложность будет выше.

Корея? Побывать там было бы интересно... :-).

Теперь, чтобы ответить на вопрос о «дизайне чипа». Этот ответ не может обязательно охватывать все детали. Вам придется самостоятельно исследовать отдельные области, к которым я надеюсь привести текст.

Первый шаг, который вам нужно сделать, это найти процесс, который может работать с требуемыми высокими напряжениями. Существуют ограничения для используемых здесь материалов, которые масштабируются в зависимости от напряженности электрического поля. Существуют процессы Si, которые охватывают диапазон от 1000 В до 1 В, поэтому мы предполагаем, что вы найдете процесс Si (биполярный, BiCMOS или CMOS), который может работать с напряжением.

Вы похоже зациклились на техпроцессе 65 нм. Выполняя грубый расчет и предполагая работу 1 В, чтобы масштабировать эту конструкцию для работы с 600 В, вам понадобится технологический узел 39 000 нм = 39 мкм. И это для поддержки бокового электронного поля от Истока до Слива. Это само по себе является большим намеком на то, что этот процесс не будет использоваться. На самом деле в технологических узлах с более высоким напряжением используются немного другие устройства, такие как DMOS. Микросхема автономного контроллера, скорее всего, изготовлена ​​по технологии 1, 2 или 3 мкм и на самом деле может быть SOI.

Самое высокое напряжение и наименьший узел процесса, о котором я знаю, составляет ~ 50 В на 0,18-мегапиксельном CMOS-процессе, сертифицированном для автомобильной промышленности. Там могут быть и другие. Смотреть по сторонам. Поскольку вы находитесь в Корее, обратите внимание на Magnachip и Dongbu Hightech. как фабы.

Предполагая, что вы выбрали процесс, который может работать с напряжением, и узел процесса 65 нм давно ушел из ваших мыслей. Теперь вы герой, потому что NRE для процесса вырос с 1 миллиона долларов (узел 65 нм) до, возможно, 60 тысяч долларов (узел 3u).

Итак, можем ли мы поставить катушки индуктивности на чип? Абсолютно. но они ОГРОМНЫЕ, и их очень трудно сделать таким образом, чтобы получить хороший выход. Ребята из RF используют их для цепей и фильтров Tank. Но следует помнить, что размеры катушек индуктивности, используемых в радиочастотных цепях, составляют примерно 1/1 000 000 индуктивности, необходимой для создания хорошего преобразователя SMPS. И НЕТ, вы не можете использовать материал с высокой диэлектрической проницаемостью для повышения индуктивности, вы застряли с SiO2 и его различными вариациями. Так что катушки индуктивности POWER теперь тоже не в уравнении.

Далее конденсаторы. На основе известного технологического узла - 180 нм, поддерживает 1,8 Вольт и имеет емкость 8,8 фФ на мкм^2. Давайте увеличим это до 600 В, увеличив толщину оксида затвора. => Оксид затвора толщиной 60 мкм для предотвращения разрыва. (E-поле остается прежним). Емкость 1/333 => 26,4 аФ/мкм^2. Для 10 мкФ вам нужно 3,8e11 квадратных мкм, чтобы получить эту емкость. => 0,4 ​​м ^ 2 обратите внимание, что это кубик со стороной примерно 0,6 м X 0,6 м. Я думаю, что тогда стоимость начинает становиться проблемой. Внешний конденсатор теперь выглядит очень разумно.

Теперь все конструктивные ограничения на месте. Использование старого, высоковольтного технологического узла без доступа к катушкам индуктивности или конденсаторам на кристалле. Но это недорого! И вы получаете нормальные аналоговые транзисторы, а не цифровые, как в 65-нанометровом техпроцессе.

Единственное решение, которое я могу придумать, поскольку вы не можете использовать какие-либо конденсаторы вне микросхемы, - это построить двухполупериодный выпрямитель и использовать схему ТОЛЬКО, когда входное напряжение превышает порог срабатывания 3 В. Обеспечьте отключение цепи во время прохождения сигнала переменного тока через ноль. Таким образом, вам не нужны «большие» удерживающие конденсаторы. Как только сигнал переменного тока превысит диапазон 3 В при пересечении нуля, у вас будет много энергии. Вы можете поместить гораздо меньшие фильтрующие, удерживающие заряд конденсаторы в цепи смещения (которые не потребляют много энергии), чтобы рабочая точка схемы оставалась фиксированной при изменении источника питания. А мощность можно уменьшить. Вы должны быть в состоянии получить хорошую схему с запрещенной зоной, которая работает менее чем на 1 мкА, что означает гораздо меньшие конденсаторы.

