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Linear Technology LT1083

LT1083

LT1083

Der LT1083 von Linear Technology ist ein variabler Spannungsregler, der Ströme bis zu 7,5A zulässt. Neben dem LT1083 sind mit dem LT1084 (5A), dem LT1085 (3A) und dem LT1086 (1,5A) auch etwas schwächere Varianten verfügbar. Der LT1086 besitzt ein eigenes Datenblatt, dieses ähnelt aber sehr stark dem Datenblatt für die Modelle LT1083, LT1084 und LT1085.

Der hier vorliegende, 1991 gefertige LT1083 trägt die Indizes M und K. M steht für einen erweiterten Betriebstemperaturbereich von -55°C bis 200°C (an der Sperrschicht des Leistungstransistors). Außerdem darf der Spannungsabfall über den Regler 35V statt 30V betragen. K codiert das TO-3-Package.

Der LT1083 besitzt eine spannungsabhängige Strombegrenzung. Bei 5V Spannungsabfall greift sie zwischen 8A und 9,5A. Bei 25V beträgt der maximale Strom 0,4A bis 1A. Der minimal mögliche Spannungsabfall bewegt sich abhängig vom Strom zwischen 1V und 1,5V.

 

LT1083 Aufbau

Um einen Strom von 7,5A realisieren zu können, ist das Die mit zweimal vier Bonddrähten in den Lastkreis eingebunden. Ein zusätzlicher Bonddraht führt das Ausgangspotential ein weiteres Mal auf das Die, vermutlich um der Regelung einen möglichst exakten Istwert zu bieten.

Ein massiver Heatspreader ermöglicht es bis zu 60W abzuführen.

 

LT1083 Datenblatt

Obwohl sich die MK- und die CK-Variante beide in einem TO3-Package befinden und gleiche Wärmewiderstände aufweisen, erlaubt die MK-Variante die maximale Verlustleistung von 60W auch noch bei sehr viel höheren Gehäusetemperaturen. An dieser Stelle macht sich die höhere maximal zulässige Die-Temperatur positiv bemerkbar.

 

LT1083 Aufbau

LT1083 Die Stackup

Neben der massiven elektrischen Anbindung fällt auf den ersten Blick der zusätzliche kleinere Block unter dem Die auf. Es wäre denkbar, dass es sich dabei um eine besondere Maßnahme der MK-Variante handelt, die höhere Betriebstemperaturen ermöglicht. Das Datenblatt gibt für beide Varianten den gleichen Wärmewiderstand an. Es könnte aber sein, dass die Schicht die unterschiedliche thermische Ausdehnung von Die und Heatspreader aneinander anpasst. Bei großen Temperaturhüben könnte es ansonsten durch Verspannungen zu mechanischen Schäden kommen.

Ein Blick in zwei LT1084CK zeigt, dass der zusätzliche Block auch in bezüglich der Verlustleistung weniger robusten Varianten vorhanden ist. Wahrscheinlich hängt der erweiterte Betriebstemperaturbereich nur von der Fertigungsqualität des einzelnen Dies ab und die Teile werden nach der Produktion entsprechend getestet und sortiert.

 

LT1083 Die

Auf dem Die ist deutlich eine Zweiteilung zu erkennen. Der linke Bereich beinhaltet die Leistungstransistoren, während an der rechten Kante die Regelung untergebracht ist.

Interessant ist, dass der Leistungsteil höhere Temperaturen verkraftet als der Reglerteil (200°C gegenüber 150°C). Das ist nur hilfreich weil das Datenblatt gleichzeitig für den Regler einen kleineren Wärmewiderstand angibt (0,6°C/W gegenüber 1,6°C/W). Da sich beide Schaltungsteile auf dem gleichen Die befinden, ist der Wärmewiderstand sicherlich gleich groß. Die Verlustleistung fällt allerdings hauptsächlich im Leistungsteil an. Die tatsächliche Temperaturverteilung könnte man nur mit komplexen Berechnungen bestimmen. Eine praktikable Annäherung an die Realität ist die Annahme unterschiedlicher Wärmewiderstände für die beiden Bereiche.

 

LT1083 Die Detail

Die Modellbezeichnung 1083 ist in der Metalllage abgebildet. Das B könnte für eine zweite Revision oder für eine Variante der Metalllage stehen.

 

LT1083 Die Detail

Das Design scheint aus dem Jahr 1986 zu stammen. Die Buchstaben DO könnten die Initialen eines Entwicklers sein.

