Der Broadcom HCPL-0931 ist ein schneller digitaler Isolator. Das Datenblatt spezifiziert eine Isolationsspannung von 2,5kVrms. Die maximale dauerhafte Betriebsspannung beträgt allerdings nur 150Vrms (300Vrms für den HCPL90xx). 3,3V und 5V TTL/CMOS Signale können mit bis zu 100MBd übertragen werden. Die Strecke ist robust gegenüber Gleichtaktimpulsen mit Anstiegszeiten von bis zu 15kV/µs.
Der HCPL-0931 enthält zwei Kanäle mit entgegengesetzten Übertragungsrichtungen. Parallel dazu bietet Broadcom andere Varianten und auch mehrkanalige Isolatoren. (Datenblattausschnitt)
Im Gehäuse finden sich zwei längliche Dies, die mit etwas Abstand nebeneinander platziert sind.
Die Abmessungen eines Dies betragen 1,9mm x 0,7mm.
Die zwei Dies unterscheiden sich nur durch eine leicht unterschiedliche Anordnung der Bonddrähte und einem kleinen runden Ausschnitt in der oberen Isolationsschicht, der anscheinend ein Testpad freilegt.
An einer Kante der Dies findet sich das Wort IsoLoop, die Bezeichnung für eine Isolationstechnik der Firma NVE. Neben den Copyright-Zeichen scheint das Logo der Firma NVE abgebildet zu sein, in dem die horizontalen Linien des E nach rechts verlängert sind. NVE ist eine eigenständige Firma, scheint aber eine Partnerschaft mit Broadcom eingegangen zu sein. NVE hat mit dem IL612 aus der IL600-Serie einen sehr ähnlichen Isolator im Programm. Vielleicht handelt es sich hier sogar um das gleiche Die.
Das Design stammt anscheinend aus dem Jahr 2004 und die interne Bezeichnung lautet 30531CBB. Die letzten beiden Zeichen sind mit anderen Materialien abgebildet als die vorderen Zeichen. Es ist gut möglich, dass sie Revisionen der dafür verwendeten Masken dokumentieren.
In der Präsentation "NVE IsoLoop® Isolator Overview" zeigt NVE den grundsätzlichen Aufbau ihrer Isolatoren. Auf einem Wafer befindet sich ein Magnetfeldsensor, der auf der GMR-Technologie basiert, wie sie im Rahmen des GLM712 genauer beschrieben wurde. Die darauffolgende Polymerschicht stellt die Isolationsstrecke des Bausteins dar, auf der sich dann die Spule befindet, die das anregende Magnetfeld erzeugt. Die Spule wird von einer Passivierungsschicht geschützt. Auf der Passivierungsschicht ist eine magnetische Abschirmung aufgebracht. Damit werden nicht nur externe Magnetfelder abgeschirmt, es wird auch das Magnetfeld der Spule konzentriert.
Die NVE-Präsentation zeigt außerdem, dass die Auswertung des Magnetfelds über eine Wheatstone-Brücke erfolgt. Die Verwendung einer Wheatstone-Brücke garantiert eine hohe Robustheit gegenüber externen Magnetfeldern.
Mit den bisherigen Informationen lässt sich bereits rekonstruieren, wie die Dies im Gehäuse angeordnet waren und welche Potentiale die Bonddrähte führten.
Das Kernelement, der magnetische Kreis, besitzt eine quadratische, schwarze Abschirmung. Seitlich sind Teile der Spulenanordnung zu erkennen.
NVE Mitarbeiter haben einen IEEE-Artikel mit der Bezeichnung "Linear Spin-Valve Bridge Sensing Devices" verfasst. Dort ist der Aufbau einer GMR-Wheatstone-Brücke abgebildet, der recht gut zum vorliegenden HCPL-0931 passt. Auch die Bezeichnung und das Logo sind sehr ähnlich.
Mit zeitlich wohldosierter, erhöhter Temperatureinwirkung kann man die Polymerschicht auf dem Die nach und nach zersetzen.
Hier fehlt bereits die magnetische Abschirmung, die Spule ist noch zu erkennen.
Die Polymerschicht lässt sich fast vollständig zersetzen, man muss allerdings darauf achten, dass nicht auch die restlichen Strukturen degenerieren.
Unter den Resten der Spule kommt die Wheatstone-Brücke zum Vorschein.
Von rechts wird der Wheatstone-Brücke die Versorgungsspannung zugeführt. Links befindet sich das Bezugspotential. Die vier GMR-Elemente (gelb) sind in Serpentinen geführt. Die Kontakte zwischen den GMR-Elementen und den weiterführenden Leitungen sind auffällig großflächig ausgeführt.
Die Auswertung der Differenzspannung der Wheatstone-Brücke erfolgt direkt unterhalb der GMR-Elemente, so dass sich auf der Strecke bis dorthin möglichst wenig Störungen einkoppeln. Das aufbereitete Signal wird nach unten ausgegeben.
Die Polymerschicht lässt sich nicht ganz restlos entfernen, ohne auch die restlichen Strukturen zu gefährden.
Der Empfänger nimmt den rechten Bereich des Dies ein. Die Strukturen um das Vdd-Bondpad herum scheinen Schutzstrukturen zu sein.
Der Wheatstone-Brücke werden über zwei Widerstände zwei Vdd-Potentiale zugeführt. Über diesen zwei Widerständen ist die Polymerschicht ausgespart und man kann die Spuren eines Abgleichs erkennen.
Auf den Operationsverstärker der Wheatstone-Brücke folgt ein Treiber und eine Push-Pull-Endstufe, die den Ausgang des HCPL-0931 bedient.
Im linken Bereich des Dies befindet sich der Empfängerteil. Unterhalb der Bondpads, die mit der Spule auf dem anderen Die verbunden sind, kann man Push-Pull-Transistoren erkennen. Die Ansteuerung erfolgt folglich mit einer H-Brücke. Die Treiber sind zwischen den Push-Pull-Transistoren integriert. Die Strukturen am Eingangs-Bondpad stellen mit Sicherheit eine gewisse Schutzfunktion dar.
Die Funktion des Schaltungsteils rechts der Ansteuerung bleibt unklar. Er ist lediglich mit dem Treiber der Senderspule verbunden. Laut der NVE-Präsentation wird das zu übertragende Signal nicht moduliert. Einen Oszillator kann man daher ausschließen. Vielleicht handelt es sich um eine Stromregelung, die dafür sorgt, dass die Empfängerseite ausreichend ausgesteuert, aber nicht übersteuert wird. Das weiter oben beschriebene, freigelegte Testpad könnte für einen Abgleich einer solchen Regelung genutzt worden sein.
