Richi´s Lab

TC4429 Gatetreiber

TC4429

Der TC4429 ist ein von Teledyne entwickelter Gatetreiber, der mittlerweile von Microchip vertrieben wird. Das Datenblatt beschreibt die typischen, wünschenswerten Eigenschaften eines Gatetreibers: Der Eingang ist CMOS/TTL kompatibel. Die Versorgungsspannung, die an das Gate weitergegeben wird, kann zwischen 4,5V und 18V gewählt werden. Der Ausgang ermöglicht Spitzenströme bis zu 6A und hat eine Impedanz von 2,5Ω. Die Durchlaufzeit für ein Signal beträgt typischerweise 55ns. Mit einer Lastkapazität von 2,5nF beträgt die Anstiegs- und die Abfallzeit des Ausgangs typischerweise 25ns. Das Datenblatt weist daraufhin, dass der TC4429 darauf ausgelegt ist gleiche Anstiegs- und Abfallzeiten darzustellen. Der Pegel am Ausgang des TC4429 bleibt nur 25mV über beziehungsweise unter den Versorgungspotentialen. Die Endstufen verkraften eine Rückspeisung bis zu 1,5A ohne dass es zu zerstörerischen Latch-Up-Effekten kommt. Im inaktiven Zustand nimmt der Gatetreiber lediglich 450µA auf.

 

TC4429 Blockschaltbild

Das Blockschaltbild im Datenblatt zeigt den Aufbau des TC4429. Am Eingang befindet sich eine Serienschaltung aus einer 4,7V-Z-Diode und einer normalen Diode. Eine weitere Diode führt vom Eingang zur Versorgung. Alle drei Dioden dienen zum Schutz des Eingangs-MOSFETs. Zu hohe Spannungen werden so zur Versorgung hin abgeleitet. Spannungen unterhalb -4,7V werden über die Z-Dioden-Strecke abgeleitet.
Das Blockschaltbild zeigt außerdem die von außen sichtbare Kapazität des Eingangs. Kommt es auf den genauen Schaltzeitpunkt an, so muss die Kapazität des Eingangs in Kombination mit der Impedanz der steuernden Quelle betrachtet werden.

Auf die erste Pufferstufe folgt ein Schmitttrigger, der eine gewisse Hysterese darstellt und so während des Pegelwechsels ein Fattern des Ausgangs verhindert. Der TC4429 invertiert das Eingangssignal. Mit dem TC4420 bietet Microchip auch einen Gatetreiber an, der das Signal nicht invertiert. Durch die Verfügbarkeit beider Typen kann meist die umgebende Ansteuerung einfacher aufgebaut werden. Letztlich steuert eine Treiberstufe die Endstufentransistoren aus.

In der Endstufe arbeitet ein p-Kanal-MOSFET als Highsidetreiber und ein n-Kanal-MOSFET als Lowsidetreiber.

 

TC4429 Pinning

Das Package besitzt jeweils zwei Anschlüsse für das Versorgungs- und das Massepotential. Das Datenblatt weist darauf hin, dass alle Versorgungspins entsprechend angebunden werden müssen.

 

TC4429 Die

Das Die ist 2,0mm x 1,9mm groß. Es sind deutlich zwei Bereiche zu erkennen. Im oberen Viertel des Dies befindet sich die Steuerungslogik. Im unteren Bereich sind die zwei großen Endstufentransistoren platziert. Dazwischen wurden die Treibertransistoren integriert, die bereits etwas größer sind als die Transistoren in der Steuerungslogik.

Das achteckige Bondpad in der oberen rechten Ecke markiert den Pin 1, über den sich die Steuerungslogik versorgt. Eine Aufdopplung der Versorgung erhöht die Robustheit der Schaltung. Gerade wenn es um schnelles Schalten geht, ist es vorteilhaft, wenn die Steuerung möglichst gut vom Lastkreis isoliert ist, um Rückkopplungen zu verhindern. Anderenfalls könnte es zumindest zu unsauberen Schalten, im schlechtesten Fall zu Schwingungen kommen. Nach links folgt das Bondpad, das das Steuersignal entgegen nimmt. In der linken oberen Ecke befindt sich schließlich noch der Anschluss für das Bezugspotential der Steuerungslogik.
In der linken unteren Ecke trifft das Bezugspotential des Lastkreises ein. Mittig greifen zwei Bonddrähte das Ausgangssignal ab, das dann auch auf zwei Pins am Gehäuse verfügbar ist. Rechts ist das Versorgungspotential des Lastkreises angebunden.

Es ist sofort ersichtlich, dass der p-Kanal-Transistor sehr viel größer ist als der n-Kanal-Transistor. Das ist notwendig, damit der Highsidetransistor nach außen die gleichen Eigenschaften aufweist wie der Lowsidetransistor. Im p-Kanal-Transistor sind nicht die freien Elektronen die dominanten Ladungsträger, sondern die sogenannten Löcher. Die Löcher sind allerdings weniger beweglich als die Elektronen, weswegen die elektrischen Eigenschaften von p-Kanal-Transistoren etwas schlechter sind.

 

TC4429 Die Steuerung

Innerhalb der Steuerungslogik wurden viele verschiedene Zeichenfolgen integriert. Obwohl das Design ursprünglich von Teledyne stammt, ist ein Microchip-Schriftzug und ein Microchip-Logo zu finden. Auch die Jahreszahl 2001 muss aktualisiert worden sein. Das Teledyne Data Book von 1992 enthält ein Abbild der Metalllage, das aber ansonsten keine sichtbaren Änderungen am Design zeigt. In der oberen linken Ecke befindet sich die Modellbezeichnung TC4429. Die Zahlen sind anscheinend über die Metalllage abgebildet. Es ist sehr wahrscheinlich, dass eine minimale Änderung an der Metalllage den nicht invertierenden TC4420 erzeugt. Die Maskenbezeichnungen weisen auf sechs Masken hin (11D, 24D, 34D, 35D, 40D, 50D). Das D lässt vermuten, dass das Design schon mindestens dreimal überarbeitet wurde. Die Zeichenfolge Y2AK2 lässt sich nicht zuordnen.

 

TC4429 Die Treiber

TC4429 Die Treiber

Der Aufbau der MOSFETS lässt sich nicht im Detail aufschlüsseln. Die unterbrochen erscheinenden Elektroden kontaktieren Source und Drain. Bei der Segmentierung handelt es sich mit Sicherheit nicht um Unterbrechungen, sondern um Durchkontaktierungen zu den darunterliegenden Schichten. Das Gatepotential wird den Transistoren über die glatt erscheinende Elektrode zugeführt, die sich in Schleifen über die Transistorfläche erstreckt.

 

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