 

 

LT1083 Schaltplan

Das Datenblatt enthält einen stark vereinfachten Schaltplan, der aber dennoch einige interessante Informationen liefert. Die Referenzspannung erzeugt eine Bandgap-Referenz (rosa), die wie beim LM317 eine Spannung von 1,25V zwischen dem Adjust-Pin und dem Vout-Pin einstellt. Der rote Schaltungsteil stellt einen Puffer dar. Bei zu hohen Temperaturen kann der Steuerstrom des Puffers über die "THERMAL LIMIT" Schaltung abgeleitet werden. Die folgende Reduktion des Laststrom reduziert die thermische Belastung des LT1083.

Die Enstufe des Längsreglers ist zweigeteilt. Der grüne Schaltungsteil stellt die erste Endstufe dar. Der Treiber und die Darlington-Endstufe sind hellgrün eingefärbt. Im Lastpfad befindet sich ein Shunt (dunkelgrün). Mit steigendem Strom fällt an diesem Shunt immer mehr Spannung ab, bis der zugehörige Transistor leitend wird und damit die Aussteuerung der Darlington-Endstufe begrenzt.

Der türkise Schaltungsteil führt das Steuersignal zusätzlich zu einer zweiten Endstufe. Die eigentliche Endstufe ist blau dargestellt. Der Shunt zur Strommessung ist auf der Highside platziert (orange). Den Spannungsabfall wertet ein Operationsverstärker aus, der über einen Transistor die Aussteuerung der Endstufe begrenzt. Die Treiberschaltung der Endstufe ist lila eingefärbt.

 

LT1083 Schaltplan

Das Datenblatt zeigt deutlich die zwei Strombegrenzungen des LT1083. Solange nur eine moderate Spannung zwischen Eingang und Ausgang anliegt, kann der LT1083 den maximalen Strom leiten. Ab frühestens 8V reduziert sich der maximal zulässige Strom bis er frühestens bei einem Spannungsabfall von 15V bei ungefähr 0,5A verharrt. Die Kurven sind stark temperaturabhängig.

Die zweistufige Strombegrenzung hat zwei vorteilhafte Effekte. Im obigen Diagramm steigt auf der garantierten Stromkurve die anfallende Verlustleistung bis auf 60W, also die maximal zulässige Verlustleistung des LT1083. Die Strombegrenzung sorgt dann für eine Reduktion der Verlustleistung. Nachteilig ist an dieser Stelle allerdings, dass gerade bei hohen Temperaturen die Strombegrenzung erst später greift und die Verlustleistung somit sehr viel höher steigen kann. Im zweiten Bereich der Strombegrenzung beträgt die Verlustleistung nur noch maximal 18W.
Der andere positive Effekt der zweistufigen Strombegrenzung ist die verringerte Gefahr den SOA-Bereich des Regeltransistors zu verlassen. Da nie gleichzeitig hohe Ströme und hohe Spannungsabfälle auftreten, ist es unwahrscheinlicher, dass der zweite Durchbruch auftritt.

Mit diesem Hintergrund erscheint es sehr wahrscheinlich, dass die beiden Endstufen genutzt werden, um die zweistufige Strombegrenzungen umzusetzen. Natürlich kann man eine einzelne Strombegrenzung spannungsvariabel konstruieren, die Aufteilung auf zwei Endstufen bringt aber Vorteile bei der Ausnutzung der integrierten Transistoren. So benötigt man einen Transistor, der den maximalen Strom tragen, aber nicht gleichzeitig die maximale Spannung isolieren können muss. Zwar muss er die maximale Spannung stromlos isolieren, das lässt sich aber einfacher umsetzen. Die zweite Endstufe muss bezüglich des zweiten Durchbruchs robuster sein, wird allerdings nur noch mit dem geringen Strom von ungefähr 0,5A belastet.
Eine spannungsabhängige Steuerung der Endstufen ist im Blockschaltbild des Datenblatts zwar nicht zu erkennen, das Blockschaltbild ist aber offensichtlich stark vereinfacht.

 

 

LT1083 Die Übersicht

Die im Blockschaltbild links platzierte Endstufe besitzt einen relativ kleinen Endstufentransistor. Auf dem Die ist er mittig mit zwei Transistoren dargestellt (grün). Oberhalb und unterhalb dieser Transistoren befinden sich, dunkelblau hinterlegt, die insgesamt vier großen Transistoren der im Blockschaltbild rechts platzierten Endstufe. Die zwei zwischen den Leistungstransistoren liegenden, länglichen Transistoren (lila) stellen die Treibertransistoren für die großen Endstufen dar. Der Rest der Treiberschaltung befindet sich im rechten Regler-Teil (lila).

Der gelbe Block ist scheinbar nur an das Eingangspotential angebunden. Wahrscheinlich handelt es sich hier um eine Schutzstruktur. Denkbar ist eine Diode, die bei negativen Spannungen über den Längsregler leitend wird und so die Schaltung schützt. Die Analyse des zweiten LT1084 bestätigt diese Annahme.

