Richi´s Lab

National Semiconductor LM317

LM317 Package

LM317 Package

Der LM317 ist ein sehr weit verbreiteter variabler Spannungsregler, der oft auch als Stromquelle genutzt wird. Der Regler wurde 1976 entwickelt und seither von vielen Herstellern in unterschiedlichen Gehäusen verkauft. Das hier zu sehende Modell produzierte National Semiconductor im Jahr 1991.

Die Ausgangsspannung des LM317 lässt sich über einen Spannungsteiler einstellen, der die heruntergeteilte Ausgangsspannung dem Adjust-Pin zuführt. Die Regelung stellt zwischen dem Ausgangs- und dem Adjust-Pin die Referenzspannung von 1,25V ein. Schaltet man in den Ausgangspfad einen Shunt und führt die daran abfallende Spannung zum Adjust-Pin zurück, so arbeitet der LM317 als Stromquelle.

Im TO39-Gehäuse ist ein Strom von 0,5A zulässig. Der LM317 besitzt eine interne Strombegrenzung, die allerdings mit einem Bereich von 0,5A bis 1,8A recht grob spezifiziert ist. Ab einem Spannungsabfall von 15V reduziert sich die Strombergrenzung bis auf auf 0,2A bei 40V.
Die Referenzspannung, mit der der Regler arbeitet, bewegt sich laut Datenblatt zwischen 1,2V und 1,3V. Die Variante LM317A ist mit 1,225V bis 1,270V etwas enger spezifiziert.
Die Ausgangsspannung kann bei ausreichender Eingangsspannung zwischen 1,2V und 37V eingestellt werden. Der Spannungsabfall beträgt abhängig von Strom und Temperatur bis zu 2,5V.

 

LM317 Die

Das Die ist zweimal an das Gehäuse angebunden, das das Ausgangspotential darstellt und an der Unterseite von einem Pin kontaktiert wird. Das Eingangspotential und die Adjust-Schnittstelle sind über zwei isolierte Pins nach außen geführt.

 

LM317 Die

Auf dem Die nimmt der eigentliche Längsregler fast die ganze obere Hälfte ein. Das Eingangs- und das Ausgangspotential kontaktieren das Die direkt bei diesem Längsregler.
Das Ausgangspotential wird dem Regelungsteil in der unteren Hälfte noch einmal eigens in der unteren linken Ecke zugeführt. Das verbessert das Regelverhalten, da sich der Spannungsabfall über die Bondverbindung des Lastkreises innerhalb des Regelkreis befindet.

 

LM317 Schaltplan

Im Datenblatt von National Semiconductor ist ein ausführlicher Schaltplan abgedruckt. Einige Schaltungsblöcke lassen sich relativ gut identifizieren.

Den Kern des Reglers stellt eine Bandgab-Referenzspannungsquelle dar (grau), wie sie z.B. auch in der LT1009 zu sehen ist. Sie generiert die im Datenblatt beschriebenen 1,25V zwischen dem Adjust- und dem Vout-Pin.
Die daran angeschlossene 6V-Z-Diode sollte in den meisten Betriebszuständen nicht leitend werden. Sie schützt die Transistoren der Bandgap-Referenz vor zu hohen Strömen. Bis zu einer Spannung von 6V zwischen dem Adjust- und dem Vout-Pin fließen 0,5mA durch den Transistor Q17. Es ist anzunehmen, dass dieser Wert den maximal zulässigen Strom für den relativ kleinen Transistor darstellt.

Ändert sich die Spannung zwischen dem Adjust- und dem Vout-Pin, so sorgt die Bandgap-Referenz dafür, dass sich der Strom durch den Transistor Q15 (gelb) proportional ändert. Die Regelabweichung wird im gelben Block aufbereitet und steuert letztlich den Transistor Q12. Die Kondensatoren C1 und C2 begrenzen die Bandbreite der Schaltung und unterdrücken so Schwingungen.

