Richi´s Lab

Neutron Mikroelektronik Nµ 701.40A

701.40A

Der Nµ 701.40A wird von Märklin für die digitale Steuerung von Modellbahn-Zügen eingesetzt. Er ist deutlich komplexer als der ebenfalls von Märklin eingesetzte Nµ 701.17B.

 

701.40A Die

Die Abmessungen des Dies betragen 4,7mm x 3,2mm.

 

701.40A Die Detail

Der Baustein wurde von Neutron Mikroelektronik entwickelt.

 

701.40A Die Detail

In der oberen linken Ecke des Dies findet sich die Bezeichnung 70140A. Wie beim Nµ 701.17B ist der Bezeichnung ein E vorgestellt.

 

701.40A Die Detail

An der oberen Kante des Dies sind einige Zahlen und Buchstaben abgebildet, die sich nicht zuordnen lassen. Sie gleichen Strukturen finden sich auch im Steuerungschip der Haussprechanlage Siedle HTA 811-0, dem Nµ 701.30C.

 

701.40A Die Detail

An der unteren Kante des Dies ist eine Lokomotive abgebildet. Der Anhänger transportiert die Buchstaben ADBMPB. Es könnte sich um die Initialen der Entwickler handeln. Etwas weiter rechts finden sich außerdem die Buchstaben BLG.

 

701.40A Die Detail

An einigen Stellen der Schaltung wurden Testpunkte integriert. Es handelt sich um kleine Quadrate in der oberen Metalllage, die sich mit Testnadeln kontaktieren lassen.

 

Die Funktion der verschiedenen Pins ist zum Großteil bekannt. Über Vcc und GND wird der Baustein versorgt. Die Versorgung erfolgt direkt über die gleichgerichtete Gleisspannung (18V). Neben einem GND-Anschluss für die Lastströme ist ein weiterer GND-Pin herausgeführt, der als störungsfreieres Bezugspotential dient. Die Dateneingänge DATA1 und DATA2 sind direkt an die Schiene angebunden.

Die Funktion des Pins MP ist unklar. Über die Pins A1 bis A4 kann die Adresse eingestellt werden, auf die der Baustein reagieren soll. Die Pins werden dazu entweder auf Massepotential gelegt oder mit dem internen 5V-Potential verbunden, das über einen weiteren Pin herausgeführt ist. PWM4 liefert ein Taktsignal, das wahrscheinlich für Soundgeneratoren genutzt werden kann. Über Config lassen sich anscheinend verschiedene Funktionen konfigurieren. MotC1, MotC2 und MotC3 ermöglichen es das Fahrverhalten der Lokomotive zu beeinflussen.

PWM1, PWM2 und PWM3 sind die Ausgänge, die direkt den BLDC-Motor der Lokomotive treiben. Die Rückmeldung der Rotorlage erfolgt über drei Hall-Schalter, die über ein internes 12V-Potential versorgt werden. Statt drei Eingänge für die drei Hallschalter zu integrieren, lässt man die Schalter verschiedene Widerstände in einen Spannungsteiler schalten. Das so generierte Signal liegt dann zur Auswertung am Pin HALL an.

Neben den drei Endstufen für den BLDC-Motor bietet der Baustein zwei Ausgänge für die Front- und Heckbeleuchtung und die vier zusätzlichen Endstufen F1, F2, F3 und F4.

Auf dem Die lassen sich einige Schaltungsteile problemlos identifizieren, in anderen Bereichen kann man nur Vermutungen anstellen.

 

701.40A Die Spannungsregler

An der oberen Kante des Dies findet sich eine Struktur, die anscheinend den 5V-Spannungsregler darstellt. Der größere Block in der Mitte scheint der eigentliche Längsregler zu sein. Von oben wird diesem Element das Vcc-Potential zugeführt.

Das große Element rechts neben dem Spannungsregler scheint einen Überstromschutz darzustellen. Interessant ist, dass darüber nicht nur der 5V-Pin überwacht wird, sondern auch die internen mit 5V versorgten Schaltungen. Vom 5V-Bondpad aus verteilen drei breite Leitungen das Potential im Chip, wo es auch von den kleinen Endstufen F1-F4 genutzt wird.

 

701.40A Die Spannungsregler

Der Ausgang, der die Hallschalter mit ungefähr 12V versorgt, besitzt eine ähnliche große Struktur wie der 5V-Spannungsregler, vermutlich handelt es sich um einen weiteren Spannungsregler. Die höhere Spannung parallel zur 5V-Versorgung ist wahrscheinlich notwendig, um die dahinter liegenden Funktionen (Hall-Schalter, Motorregler-Konfiguration) möglichst störungsfrei umsetzen zu können.

Links im Bild ist eine typische Eingangs-Schutzstruktur zu erkennen.

 

701.40A Die Versorgung

Das Bezugspotential der Steuerung verteilt sich über fünf Leitungen, so dass sich die einzelnen Schaltungsteile möglichst wenig gegenseitig stören.

 

701.40A Die Input

Die Kommunikation zwischen der Steuereinheit und den Lokomotiven erfolgt über ein Umpolen der Gleisspannung. Die Gleissignale werden an der oberen Kante des Dies in die Schaltung eingespeist, das Frontend der Auswertung befindet sich aber an der unteren Kante.

