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STMicroelectronics VN820

VN820

Der VN820 ist ein von STMicroelectronics entwickelter Highside-SMART-FET. Während der VN02H noch auf dem Technologieknoten M0-1 basierte, steht hinter dem VN820 der Technologieknoten M0-3. In der Application Note 1596 beschreibt STMicroelectronics, dass der Widerstand des Schalters von Generation zu Generation zwischen 40% und mehr als 50% reduziert werden konnte.

Wie der VN02H ist auch der VN820 auf den Kraftfahrzeugbereich ausgelegt. Die maximal zulässige Versorgungsspannung liegt bei 36V, die Spannung am Leistungshalbleiter wird auf 55V begrenzt. Der maximal mögliche Strom beträgt 9A. Das Datenblatt gibt einen Widerstand von 40mΩ an. Beim VN02H lag der Widerstand noch bei 400mΩ. Neben dem vorliegenden PPAK ist der VN820 im P²PAK als PowerSO-10 und auch noch im Pentawatt-Gehäuse verfügbar.

 

VN820 Blockschaltbild

Dem im Datenblatt abgebildeten Blockschaltbild nach zu schließen, besitzt der VN820 noch etwas mehr Schutzschaltungen als der VN02H. Der Ausgangstransistor wird vor Überspannung, vor Überstrom und vor Übertemperatur geschützt. Der Ausgang wird auf Kurzschlüsse und Leitungsunterbrechungen überwacht. Erwähnenswert ist, dass der VN820 an der Last einen Pull-Up-Widerstand benötigt, um den Leitungsabfall auch im abgeschalteten Zustand erkennen zu können.

Der Baustein enthält zwei Clampingschaltungen. Die "Vcc-Clamp" schützt den kompletten Baustein vor Überspannungen auf der Versorgungsleitung. Die "Power CLAMP" stellt mit ziemlicher Sicherheit die Clampingschaltung dar, die beim Abschalten induktiver Lasten die Sperrspannung des Leistungstransistors begrenzt. Die Verschaltung im Blockschaltbild ist dann aber falsch, sie würde zu einem Lowside-Transistor passen. Beim n-Kanal-MOSFET des VN820 muss das Source-Potential überwacht werden. Außerdem reicht es nicht eine Z-Diode zwischen Gate und Source einzubinden. Die Clampingschaltung muss den Gatetreiber aktivieren.

 

VN820 Die

Die Abmessungen des Dies betragen 3,2mm x 2,6mm.

 

VN820 Die Detail

Während das Design des VN02H aus dem Jahr 1995 stammt, wurde der vorliegende VN820 im Jahr 2000 entwickelt. VN82B könnte eine interne Bezeichnung sein.

 

VN820 Die Detail

Auf dem Die sind die Bezeichnungen von fünf Masken erkennbar. Man kann aber davon ausgehen, dass mehr Masken zum Einsatz kamen. Der Buchstabe B weist darauf hin, dass das Design mindestens einmal überarbeitet werden musste.

 

VIPower Aufbau

Die Application Note 1596 zeigt den grundsätzlichen Aufbau der Smart-FET-Familie. Links befindet sich die CMOS-Steuerung. Rechts ist der Leistungstransistor dargestellt, der als vertikaler DMOS eine hohe Leistungsdichte bietet. Die Integration beider Schaltungsteile ermöglicht ein sehr effizientes Design, führt aber zu einer begrenzten Clampingspannung, wie es im Rahmen des VN02H dargestellt ist.

 

VN820 Die Analyse

Auf dem Die ist eine deutliche Zweiteilung zu erkennen. Den größten Teil der Fläche nimmt der Leistungstransistor ein (rot). Die Metallfläche trägt das Source-Potential, das einen Rahmen ausbildet und den vermeintlichen Gatetreiber einschließt (lila). Anscheinend nutzt der Gatetreiber das Source-Potential als Bezugspotential. Grundsätzlich ist das vorteilhaft, da so die Gate-Source-Spannung immer sauber eingestellt werden kann.

Im unteren Bereich befindet sich die Steuerungslogik (türkis) und die Überspannungsschutzschaltung (gelb). Das Bezugspotential dieser Schaltungsteile ist das GND-Potential, das entsprechend mit der Rahmenstruktur verbunden ist.

 

VN820 Die Isolation

Innerhalb der Gatetreiberschaltung befinden sich mehrere Kondensatoren. Darunter ist mit Sicherheit auch die Kapaizität, die als Energiespeicher für die Ansteuerung des Leistungstransistors dient.

Die Gatetreiberschaltung beinhaltet neben der Gatespannungserzeugung und der Ansteuerung anscheinend auch mindestens einen Teil der Schutzfunktionen.

 

VN820 Die Leistungstransistor

Der Leistungs-MOSFET besteht wie üblich aus vielen kleinen Transistoren. In den Ecken finden sich Aussparungen, wie man sie von Hochspannungstransistoren wie dem BUK446 kennt, wo sie der Potentialsteuerung dienen. Hier scheinen die Strukturen aber einen anderen Zweck zu erfüllen. Eine derart eckige Aussparung wäre in Bezug auf eine Potentialsteuerung eher unüblich.

 

VN820 Die Strommessung

Die zwei abgesetzten Elemente innerhalb des Leistungstransistors dienen der Strommessung. Das obere Element scheint direkt in den Gatetreiber einzugreifen, während das zweite Element mit dem Steuerungsbereich verbunden ist. Das ist so weit stimmig, da zum einen der Gatetreiber bei einem Überstrom möglichst schnell abschalten muss und gleichzeitig die Steuerschaltung den aktuellen Stromwert benötigt.

 

VIPower Vcc Strommessung

Die Application Note 1596 zeigt, wie der Strom durch den Leistungstransistor bestimmt wird. Dazu ist dem Leistungstransistor ein kleinerer Transistor parallelgeschaltet. Durch den kleinen Transistor fließt dann ein Strom, der dem Laststrom entsprechend der Flächenverhältnisse proportional ist. Bestimmte Varianten der M0-3 Highsidetreiber, wie zum Beispiel der VN920, bieten einen Ausgang, über den der heruntergeteilte Stromwert ausgegeben wird.

 

VN820 Die Isolation

Um die Potentiale vom Bereich des Gatetreibers zum Bereich der Steuerungslogik führen zu können, waren kurze Koppelleitungen notwendig.

 

VN820 Die Logik

Am linken Rand des Logikbereichs sind vier Testpads integriert. Drei der Testpads führen in den Gatetreiberbereich. Nach rechts folgt der Transistor, der das Vcc-Clamping darstellt. Der Abfolge der Pins nach sollte das rechte Bondpad das Potential des Statusausgangs tragen. Dazu würde passen, dass es mit größeren Transistorstrukturen verbunden ist.

 

VIPower Vcc Clamp

Die Application Note zeigt die Funktionsweise der Vcc-Clamp und erklärt die Verschaltung auf dem Die. Sowohl der Lasttransistor als auch der Transistor der Vcc-Clamp sind über das Substrat mit dem Versorgungspotential verbunden. Der oben liegende Source-Kontakt des Lasttransistors ist mit dem Ausgangspin verbunden, der oben liegende Source-Kontakt der Vcc-Clamp ist dagegen mit dem Massepotential verbunden.

 

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