Am linken Rand des Dies befindet sich ein Testpad und ein fusible Link, die anscheinend keine Funktion darstellen. Das Testpad ist abgesehen vom fusible Link isoliert. Vielleicht wurden über diesen Testpunkt verschiedene Qualitätsstufen markiert.

 

LT1083 Die große Endstufen

LT1083 Die große Endstufen

Der PNP-Treibertransistor (links) versorgt sich aus dem Eingangspotential (rot). Das Basispotential, das dem Treibertransistor von unten zugeführt wird, ist gelb markiert. Der Basisstrom für die Endstufen (grün) wird so über kurze Mäander geführt, dass er sich möglichst gleichmäßig auf die großen Endstufenblöcke verteilt. Von da aus führen einzelne Widerstände zu den Basiselektroden (dunkelgrün), so dass sich der Basisstrom auch gleichmäßig auf die einzelnen Transistoren verteilt. Eine Basiselektrode bedient immer zwei Transistoren. Die einzelnen Emitterpotentiale (hellblau) werden über Emitterwiderstände geführt, die in Folge an den Ausgang angebunden sind (dunkelblau). Die Emitterwiderstände garantieren eine gleichmäßige Stromverteilung.

In den vier großen Endstufen befinden sich insgesamt 112 einzelne Transistoren.

 

LT1083 Die Strombegrenzung

Die Strommessung der großen Endstufe erfolgt über die Zuleitung zu einem der Transistorblöcke. Bei einem garantierten Maximalstrom von 7,5A fließen in diesem Zweig fast 2A. Der Spannungsabfall über die Zuleitung ist ausreichend, um damit die Strombegrenzung zu betreiben.

Bemerkenswert sind die fünf Testpunkte und deren vier fusible Links, die den Abgriff der Strommessung beeinflussen. Von jedem Testpad führt eine Leitung zu einem Bereich der Zuleitung. Die fusible Links schließen jeweils einen Teil des Spannungsabfalls kurz. Unterbricht man eine der Verbindungen, so erhöht sich der Spannungsabfall und die Strombegrenzung setzt früher ein.
Das Datenblatt gibt an, dass die Strombegrenzung während der Produktion justiert wird. Die fusible Links könnten dafür genutzt werden. Die Abstände der Abgriffe erscheint aber relativ groß für eine kleine Justage der Strombegrenzung. Es ist dagegen durchaus denkbar, dass über die fusible Links die schwächeren Varianten des Linearreglers mit ihren unterschiedlichen Maximalströmen dargestellt werden können. Zwar sind die schwächeren Spannungsregler dann überdimensioniert, dafür müssen weniger unterschiedliche Designs gefertigt werden. Außerdem können schlechtere Qualitätsstufen mit niedrigeren Strombegrenzungen verkauft werden. Die Zerlegung der zwei LT1084 und des LT1085 zeigt, dass über die Fuses wahrscheinlich sowohl eine grobe als auch eine feine Einstellung der Strombegrenzung möglich ist.

 

LT1083 Die kleine Endstufe

LT1083 Die kleine Endstufe

Die kleine Endstufe besteht aus zwei Blöcken, die jeweils 28 einzelne Transistoren enthalten. Die Zuführung des Eingangspotentials (rot) zum Kollektor erfolgt wie bei NPN-Transistoren übliche von unten. Der Basisstrom (hellgrün) wird zentral von einem kleinen Treiber neben der Zeichenfolge 1083B erzeugt. Zwischen diesem Treiber und den Transistorblöcken befindet sich jeweils ein Widerstand, der für eine gleichmäßige Aussteuerung sorgt. Hinter dem Widerstand wird das lokale Basispotential (dunkelgrün) den einzelnen Transistoren zugeführt. Das Emitterpotential eines jeden Transistors (türkis) durchläuft zuerst noch jeweils einen Emitterwiderstand, bevor es im hellblauen Potential mündet. Zwischen dem hellblauen Ausgang des Transistorblocks und dem eigentlichen Ausgangspotential (dunkelblau) befinden sich oben und unten weitere kleine Widerstände. Diese Widerstände sorgen für eine weitere Symmetrierung des Stroms und dienen auch zur Strommessung innerhalb der kleinen Endstufe. Dazu wird oberhalb des Transistorblocks das hellblaue Potential zum Regelungsblock geführt.

