La forma más sencilla de renunciar al 220AC con más de un 10% de eficiencia

Lo que está buscando se llama una fuente de alimentación fuera de línea. Una búsqueda rápida revela el Fairchild Semi FSAR001. Poner en 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 la gente manejará: Full Stop.

Permítame repetir que, 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.

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

No moverse por la física. Necesitarás una "verruga de la pared". O obtienes una verruga de pared como producto empaquetado o la implementas tú mismo en tu PCB.

He aquí por qué su pregunta no es factible:

Una verruga de la pared ...

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

Esos son los pasos básicos para llegar de AC a DC. 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 PCB (google para fuente de alimentación "de marco abierto") en lugar de productos empaquetados.

Por ejemplo, estos .

El circuito FSAR001 sugerido por rawbrawb es inteligente y hará lo que quieras 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 las señales transitorias o no intencionadas pueden activar el interruptor de entrada a salida cuando no debería ser uno. La red se conecta a la salida directamente. Esto suele ser "una mala idea" [tm].

La eficiencia del circuito FSAR001 será alta al considerar la eficiencia como
 (Vin x Iin) / (Vout x Iout). PERO su factor de potencia es pobre, lo que a menudo no importa. es decir, consume toda su energía cuando el ciclo de la red eléctrica está en baja tensión y nada en absoluto cuando la tensión es alta, por lo que la forma de onda está MUY distorsionada en comparación con una sinusoide. Las autoridades reguladoras están cada vez más descontentas con tales sistemas, PERO cuando los niveles de potencia son muy bajos (como aquí) puede considerarse aceptable.

Funciona al encender un interruptor cuando Vin_mains está bajo y ~ - Vout, y apagarlo cuando Vin_mains > > Vout. Si su proceso de CI puede soportar el voltaje máximo de la red, puede incorporarlo en su CI. 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, además, es muy 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 operan en el rango de 1 MhZ - 10 Mhz para obtener el tamaño bajo. Incluso las frecuencias más altas son posibles con el debido cuidado.

Un enfoque reciente es generar RF a frecuencias extremadamente altas (1 GHz + en algunos casos) y utilizar condensadores 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 ... :-).

Ahora para responder al lado del "diseño de chip" de la pregunta. Esta respuesta no puede necesariamente cubrir todos los detalles. Tendrás tu propia investigación en áreas individuales, a las que espero proporcionar pistas en el texto.

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

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

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

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 eres un héroe porque la NRE para el proceso ha pasado de $ 1M (nodo 65 nm) a tal vez $ 60K (nodo 3u).

Entonces, ¿podemos poner los inductores en el chip? Absolutamente. pero son ENORMES, y muy difíciles de hacer de una manera que tenga un buen rendimiento. Los chicos de RF los usan para los circuitos y filtros de tanques. Pero lo que hay que recordar es que los tamaños de inductor 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 reducir el material de alta permitividad para aumentar la inductancia, está atrapado con SiO2 y hay varias variaciones. Por lo tanto, los inductores POWER ahora también están fuera de la ecuación.

A continuación, los condensadores. Basado en un nodo de proceso conocido - 180 nm, soporta 1.8 voltios y tiene 8.8 fF por um ^ 2 de capacitancia. Vamos a escalar esto a 600 V aumentando el espesor del óxido de la puerta. = > Óxido de la puerta de 60um de espesor para evitar la rotura. (El campo E permanece igual). La capacitancia es 1/333 = > 26.4 aF / um ^ 2. Para 10 uF necesitas 3.8e11 cuadrado um para obtener esa capacitancia. = > 0,4 m ^ 2 nota que es un dado que tiene aproximadamente 0,6 mx 0,6 m en un lado. Creo que el costo comienza a convertirse en un problema entonces. Ese capacitor de chip ahora comienza a parecer muy razonable.

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

La única solución en la que puedo pensar, ya que no se puede usar ningún condensador fuera del chip, es construir un rectificador de onda completa y SOLO 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 usted 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 filtros mucho más pequeños, condensadores de retención de carga en los circuitos de polarización (que no consumen mucha energía) para permitir que el punto de operación del circuito permanezca fijo durante el suministro de energía variable. Y puedes reducir el poder. Debería poder obtener un buen circuito de banda que funcione con menos de 1 uA, lo que significa que los capacitores son mucho más pequeños. Pero significa que solo puede comunicarse durante la fase "alta" de voltaje de CA.

La reducción y la rectificación de la alimentación eléctrica desde la línea de alimentación de red, así como la potencia, los bloques analógicos y digitales en un solo dado son posibles, y están siendo realizados por al menos un par de fabricantes. Analog Devices es notable a este respecto. .

Dispositivosanalógicos isoPower iCoupler los dispositivos alcanzan 5 kV de aislamiento, con operación de fuente de alimentación única, a través de su tecnología de microtransformador en chip . Si bien su cartera actual de isoPower no ofrece aparentemente ningún microcontrolador ni dispositivos sensores de temperatura, la prueba del concepto de tecnología debería servir para apuntar al diseñador de chips en la dirección correcta.

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

Algunos puntos destacados del artículo:

• 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 alto voltaje de hasta 5 kV.
• La rectificación de la secundaria se logra a través de diodos Schottky integrados
• Un regulador lineal en el secundario regula la potencia de salida, lo que permite a los dispositivos emitir 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 detección de temperatura y la funcionalidad de la pantalla se pueden abordar como un problema de diseño de chips / MEMS más convencional.

Esencialmente - no. Encontrará muy pocas fuentes de alimentación fuera de línea en el silicio, pero están formadas por procesos no estándar sintonizados 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, para que un consumidor pueda aislarlo completamente del "acceso doble", es probable que pueda usar una fuente de alimentación fuera de línea no aislada como Fairchild parte mencionada anteriormente. Luego, puede dedicar una pulgada cuadrada de espacio de PCB a la PSU sin conexión; su sensor y su electrónica podrían estar en la misma placa.

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

Este es el motivo de las preguntas persistentes acerca de cuáles son exactamente sus sensores y aún no tenemos la información de usted para responder a su pregunta correctamente.

Simplemente no va a colocar una fuente de alimentación de 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 intentando construir una unidad independiente que no se conecta eléctricamente al mundo exterior, excepto a la línea eléctrica. En ese caso, sigo pensando que una bomba de carga es su mejor opción. Sí, será externo al chip y, en comparación con un chip, será enorme. Así es como es.

Aquí hay una bomba de carga básica:

Cuando la entrada de CA superior se vuelve negativa con respecto a la parte inferior, C1 se carga hasta el voltaje de línea pico hasta D2. A medida que el voltaje vuelve a ser positivo, se descarga a través de D1 y carga un poco de C3. Sin carga, la tensión de salida de CC es la tensión de línea máxima, que no es lo que desea. Sin embargo, la corriente está bien limitada, por lo que lo más simple sería seguir esto con un regulador de derivación. Eso caerá entre los picos, por lo que puede diseñar el restablecimiento del circuito para tolerarlo, o puede hacer que el regulador de derivación sea un poco más alto de lo que desea y lo sigue un regulador lineal normal.

Un inconveniente de este enfoque es que la corriente que se obtiene es muy baja para los condensadores de buen tamaño en la frecuencia de línea. Puede hacer que los condensadores más pequeños permitan más corriente, pero luego tendrá que rectificar la línea de CA y cortarla con circuitos activos.

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