Der einfachste Weg, den 220AC mit mehr als 10 % Effizienz herunterzuregeln

Was Sie suchen, wird als Offline-Stromversorgung bezeichnet. Eine schnelle Suche zeigt den Fairchild Semi FSAR001. Das Anlegen von 80 - 240 VAC ergibt 5 VDC bei 35 mA max.

Es gibt noch viele mehr.

• es ist NICHT isoliert!!! Dies bedeutet, dass dies kein Design ist, das in Geräte eingebaut werden kann, mit denen Menschen umgehen können - Punkt.

Lassen Sie mich das wiederholen, dies ist eine tödliche Schaltung, aber unter den richtigen Bedingungen durchaus sinnvoll zu verwenden.

Hier ist ein Ausschnitt von Seite 2 des Datenblatts.

Diese Antwort beantwortet nicht Ihre Frage nach einem Chipdesign. Was ich beantworten kann, aber ich hoffe, dass das eigentliche Problem mit dieser Führung und Richtung gelöst ist.

An der Physik kommt man nicht vorbei. Sie benötigen eine "Wandwarze". Entweder Sie erhalten eine Wandwarze als verpacktes Produkt oder Sie implementieren sie selbst auf Ihrer Leiterplatte.

Hier ist der Grund, warum Ihre Anfrage nicht durchführbar ist:

Eine Mauerwarze...

• führt eine Gleichrichtung durch (wandelt bipolaren Wechselstrom in unipolaren Wechselstrom um)
• gefolgt von Filtration (Umwandlung von unipolarem Wechselstrom in eine Annäherung an Gleichstrom)

Das sind die grundlegenden Schritte, um von Wechselstrom zu Gleichstrom zu gelangen. Jeder alternative Ansatz umfasst diese Schritte in irgendeiner Form. Sie können viel kleinere Einheiten (mit geringerer Ausgangsleistung) erhalten, wenn dies Ihren Anforderungen besser entspricht. Sie können sie auch als PCB-Module (googlen Sie nach "Open-Frame"-Netzteil) anstelle von verpackten Produkten erhalten.

Zum Beispiel diese .

Die von rawbrawb vorgeschlagene FSAR001-Schaltung ist eine clevere Schaltung, die das, was Sie wollen, besser macht als fast jede andere Schaltung, wenn sie gut entworfen ist. Aber es kann sehr unzuverlässig sein, wenn es schlecht konstruiert ist. Dies liegt daran, dass Transienten oder unbeabsichtigte Signale den Eingang-zu-Ausgang-Schalter einschalten können, wenn er keiner sein sollte. Das Netz wird dann direkt mit dem Ausgang verbunden. Dies ist normalerweise „eine schlechte Idee“ [tm].

Der Schaltungswirkungsgrad des FSAR001 ist hoch, wenn man den Wirkungsgrad als
(Vin x Iin) / (Vout x Iout) betrachtet. ABER sein Leistungsfaktor ist schlecht - was oft keine Rolle spielt. dh es zieht seine gesamte Leistung, wenn der Netzzyklus bei niedriger Spannung ist, und überhaupt keine, wenn die Spannung hoch ist, so dass die Wellenform im Vergleich zu einer Sinuswelle SEHR verzerrt ist. Regulierungsbehörden sind mit solchen Systemen zunehmend unzufrieden, ABER wenn die Leistungspegel sehr niedrig sind (wie hier), kann dies als akzeptabel angesehen werden.

Es funktioniert durch Einschalten eines Schalters, wenn Vin_mains niedrig und ~- Vout ist, und Ausschalten, wenn Vin_mains >> Vout. Wenn Ihr IC-Prozess der Netzspitzenspannung standhalten kann, können Sie ihn in Ihren IC einbauen. Wenn nicht, können Sie es mit einem Hochspannungsschalter (Bipolartransistor usw.) plus einem Niederspannungs-IC hinzufügen. Dies ist eine sehr clevere Schaltung und bei schlechtem Design auch leicht unzuverlässig. Es wird tun, was Sie wollen, wenn es gut gestaltet ist.

