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Linear Technology LT3750

LT3750

Der Linear Technology LT3750 ist ein Schaltregler in einem MSOP Gehäuse. Der Baustein ist darauf spezialisiert einen Kondensator auf eine hohe Spannung aufzuladen. Als mögliche Einsatzbereiche nennt das Datenblatt Warnleuchten, Fotoblitzgeräte, Sicherheitssysteme, Hochspannungsquellen, elektrische Zäune und Zünder.

 

LT3750 Datenblatt Applikationsbeispiel

Ein Applikationsbeispiel im Datenblatt lädt einen 100µF-Kondensator in einer halben Sekunde auf 300V auf. Es handelt sich im Grunde lediglich um einen Flyback-Wandler, mit einer primärseitigen Messung der Sekundärspannung. Der Regler ist allerdings darauf optimiert einen Kondensator aufzuladen. Das Datenblatt verweist auf die Patente 6518733 und 6636021, die jedoch nicht exakt die Funktionsweise des LT3750 beschreiben.

 

LT3750 Datenblatt Blockschaltbild

Das Blockschaltbild im Datenblatt zeigt die Funktionsweise des Reglers. Wird der Pin 3 auf High-Potential gezogen, so erzeugt das einen Impuls, der über den linken Flip-Flop die Ansteuerung des Leistungstransistors M1 frei gibt und über den rechten Flip-Flop auch gleich den Leistungstransistor durchschaltet. In der Folge steigt der Strom durch den Transformator linear auf den durch den Widerstand Rsense festgelegten Grenzwert. Daraufhin sorgt der Current Limit Komparator dafür, dass der Leistungstransistor über den rechten Flip-Flop wieder abgeschaltet wird.

Die im Transformator als Magnetfeld gespeicherte Energie lädt in der Sperrphase über die Diode D1 den Kondensator Cout auf. In dieser Phase überträgt sich die aktuelle Spannung der Sekundärseite proportional zum Windungsverhältnis auf die Primärseite. Endet der Stromfluss, so sinkt die Spannung am Leistungstransistor wieder auf die Versorgungsspannung Vtrans, woraufhin der DCM Komparator den rechten Flip-Flop und damit den Leistungstransistor erneut aktiviert. Die Schaltfrequenz bewegt sich dabei zwischen 100kHz und 300kHz.

Über den Pin RVout wird die auf die Primärseite transformierte Sekundärspannung überwacht. Dazu generiert der Widerstand RVout mit dem internen Stromspiegel einen Strom proportional zur transformierten Spannung. Der Stromspiegel dient in dieser Schaltung nicht dazu einfach einen Strom zu duplizieren. Er sorgt dafür, dass der Widerstand RVout mit Vtrans als Bezugspotential arbeitet. Damit wird der Strom durch den Widerstand RVout unabhängig von der Versorgungsspannung der Primärseite und ist nur noch proportional zur transformierten Sekundärspannung. Ebenso vorteilhaft ist, dass das Potential am oberen Kontakt des Widerstands Rbg durch den Stromspiegel unabhängig von den Potentialen an Vtrans und RVout ist. Der Spannungsabfall an Rbg, proportional zur Sekundärspannung, schaltet bei Erreichen der gewünschten Sekundärspannung den Vout Komparator. In der Folge wird der linke Flip-Flop zurückgesetzt und der Done-Ausgang signalisiert den abgeschlossenen Ladevorgang.

Drei weitere Komparatoren dienen als Schutzschaltung und können den Ladevorgang abbrechen. Ein Abbruch erfolgt bei einer Temperatur über 160°C und wenn die Versorgungsspannungen unter 2,5V beziehungsweise 2,8V sinken. Die Sinnhaftigkeit der Vcc-Untergrenze ist fraglich, da die Ausgangsspannung des Gatetreibers bei einer Versorgungsspannung von 5V schon bis auf 3V absinken kann. Unvorteilhaft ist, dass im Fehlerzustand ebenfalls der Done-Ausgang aktiviert wird, was suggeriert, dass der Ladevorgang erfolgreich war.