Der Transistor Q12 arbeitet wie drei andere Schaltungsteile mit einer Stromquelle (Q4, Q8, Q10, Q14, dunkelblau). Die Ströme der Stromquellen definiert ein Stromspiegel (Q2, hellblau). Der Transistor Q2 erhält dabei seinen Referenzwert über den Transistor Q3. Die gesamte Schaltung Q2, Q3, Q4, Q5 stellt einen sogenannten "constant gm circuit" dar, der einen möglichst konstanten Strom garantiert.
Der lila Schaltungsteil ist notwendig, damit der constant gm circuit anlaufen kann. Der J-FET Q1 und der Widerstand R6 sorgen für einen minimalen Stromfluss. Die Z-Diode D1 begrenzt diesen Strom bei sehr hohen Spannungsabfällen über dem LM317.

Die genaue Funktionweise des roten Schaltungsteils erschließt sich nicht auf den ersten Blick. Es handelt sich höchstwahrscheinlich um die Übertemperaturabschaltung des LM317. Die Schaltung arbeitet parallel zum gelben Schaltungsteil und beeinflusst so direkt den Knoten, der letztlich die Aussteuerung des Endstufentransistors definiert.

Rechts ist die Endstufe, der eigentliche Längsregler, mit den zugehörigen Treibern platziert. Der hellgrüne Schaltungsteil stellt den Kern der Strombegrenzung dar. Über den 0,1Ω-Widerstand R26 wird der Strom im Längsregler bestimmt. Steigt der Strom und damit die abfallende Spannung an, so reduziert sich die Aussteuerung des Transistors Q24, wodurch mehr Strom durch die Transistoren Q21/Q20 fließen kann. Der Transistor Q20 leitet den Strom ab, der den Endstufentransistor aussteuert und reduziert so letztlich den Strom durch den Längsregler. Der Kondensator C3 stabilisiert die Schaltung. Der Widerstand R20 ist einstellbar und definiert die Höhe des maximal zulässigen Stroms. So kann die Strombegrenzung für die verschiedenen Stromtragfähigkeiten in den verschiedenen Packages konfiguriert werden.
Der dunkelgrüne Schaltungsteil sorgt dafür, dass bei hohen Spannungsabfällen über den LM317 der maximal zulässige Strom reduziert wird. Dabei geht es nicht um einen Schutz vor zu hohen Verlustleistungen, sondern darum den SOA-Bereich des Längreglers nicht zu verlassen. Ab 12,6V fließt über die Z-Diode D2/D3 parallel zum Längsregler ein geringer Strom. Die dabei am Widerstand R24 abfallende Spannung wird zusätzlich zum Transistor Q24 in der hellgrünen Strombegrenzung geführt. Der Transistor Q24 sperrt dadurch noch früher.

 

LM317 Die Fuses

Die zwei Transistoren der Bandgab-Referenz befinden sich an der unteren Kante des Dies. Wie üblich für Bandgap-Referenzen ist der eine Transistor sehr viel größer als der andere. In diesem Fall besitzt der Transistor Q19 (rechts) zehn Emitter-Bereiche, während der Transistor Q17 (links) nur einen aktiven Emitter enthält. Das Verhältnis entspricht dem in der LT1009-Referenzspannungsquelle. Interessant ist in diesem Zusammenhang ein zweiter Emitter am Transistor Q17, der keine elektrische Verbindung aufweist. Wahrscheinlich hat man sich hier eine Justagemöglichkeit der Bandgap-Referenz vorgehalten.

Über den Transistoren sind die zur Bandgap-Referenz gehörenden Widerstände integriert. Der Widerstand R14 besteht aus einzelnen Abschnitten, die sich überbrücken lassen. So kann über eine relativ einfache Änderung der Metalllage das Verhalten der Bandgap-Reference optimiert werden.

 

LM317 Die Fuses

Am Adjust-Pin befinden sich drei Fusible Links, die den 50Ω-Widerstand unterhalb der Bandgap-Referenz und damit die Referenzspannung einstellbar machen.