Ein Design, das klein sein kann und potenziell sicherer ist, besteht darin, das Netz gleichzurichten und dann einen Oszillator mit sehr hoher Frequenz zu verwenden, um Energie über einen Magnetkern zu übertragen. Je höher die Frequenz, desto kleiner der Kern. Einige moderne Konverter arbeiten im Bereich von 1 MHz bis 10 MHz, um die Größe niedrig zu halten. Bei entsprechender Sorgfalt sind auch höhere Frequenzen möglich.

Ein neuerer Ansatz besteht darin, HF bei extrem hohen Frequenzen – in einigen Fällen über 1 GHz – zu erzeugen und sehr, sehr kleine Kondensatoren als Energiekopplungsvorrichtungen zu verwenden. Dies kann zu extrem kleinen Systemen führen, aber die Komplexität ist höher.

Korea? Ein Besuch dort wäre interessant... :-).

Beantworten Sie nun die Seite "Chipdesign" der Frage. Diese Antwort kann nicht notwendigerweise alle Details abdecken. Sie müssen einzelne Bereiche selbst recherchieren, zu denen ich im Text Hinweise geben möchte.

Der erste Schritt, den Sie tun müssen, ist, einen Prozess zu finden, der die erforderlichen hohen Spannungen handhaben kann. Den Materialien, die hier verwendet werden, sind Grenzen gesetzt, die mit der elektrischen Feldstärke skalieren. Es gibt Si-Prozesse, die von 1000 V bis hinunter zu 1 V reichen, also gehen wir davon aus, dass Sie einen Si-Prozess (Bipolar, BiCMOS oder CMOS) finden werden, der mit der Spannung umgehen kann.

Sie scheinen auf die 65-nm-Prozesstechnologie fixiert zu sein. Wenn Sie eine grobe Berechnung durchführen und einen 1-V-Betrieb annehmen, benötigen Sie einen 39.000-nm-Prozessknoten = 39 um, um dieses Design auf 600 V zu skalieren. Und das soll das laterale E-Feld von Source zu Drain unterstützen. Das an sich ist ein großer Hinweis darauf, dass dieser Prozess nicht verwendet werden würde. Tatsächlich verwenden Prozessknoten mit höherer Spannung etwas andere Bauelemente wie DMOS. Der Offline-Controller-Chip wird höchstwahrscheinlich in einem 1-, 2- oder 3-um-Prozess hergestellt und kann tatsächlich SOI sein.

Die höchste Spannung, der kleinste Prozessknoten, der mir bekannt ist, beträgt ~ 50 V bei einem 0,18-u-CMOS-Prozess, der für die Automobilindustrie qualifiziert ist. Es könnten noch andere da draußen sein. Umschauen. Da Sie in Korea sind, schauen Sie sich Magnachip und Dongbu Hightech an. als fabelhaft.

Angenommen, Sie haben jetzt einen Prozess ausgewählt, der mit der Spannung umgehen kann, und der 65-nm-Prozessknoten ist längst aus Ihren Gedanken verschwunden. Sie sind jetzt ein Held, weil die NRE für den Prozess von 1 Mio. USD (65-nm-Knoten) auf vielleicht 60.000 USD (3u-Knoten) gestiegen ist.

Können wir also Induktivitäten auf dem Chip platzieren? Absolut. aber sie sind RIESIG und sehr schwer auf eine Weise herzustellen, die einen guten Ertrag bringt. RF-Jungs verwenden sie für Tankkreise und Filter. Beachten Sie jedoch, dass die in HF-Schaltungen verwendeten Induktorgrößen etwa 1/1.000.000 der Induktivität betragen, die Sie für einen guten SMPS-Wandler benötigen. Und NEIN, Sie können kein Material mit hoher Permittivität verwenden, um die Induktivität zu erhöhen, Sie bleiben bei SiO2 und seinen verschiedenen Variationen hängen. POWER-Induktoren sind also jetzt auch aus der Gleichung heraus.