Die primärseitige Messung der Sekundärspannung ist hier besonders vorteilhaft, weil ein Spannungsteiler auf der Sekundärseite den Kondensator entladen würde. Diese primärseitige Messung beherrschen allerdings viele Flyback-Regler. Der LT3750 hat zusätzlich den Vorteil, dass er auf das einmalige Aufladen eines leeren Kondensators optimiert ist. Er muss die Sekundärspannung nicht einregeln, sondern überträgt dauerhaft die gleichen Energiepakete und deaktiviert sich beim Erreichen der gewünschten Spannung. Dieser Vorgang lässt sich besser auf eine minimale Ladezeit optimieren als eine gewöhnliche Regelung. Durch das Abschalten des Reglers kann es zwar zu einem Absinken der Sekundärspannung kommen, dafür wird aber ein längeres Verweilen in ineffizienten Arbeitspunkten vermieden.

 

LT3750 Die

LT3750 Die

Das Die ist 1,6mm x 1,4mm groß. Die großen Transistoren der Treiberstufe sind im rechten Bereich klar zu erkennen. Auch die restlichen Elemente sind noch recht übersichtlich. Es wäre durchaus möglich die Schaltung vollständig zu analysieren.

 

LT3750 Die Detail

LT3750 Die Detail

Der LT3750 stammt von Linear Technology. Das Kürzel ADI zeigt aber, dass das Design mittlerweile von Analog Devices überarbeitet wurde. Das B am Ende der Bezeichnung 3750B steht vermutlich für eine zweite Revision.

 

LT3750 Die Detail

An der Kante sind einige Muster integriert, die es ermöglichen die Ausrichtung der Masken gegeneinander zu überprüfen.

 

LT3750 Die Bondpads

Die Bondpads lassen sich relativ unproblematisch den Pins des Bausteins zuordnen. Das Massepotential kontaktiert den Baustein zweimal, einmal im Bereich der Steuerung und einmal bei den Treibertransistoren.

 

LT3750 Die Transistoren

LT3750 Die Transistoren

Die PNP-Transistoren (rot) der integrierten Schaltung besitzen die üblichen runden Strukturen, wo sich im Inneren die Emitter befinden. Um den Emitter ist der Kollektor integriert, beide sind durch einen Basisring voneinander getrennt, der etwas außerhalb kontaktiert wird.

Es finden sich auch die üblichen NPN-Transistoren (grün). Man meint die Umrisse einer tief liegenden Kollektorzuleitung erkennen zu können. Auch die Basisfläche zeichnet sich farblich nicht ab, lässt sich allerdings durch die Konturen erahnen, genauso wie der Emitter.

Neben den gewöhnlichen NPN-Transistoren sind aber auch andere NPN-Transistoren integriert (türkis). Deren Emitter besteht aus einer orangen Fläche mit einem oder mehreren dunklen Kreisen. Die Kontaktierung des Emitters erfolgt anscheinend im orangen Bereich. Es ist gut möglich, dass dem Aufbau ein BiCMOS-Prozess zugrunde liegt. Die Emitter der NPN-Transistoren basieren dann auf einer stark n-dotierte Polysiliziumschicht, die direkt auf die Basisschicht aufgebracht wird. Mit diesem Hintergrund wären die dunklen Kreise Durchbrüche in der Oxidschicht, wo sich der Emitter ausbildet. Das würde auch erklären warum die orangen Streifen unabhängig von darunter liegenden Strukturen als Leitungen verwendet werden konnten.