An der unteren Kante überbrückt eine Fuse zwischen den zwei Testpads einen kleinen Widerstand, der sich direkt darüber befindet.
Die zwei Fuses an der rechten Kante sind nicht auf den ersten Blick zu identifizieren. Direkt zwischen dem oberen und dem unteren Testpad ist eine Fuse integriert, deren Verbindung nicht (mehr) zu erkennen ist. Diese Fuse arbeitet nicht mit der Metalllage, sondern mit einer tieferen Struktur. Es könnte sich dabei um einen dünnen Streifen Polysilizium oder um eine Zener-Struktur handeln. Eine Zener-Struktur ist wahrscheinlicher, da sie initial isoliert. So ist der Widerstandswert initial in einer Mittellage ohne dass eine Fuse ausgelöst werden muss. Das ist wünschenswert, da das Auslösen einer Metall-Fuse dazu führt, dass die kontaktierenden Testnadeln verschmutzen. Die Fuse zwischen den rechten Testpunkten überbrückt den Widerstand links des oberen Testpads.
Links des unteren Testpads befindet sich in der Metlallage noch eine weitere Fuse, die zwei parallel geschaltete Widerstände unterhalb des unteren Testpads überbrückt.

Das hier gut zu erkennende H könnte für die Gehäusevariante H und damit für das 0,5A-Modell stehen. Wie beschrieben ist es recht einfach möglich die Strombegrenzung über die Metalllage anzupassen.

 

LM317 Die Endstufe

Den Maskenbezeichnungen nach zu urteilen wurden die Masken bereits einmal, die Metalllage zweimal angepasst.

Der große Längregler-Transistor besteht aus sechs Gruppen, die viermal neun und zweimal fünf einzelne Transistoren enthalten. Insgesamt besteht der Längsregler folglich aus 46 Transistoren.

 

LM317 Die Endstufe

Von Vin (rot) zu den Transistorarrays führen massive Flächen der Metalllage, die sich mit abnehmenden Strom verjüngen. Das Kollektorpotentials wird den Transistoren letztlich von unten zugeführt.

Über dem Kollektor befindet sich die Basisfläche deren Kontaktierung hier grün eingefärbt ist. Zwischen den rechten beiden Transistorarrays führt der kleine 160Ω-Widerstand R22 von der Basis zum Emitter des Längsreglers. Unterhalb der rot eingefärbten Metallfläche ist der noch relativ große Treiber zu erkennen, der ebenfalls aus mehreren Transistoren besteht.

Bevor die helblauen Emitterkontakte der einzelnen Längsregler-Transistoren zusammengeführt werden, durchlaufen sie kleine Emitterwiderstände (rosa), die für eine gleichmäßige Stromverteilung sorgen. Die Emitterpotentiale der Arrays (dunkelblau) durchlaufen dann noch einen weiteren niederohmigen Widerstand, bevor sie im Vout-Potential (schwarz) münden. Ein sehr ähnlicher Widerstand verbindet jeweils den Bereich der Transistoren mit dem Vout-Potential. Das sorgt dafür, dass die Transistoren von den restlichen Schaltungen isoliert bleiben.

Die Strommessung erfolgt lediglich am ganz rechten Widerstandarray über den Verbindungswiderstand zum Vout-Potential. Da die Transistorarrays sowieso auf eine gleichmäßige Stromverteilung ausgelegt sein müssen, ist die Messung an einem Transistorarray ausreichend.
Es zeigt sich, dass auch der 3Ω-Widerstand R25, der den Spannungsabfall des Shunts weiterleitet, einstellbar ist. Er befindet sich an der rechten Kante des Dies. Auf dem vorliegenden Die ist der Widerstand überbrückt. Eine Variation dieses Widerstands wirkt sich zusätzlich zum Widerstand R20 auf die Schwelle der Strombegrenzung aus. Die zwei Widerstäne ermöglichen es die normale Strombegrenzung und spannungsbeeinflusste Stromreduktion unabhängig voneinander einstellen zu können.
Unterhalb des 3Ω-Widerstands befinden sich die Schaltungsteile der spannungsabhängigen Strombegrenzung. Der 18kΩ-Widerstand befindet sich unter der Fläche der Metalllage. Darunter ist eine Z-Diode und der 160Ω-Widerstand, bestehend aus vier Streifen, untergebracht. Die zweite Z-Diode muss, so sie denn vorhanden ist, neben dem Treibertransistor integriert sein. Es fällt auf, dass die große Metallfläche wie ein Bondpad behandelt wurde und so zumindest für Testzwecke kontaktiert werden könnte.

 

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