Als nächstes Kondensatoren. Basierend auf einem bekannten Prozessknoten – 180 nm, unterstützt 1,8 Volt und hat eine Kapazität von 8,8 fF pro um^2. Lassen Sie uns dies auf 600 V skalieren, indem wir die Dicke des Gate-Oxids erhöhen. => 60 µm dickes Gate-Oxid zur Vermeidung von Brüchen. (E-Feld bleibt gleich). Kapazität ist 1/333 => 26,4 aF/um^2. Für 10 uF benötigen Sie 3,8e11 Quadratum, um diese Kapazität zu erhalten. => 0,4 ​​m ^ 2 Beachten Sie, dass dies ein Würfel ist, der ungefähr 0,6 m x 0,6 m an einer Seite misst. Ich denke, dass die Kosten dann zu einem Problem werden. Dieser Off-Chip-Kondensator sieht jetzt sehr vernünftig aus.

Jetzt sind alle Designbeschränkungen vorhanden. Verwendung eines alten Hochspannungs-Prozessknotens ohne Zugriff auf Induktivitäten oder Kondensatoren auf dem Chip. Aber es ist preiswert! Und Sie erhalten richtige analoge Transistoren im Vergleich zu den digitalen, die Sie im 65-nm-Prozess erhalten würden.

Die einzige Lösung, die mir einfällt, da Sie keine Kondensatoren außerhalb des Chips verwenden können, besteht darin, einen Vollwellengleichrichter zu bauen und die Schaltung NUR zu betreiben, wenn die Eingangsspannung über der Betriebsschwelle von 3 V liegt. Lassen Sie die Schaltung während des Nulldurchgangs der AC-Wellenform abschalten. Auf diese Weise benötigen Sie keine "großen" Haltekondensatoren. Sobald die AC-Wellenform über dem 3-V-Bereich um den Nulldurchgang herum liegt, haben Sie viel Strom. Sie könnten viel kleinere Filter- und Ladungshaltekondensatoren in die Vorspannungsschaltungen einbauen (die nicht viel Strom verbrauchen), damit der Arbeitspunkt der Schaltung während der variierenden Stromversorgung konstant bleibt. Und Sie können die Leistung reduzieren. Sie sollten in der Lage sein, eine gute Bandlückenschaltung zu erhalten, die mit weniger als 1 uA arbeitet, was weitaus kleinere Kondensatoren bedeutet.

Isolierte Leistungsabsenkung und -gleichrichtung vom Stromnetz sowie Leistungs-, Analog- und Digitalblöcke auf einem einzigen Die sind möglich und werden von mindestens einigen Herstellern durchgeführt, wobei Analog Devices in dieser Hinsicht bemerkenswert ist.

Die isoPower iCoupler- Geräte von Analog Devices erreichen durch ihre In-Chip-Mikrotransformator-Technologie eine Isolation von 5 kV bei Betrieb mit einer einzigen Stromquelle . Während ihr aktuelles isoPower-Portfolio anscheinend keine Mikrocontroller oder Temperatursensorgeräte anbietet, sollte der Nachweis des Technologiekonzepts dazu dienen, einen Chipdesigner in die richtige Richtung zu weisen.

Das oben erwähnte Dokument enthält Einzelheiten zu Isolationsgeometrien, Lücken und Materialparametern für ihre Designs.

Einige herausragende Punkte aus dem Papier:

• Die Mikrotransformatoren sind auf einem CMOS-Substrat aufgebaut, und eine 20 µm dicke Polyimidschicht zwischen der Primär- und der Sekundärseite sorgt für eine HV-Isolation bis zu 5 kV.
• Die Gleichrichtung der Sekundärseite erfolgt über integrierte Schottky-Dioden
• Ein linearer Regler auf der Sekundärseite regelt die Ausgangsleistung, sodass die Geräte geregelte Leistung ausgeben können, um zusätzliche Logikpegelkomponenten zu versorgen.

Kurz gesagt, die isoPower-Linie entspricht nahezu ideal dem Leistungsaspekt der in der Frage genannten Anforderungen.