 

LT3750 Die Stromsenke

Im linken oberen Bereich des Dies (hier um 90° gedreht) befinden sich vier Testpads. Die vielen Widerstände rechts der Testpads und die zwei sehr unterschiedlich großen Transistoren darüber scheinen eine Bandgap-Referenzspannungsquelle darzustellen. Der Bereich enthält auch die Stromsenke des Stromspiegels. Der Stromspiegel selbst ist mit drei PNP-Transistoren aufgebaut, die sich links zwischen den Bondpads Rbg und RVout befinden. Der Stromwert im Referenzpfad des Stromspiegels ist nicht allzu kritisch. Die Stromsenke legt aber auch die Schaltschwelle des Vout Komparators fest und diese Schwelle sollte bei allen Bausteinen einigermaßen exakt getroffen werden, wofür ein Abgleich absolut sinnvoll ist.

 

LT3750 Die Gatetreiber

Der Gatetreiber besteht aus einem Highside- und einem Lowsidetransistor (rot/blau). Darüber befinden sich die Treiber für diese Push-Pull-Stufe (grün). Der Bereich des Gatetreibers ist vom Rest der Schaltung isoliert (gelb), was vermutlich störende Rückwirkungen reduzieren soll.

 

LT3750 Die Endstufentransistoren

Im Detail zeigt sich, dass die Endstufentransistoren ungewöhnlich aufgebaut sind. Sowohl Lowside als auch Highside beinhalten NPN-Transistoren. Der Basisanschluss befindet sich allerdings mittig und ist von zwei Emitterkontakten umgeben. Der Emitter ist ringförmig ausgeformt.

Ebenfalls ungewöhnlich ist der großflächige Widerstand. Man würde Emitterwiderstände erwarten, die für eine gleichmäßige Stromverteilung sorgen. Die Widerstände befinden sich hier aber an den Basisanschlüssen. Die Stromverteilung könnte man so zwar auch beeinflussen, allerdings nur solange man die Transistoren nicht in Sättigung betreibt, was hier sicherlich der Fall ist. Außerdem wäre die Steuerung des Emitterstroms über die Basiswiderstände sehr großen Schwankungen unterworfen. Wie sich gleich noch zeigen wird, spricht noch mehr dafür, dass es sich hier nicht um Maßnahmen zur gleichmäßigen Stromverteilung handelt. Das bedeutet, dass die einzelnen Transistoren so aufgebaut sind, dass sich der Strom auch ohne Symmetrierungswiderstände ausreichend gleichmäßig aufteilt.

 

LT3750 Die Endstufentransistoren Basiswiderstände

Die Leitungen der Potentiale Vcc, Gate und GND sind so ausgeführt, dass sie entsprechend der steigenden Strombelastung breiter werden. Auf den ersten Blick gewinnt man den Eindruck, dass hier bewusst unterschiedliche Transistorgrößen integriert wurden (grün/türkis), tatsächlich hat man aber lediglich die Flächen ausgefüllt, die sich zwischen den notwendigen Leiterbahnbreiten ergaben.

In diesem Zusammenhang lässt sich auch keine sinnvolle Korrelation zwischen der Länge des Basiswiderstands und den restlichen Gegebenheiten erkennen. In Kombination mit der sehr breiten Ausführung und der Nutzung von stark dotierten Flächen kann man davon ausgehen, dass die Streifen lediglich als Unterquerung der Metalllage dienen und ihr Widerstand eher als parasitäre Eigenschaft zu verstehen ist.

Das Massepotential ist unten rechts an die Grundfläche des Gatetreibers angebunden. Es stellt am linken Rand auch eine Art Schirm dar. Das Vcc-Potential wird im unteren Bereich nach links herausgeführt und zur Versorgung der restlichen Schaltung genutzt. An der unteren Kante verbindet ein Element Vcc und GND. Hierbei könnte es sich um eine Z-Diode handeln, die Überspannungen ableitet. Die Ansteuerung von Highside- und Lowside-Transistor erfolgt von oben.

 

LT3750 Die Gatetreiber Treiber

Die Schaltung zur Ansteuerung des Gatetreibers findet sich an der oberen Kante des Dies.

 

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