Die beiden Signale kontaktieren rechts und links eine Fläche, in der sich ein Widerstandsmäander befindet (türkis). In der Mitte ist der Widerstand an das Bezugspotential angebunden (schwarz). Die linke Hälfte stellt einen Spannungsteiler dar, der die Spannung eines der Gleispotentiale reduziert. Nahe dem Bezugspotential befinden sich acht Kontakte, die zu vier Strukturen führen (rot). Hierbei handelt es sich höchstwahrscheinlich um Komparatoren. Von dort aus führen acht Signale in den Logikbereich. Vermutlich stellen hier mehrere Schaltschwellen sicher, dass Störungen nicht als Pegelwechsel erkannt werden. Innerhalb der recht einfachen Logik lässt sich das Durchschalten der Komparatoren relativ gut überwachen, wohingegen komplexere Filterfunktionen kaum sinnvoll darstellbar sind.

Das zweite Gleispotential mündet im rechten Bereich in einen ähnlichen Spannungsteiler. Aus diesem Spannungsteiler führen mehrere Leitungen in den linken Bereich. Anscheinend sorgt die Verschaltung dafür, dass bei einem Polaritätswechsel auf dem Gleis die Komparatoren zuerst in die eine und gleich danach wieder in dir andere Richtung ausgesteuert werden. Dieser Ablauf dürfte Störungen effizient unterdrücken.

 

701.40A Die Detail

Im linken Bereich des Dies scheinen sich hauptsächlich analoge Schaltungsteile zu befinden. Nicht alle lassen sich ihrer Funktion zuordnen.

 

701.40A Die Detail

Der Eingang, der den Zustand der Hall-Schalter einliest, führt zu zwei größeren Blöcken. Die eine Struktur scheint eine Art einfachen Analog-Digital-Wandler darzustellen. Man erkennt links einen langen, aufgewickelten Widerstand wie beim Dateneingang. Fünf Abgriffe führen zu fünf gleichen Schaltungen, die Komparatoren sein könnten. So würden mit steigender Spannung die einzelnen Komparatoren nacheinander schalten und man kann die anliegende Spannung grob bestimmen. Unten links verlassen fünf Signale den Schaltungsteil, die höchstwahrscheinlich den Datenbus darstellen.

In Kombination mit dem externen Spannungsteiler, dessen unterer Widerstand über die drei Hall-Schalter variiert wird, kann man so auswerten welcher Hall-Schalter aktiv ist. Drei Hall-Schalter erzeugen sechs unterschiedliche Spannungslagen, die sich mit fünf Komparatoren ausreichend auflösen lassen.

 

701.40A Die Hall Input

An den Hall-Eingang ist ein zweiter, relativ großer Block angebunden. Darin befinden sich unter anderem vier große Transistoren. Es könnte sich dabei um Stromsenken handeln, die eine Messbereichsumschaltung darstellen.

 

701.40A Die Detail

Im linken Bereich des Dies scheint außerdem eine Art Strombegrenzung für die BLDC-Endstufen integriert zu sein. Die Potentiale von sechs Shunts werden von der rechten Seite des Dies dorthin geführt.

 

701.40A Die Logic

Der Logikbereich in der Mitte des Dies besteht aus 21 Zeilen.

 

701.40A Die Logic Detail

Der grundsätzliche Aufbau ist gut zu erkennen. Die einzelnen Strukturen lassen sich natürlich nicht mehr auflösen.

 

701.40A Die Logic Detail

An der linken Kante des Bereichs ist eine zusätzliche Schaltung integriert, deren Zweck unklar bleibt. Bei genauerer Betrachtung sind sich wiederholende Strukturen erkennbar.

 

701.40A Die Logic Detail

Etwas weiter oberhalb sind Teststrukturen abgebildet. Da sie nur an einzelnes Potential angebunden sind, kann man davon ausgehen, dass sie lediglich einer optischen Qualitätskontrolle dienen.

 

701.40A Die Output

Den rechten Bereich des Dies nehmen die drei großen Push-Pull-Endstufen ein, die als B6-Brücke den BLDC-Motor ansteuern. Links neben den Endstufen befinden sich die drei zugehörigen Treiber.

 

701.40A Die Output

Die zwei Metalllagen erschweren eine optische Analyse der Push-Pull-Endstufen. Die Leitungsführung lässt vermuten, dass sich links der Highside- und rechts der Lowsidetransistor befindet. Im unteren Bereich sind Shunt-Widerstände zu erkennen. Deren Signale und die Gatepotentiale werden links aus dem Bild geführt. Während die Ansteuerung der Gates über die direkt neben den Transistoren platzierte Schaltung erfolgt, verlaufen die Leitungen der Shunt-Widerstände in den linken Bereich des Dies zur bereits angesprochenen Auswerteschaltung.

Zwischen den Transistoren und dem Bondpad befinden sich weitere, große Strukturen. Man kann davon ausgehen, dass dort Freilaufdioden integriert sind. Die unterschiedlichen Muster würden zu den unterschiedlichen Polaritäten passen.

 

701.40A Die Output

Die Licht-Endstufen besitzen lediglich einen Lowside-Transistor. Der Block rechts davon scheint eine Freilaufdiode zu sein. Links zwischen den beiden Licht-Endstufen wurde eine Schaltung integriert, die der optischen Erscheinung nach eine gemeinsame Überstromabschaltung sein könnte.

Die zusätzlichen Ausgänge sind mit wesentlich kleineren Endstufen ausgestattet. Jede Endstufe wird mit drei Leitungen angefahren. Wahrscheinlich kann man den Status der Pins auch zurücklesen.

 

701.40A Die Output

Der MP-Pin, dessen Funktion unklar ist, scheint wie die obigen Ausgänge mit einer Push-Pull-Stufe ausgestattet zu sein.

 

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