Sobald eine isolierte geregelte Leistung auf einem einzelnen Chip erreicht ist, können die Temperaturerfassungs- und Anzeigefunktionen als konventionelleres Chipdesign-/MEMS-Problem angegangen werden.

Im Wesentlichen - nein. Sie werden nur sehr wenige Offline-Netzteile auf Silizium finden - aber sie werden mit nicht standardmäßigen Prozessen hergestellt, die speziell auf Hochspannungstransistoren abgestimmt sind, und nicht für Mikrocontroller oder allgemeine analoge Schaltungen geeignet. Als Chipdesigner haben Sie keinen Zugang zu diesen Prozessen, es sei denn, Sie sprechen mit einem spezialisierten Hersteller - International Rectifier, Ixys usw.

Wenn Sie Ihr gesamtes System - einschließlich Sensor - so konzipieren können, dass es vollständig vom Zugriff eines Verbrauchers isoliert werden kann - "doppelt isoliert" -, können Sie wahrscheinlich eine nicht isolierte Offline-Stromversorgung wie das oben erwähnte Fairchild-Teil verwenden . Dann können Sie dem Offline-Netzteil vielleicht einen Quadratzentimeter PCB-Platz widmen - Ihr Sensor und seine Elektronik befinden sich möglicherweise auf derselben Platine.

Aber ein Temperatursensor, der aus Sicherheitsgründen von der Umgebung isoliert sein muss und physisch in der Nähe eines warmlaufenden Netzteils, klingt für mich ziemlich nutzlos ...

Dies ist der Grund für die ständigen Fragen, was genau Ihre Sensoren sind, und wir haben immer noch nicht die Informationen von Ihnen, um Ihre Frage richtig zu beantworten.

Sie werden einfach kein netzbetriebenes Netzteil auf einen Chip setzen. Die Spannungen sind zu hoch, um eine vernünftige Größe zu ermöglichen, und Sie benötigen andere Komponenten, die genügend Energiespeicher benötigen, um sie unmöglich zu machen.

Ich gehe davon aus, dass dies eine isolierte Versorgung sein kann, da Sie anscheinend versuchen, eine eigenständige Einheit zu bauen, die nur mit der Stromleitung elektrisch mit der Außenwelt verbunden ist. In diesem Fall denke ich immer noch, dass eine Ladungspumpe die beste Option ist. Ja, es wird außerhalb des Chips sein, und im Vergleich zu einem Chip wird es riesig sein. Das ist der Stand der Dinge.

Hier ist eine grundlegende Ladungspumpe:

Wenn der obere AC-Eingang in Bezug auf den unteren negativ wird, wird C1 aufgeladen, um die Spitzenleitungsspannung durch D2 negativ zu machen. Wenn die Spannung wieder positiv wird, wird sie über D1 entladen und lädt C3 etwas auf. Ohne Last ist die DC-Ausgangsspannung die Spitzenspannung der Leitung, was nicht das ist, was Sie wollen. Der Strom ist jedoch gut begrenzt, daher wäre es am einfachsten, diesem einen Shunt-Regler zu folgen. Das wird zwischen den Spitzen einbrechen, also entwerfen Sie entweder das Zurücksetzen der Schaltung, um dies zu tolerieren, oder Sie machen den Shunt-Regler etwas höher als Sie wollen und folgen diesem durch einen normalen Linearregler.

Ein Nachteil dieses Ansatzes ist, dass der Strom, den Sie erhalten, für Kondensatoren mit guter Größe bei Netzfrequenz deprimierend niedrig ist. Sie können kleinere Kondensatoren herstellen, die mehr Strom zulassen, aber Sie müssten dann die Wechselstromleitung gleichrichten und sie selbst mit aktiven Schaltkreisen zerhacken.

Es gibt kein kostenloses Mittagessen, wie Sie es sich anscheinend wünschen. Wenn das, worum Sie bitten, vernünftigerweise möglich wäre, hätten andere es längst getan.