Изолированное понижение мощности и выпрямление от сети питания, а также силовые, аналоговые и цифровые блоки на одном кристалле возможны, и это делается по крайней мере несколькими производителями, в этом отношении следует отметить Analog Devices.

Устройства Analog Devices isoPower iCoupler обеспечивают изоляцию 5 кВ при работе от одного источника питания благодаря встроенной технологии микротрансформатора . Несмотря на то, что их нынешнее портфолио isoPower, по-видимому, не предлагает никаких микроконтроллеров или устройств с датчиками температуры, доказательство технологической концепции должно помочь разработчику чипов выбрать правильное направление.

В упомянутом выше документе содержится подробная информация о геометрии изоляции, зазорах и параметрах материалов для их конструкций.

Некоторые важные моменты из статьи:

• Микротрансформаторы построены на подложке CMOS, а полиимидный слой толщиной 20 мкм между первичной и вторичной обмотками обеспечивает изоляцию ВН до 5 кВ.
• Выпрямление вторичной обмотки достигается за счет встроенных диодов Шоттки.
• Линейный регулятор на вторичной обмотке регулирует выходную мощность, что позволяет устройствам выдавать регулируемую мощность для питания дополнительных компонентов логического уровня.

Короче говоря, линейка isoPower почти идеально соответствует силовым аспектам требований, изложенных в вопросе.

Как только будет достигнуто изолированное регулируемое питание для одного чипа, функциональные возможности измерения температуры и отображения могут быть решены как более обычная проблема конструкции чипа / MEMS.

По существу - нет. Вы найдете очень мало автономных блоков питания на кремнии — но они формируются на нестандартных техпроцессах, настроенных именно на высоковольтные транзисторы, и не подходят для микроконтроллеров или общих аналоговых схем. Как разработчик микросхем, вы не будете иметь доступа к этим процессам, если не поговорите со специализированным производителем — International Rectifier, Ixys и т. д.

Если вы можете спроектировать всю свою систему, включая датчик, так, чтобы она могла быть полностью изолирована от доступа потребителя — «с двойной изоляцией», — тогда вы, вероятно, можете использовать неизолированный автономный источник питания, такой как упомянутая выше часть Fairchild. . Затем вы можете выделить квадратный дюйм места на печатной плате для автономного блока питания — ваш датчик и его электроника могут располагаться на одной плате.

Но датчик температуры, изолированный от окружающей среды, как это должно быть по соображениям безопасности, и физически расположенный рядом с прогретым блоком питания, кажется мне довольно бесполезным...

Это причина постоянных вопросов о том, что именно представляют собой ваши датчики, и у нас до сих пор нет информации от вас, чтобы ответить на ваш вопрос должным образом.

Вы просто не собираетесь ставить на микросхему блок питания с питанием от сети. Напряжения слишком высоки, чтобы обеспечить разумный размер, и вам нужны другие компоненты, которые требуют достаточного запаса энергии, чтобы сделать их невозможными.

Я предполагаю, что это может быть изолированный источник, поскольку вы, очевидно, пытаетесь построить автономный блок, который электрически не подключается к внешнему миру, кроме линии электропередач. В этом случае я все еще думаю, что зарядный насос - ваш лучший вариант. Да, он будет внешним по отношению к чипу и по сравнению с чипом будет огромным. Так оно и есть.

Вот базовый зарядный насос:

Когда верхний вход переменного тока становится отрицательным по отношению к нижнему, C1 заряжается до отрицательного пикового линейного напряжения через D2. Когда напряжение возвращается к положительному, оно разряжается через D1 и немного заряжает C3. Без нагрузки выходное напряжение постоянного тока является пиковым линейным напряжением, а это не то, что вам нужно. Однако ток хорошо ограничен, поэтому проще всего будет проследить за этим с помощью шунтирующего регулятора. Это будет провал между пиками, поэтому вы либо проектируете сброс схемы, чтобы выдержать это, либо делаете шунтирующий регулятор немного выше, чем вы хотите, и следуете за ним обычным линейным регулятором.

Одним из недостатков этого подхода является то, что ток, который вы получаете, удручающе мал для конденсаторов хорошего размера на частоте сети. Вы можете заставить меньшие конденсаторы пропускать больший ток, но тогда вам придется выпрямить линию переменного тока и самостоятельно отключить ее с помощью активной схемы.

Там нет бесплатного обеда, как вы, кажется, желаете. Если бы то, о чем вы просите, было разумно возможно, другие давно бы это сделали.