 

 

LT1083 Die Regelung

Dem Regelungsblock wird von links ein unabhängiges Ausgangspotential zugeführt, so dass die Regelung unabhängiger vom Laststrom arbeiten kann. Darunter befindet sich ein fusible Link, der mit Hilfe eines Testpads aufgetrennt werden kann. Ist die Verbindung intakt, so ist das Potential des Pads über einen niederohmigen Widerstand mit dem Ausgangspotential einer der große Endstufen verbunden. Durch diese zusätzliche Verbindung kann auf den Bonddraht verzichtet werden. Das verschlechtert etwas die Regelgenauigkeit, vereinfacht aber die Prozesse im Backend der Fertigung.
Interessant ist, dass hier trotz der Bondverbindung der fusible Link intakt ist. Die niederohmige Bondverbindung ist anscheinend auch so dominant genug gegenüber dem Abgriff am Endstufentransistor.

Das Bondpad unten links führt das Potential des Adjust-Pins zum Regelungsblock.

In der rechten unteren Ecke befindet sich ein Bondpad, das direkt zur Bandgap-Referenz des Spannungsreglers führt. In der hier zu sehenden Konfiguration stellt dieses Bondpad das gleiche Potential dar wie das Potential am zusätzlichen Vout-Bondpad.

 

LT1083 Die bandgap reference

Das Potential des Adjust-Pins wird zu den fünf Testpads in der rechten unteren Ecke des Dies geführt. Dazwischen befinden sich drei fusible Links in der Metalllage und ein fusible Link in einer tieferen Schicht. Vermutlich wurde hier wie beim LM317 versucht eine mittlere Trimlage zu produzieren, damit beim Abgleich im Mittel weniger Fuses aufgetrennt werden müssen.

In der oberen rechten Ecke dieses Bilds ist gerade noch ein kleinerer Widerstand zu erkennen, der von einer Art Klammer der Metalllage überbrückt wird und mittig einen Abgriff besitzt. Verarbeitet wird hier das Potential, das sich am Shunt der kleinen Endstufe einstellt. Wahrscheinlich hat man den Widerstand variabel gehalten, um die Strombegrenzung über eine Änderung der Metalllage anpassen zu können.

 

LT1083 Die Fuses

Die Bandgap-Referenz besteht aus zwei H-förmigen, parallel geschalteten Transistoren, zwischen denen sich zwei kleine Transistoren befinden. Wie beispielsweise bei der LT1009-Referenzspannungsquelle beschrieben, müssen die zwei Transistoren einer Bandgap-Referenz unterschiedlich groß ausgeführt sein. In diesem Fall besitzt der umgebende Transistor zehn Emittern. Der dazwischen liegende Transistor besitzt einen Emitter, so dass sich ein Größenverhältnis von 10:1 ergibt.
Dem mittleren Transistor ist ein zweiter Transistor antiparallel geschaltet. Im normalen Betrieb sollte der zweite Transistor nichts zur Funktion beitragen, liegt aber am Adjust-Pin ein höheres Potential als am Vout-Pin an, so kann der zusätzliche Transistor die Basis-Emitter-Strecke des anderen schützen.

Zwischen den großen Transistoren, unterhalb der kleinen, antiparallelen Transistoren befindet sich ein fusible Link. Über das zusätzliche Vout-Bondpad und das nicht genutzt Bondpad kann diese Verbindung zerstört werden. Dieser Vorgang trennt die Verbindung zwischen den Bandgap-Referenz-Transistoren auf. Danach ist die Basis des größeren Transistors nur noch an das freie Bondpad in der rechten unteren Ecke angebunden. Die Basis des kleineren Transistors verbleibt am Vout-Potential. Ein externer Abgleich der Referenz lässt sich über den Basisknoten einer Bandgap-Referenz kaum realisieren. Eventuell handelt es sich um einen Vorhalt, um den Spannungsregler mit einer externen Referenzspannungsquelle versorgen zu können.

 

LT1083 Die Detail

An der unteren Kante des Dies befinden sich zwei Strukturen mit einigen Streifen. Welche Funktion diese auffälligen Strukturen erfüllen ist nicht zu erkennen. Das Adjust-Potential wird über einen Widerstand zur kleineren Streifenstruktur geführt. Die größere Streifenstruktur ist anscheinend nur über eine Zuleitung in die Schaltung eingebunden. Sie besitzt Kontakte zur Metalllage, ist dort aber nicht weiter angebunden. Es ist durchaus denkbar, dass es sich um Widerstände handelt, über deren Verschaltung aus dem variablen Spannungsregler ein Spannungsregler mit einer festen Ausgangsspannung generiert werden kann. Ein passend gewählter Spannungsteiler zwischen dem Vout-Potential, dem Adjust-Pin und dem Massepotential würde eine fixe Ausgangsspannung erzeugen. Zumindest beim LT1086 sind Varianten mit fest eingestellter Ausgangsspannung beschrieben.

 

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