Richi´s Lab

Texas Instruments TPIC2404

TPIC2404

Der TPIC2404 von Texas Instruments ist ein Smart-Switch, der vier Lowside-Endstufen enthält. Die maximale Sperrspannung liegt bei 45V. Im Chip sind Freilauf-Dioden integriert und über Anschlüsse nach außen geführt, so dass man extern das gewünschte Clampingpotential anschließen kann. Das Datenblatt gibt eine Stromtragfähigkeit von 1A an. Die Strombegrenzung setzt typischerweise bei 1,2A ein. Der Grenzwert kann aber bei sehr niedrigen Temperaturen bis auf 1,85A steigen. Der Baustein enthält einen Übertemperaturschutz und ist für einen relativ weiten Temperaturbereich von -40°C bis 125°C spezifiziert. Außerdem kann der gesamte TPIC2404 über einen Eingang deaktiviert werden und es ist ein Ausgang verfügbar, der Fehlerzustände anzeigt. Versorgungsspannungen zwischen -13V und 24V beschädigen den TPIC2404 nicht, so dass er sich gut für den Einsatz im Kraftfahrzeugbereich eignet.

 

TPIC2404 Blockschaltbild

Das im Datenblatt abgebildete Blockschaltbild zeigt das Zusammenspiel der integrierten Funktionen. Vier diskrete Eingänge steuern die vier Endstufen. Stromsenken an den Eingängen sorgen für einen definierten Low-Pegel solange sie nicht angesteuert werden. Das Enable-Signal kann alle Ausgänge deaktivieren. Der TPIC2404 enthält nicht nur eine übergreifende Übertemperaturabschaltung, sondern auch einen eigenen Übertemperaturschutz für jede einzelne Endstufe.

An den Ausgängen befinden sich Bipolartransistoren, in deren Emitterpfaden der Überstromschutz integriert ist. Der Pfeil am Ausgang des Überstromschutzes ist etwas irreführend, da zum Schutz der Endstufentransistoren deren Treiberstrom abgeleitet werden muss und somit der Strom entgegen der Pfeilrichtung fließen muss. Jeder Ausgang besitzt eine Freilaufdiode. Jeweils zwei Freilaufdioden teilen sich einen Pin am Package, über den das Freilaufpotential eingestellt werden kann.

Die Erkennung eines fehlerhaften Zustands erfolgt über ein Gatter, dass die Ansteuerung des jeweiligen Endstufentransistors mit dem Potential am zugehörigen Ausgang vergleicht. Bei einem unplausiblen Wert aktiviert ein UND-Gatter den Transistor am FAULT-Ausgang.

 

TPIC2404 Die

TPIC2404 Die

Die Abmessungen des Dies betragen 3,9mm x 3,4mm. Es kamen zwei Metalllagen zum Einsatz.

 

TPIC2404 Die Analyse

Die einzelnen Bondpads und einige Funktionsblöcke sind gut zu erkennen. Die vier Endstufen befinden sich in den vier Ecken des Dies. Jede Endstufe besitzt ein eigenes Masse-Bondpad im inneren Bereich des Dies. Die Ausgänge sind passend an den Kanten platziert. Neben den großen Endstufentransistoren (hellgrün) befindet sich jeweils ein Streifen, der sich nicht ganz eindeutig zuordnen lässt, aber höchstwahrscheinlich den Treibertransistor darstellt (dunkelgrün). Im Pfad zwischen Transistor und Masse-Bondpad ist die Strommessung integriert (rot). Innerhalb eines jeden Endstufentransistors befindet sich ein Temperatursensor (hellblau), der durch die örtliche Nähe die Temperatur der zugehörigen Endstufe ohne größeren Zeitverzug bestimmt. An der linken und der rechten Kante sind jeweils zwei Freilaufdioden integriert (dunkelblau) und mit einem gemeinsamen Bondpad verbunden.

Die Steuerungslogik befindet sich kreuzförmig in der Mitte des Dies.

 

TPIC2404 Die Detail

Das Design stammt aus dem Jahr 1987. Die Buchstaben QDM lassen sich nicht zuordnen. Sie könnten für einen oder mehrere Entwickler stehen, aber auch etwas anderes, zum Beispiel einen Fertigungsprozess, kennzeichnen.

 

TPIC2404 Die Detail Endstufe

Die Endstufentransistoren nutzen großflächig beide Metalllagen, um eine möglichst niederohmige Anbindung darstellen zu können. Die zwei Metalllagen erschweren es die darunter liegenden Strukturen zu identifizieren. Man kann trotzdem erkennen, dass es sich um einen klassischen Leistungstransistor handelt. Das Kollektorpotential wird seitlich zugeführt. Der aktive Bereich besteht aus einer Basisfläche, innerhalb der sich der Emitter befindet. Die Kontaktierung der Basisfläche erfolgt mindestens oberhalb eventuell auch unterhalb des Emitters. Die ganze Endstufe besteht aus sechs Transistoren.

 

TPIC2404 Die Detail Endstufe

Der Treibertransistor ist unter den Metalllagen noch schlechter auszumachen. Im unteren Bereich kann man dennoch die einzelnen Bereiche erahnen.

 

TPIC2404 Die Detail Shunt

Die Strombegrenzung erfolgt über einen kurzen Streifen der Metalllage zwischen dem jeweiligen Endstufentransistor und seinem Masse-Bondpad. Der Spannungsabfall über diesen Streifen wird mit zwei Leitungen zur Steuerelektronik übertragen.

 

TPIC2404 Die Detail Temperatursensor

Als Temperatursensor dient ein gewöhnlicher, kleiner Transistor.

 

TPIC2404 Die Detail Clamp

Die elektrische Anbindung der Freilaufdioden ist fast noch unübersichtlicher als die Kontaktierung der Endstufentransistoren. Es werden teilweise beide Metalllagen parallel genutzt, um über die relativ kleine Fläche eine möglichst niederohmige Anbindung erreichen zu können.

 

TPIC2404 Die Detail Input protection

TPIC2404 Schematic Input protection

An den Signal-Ein- und Ausgängen befinden sich Schutzstrukturen. Das erste, auf das Bondpad folgende Element scheint ein Bipolartransistor zu sein, dessen Basis- und Emitterkontakt verbunden sind. Es ergibt sich zum Kollektor eine Diode mit relativ hoher Sperrspannung (rot), die die Schaltung vor negativen Spannungen schützt.

Die Kollektorfläche des als Diode verschalteten Bipolartransistors ist nach oben verlängert. In einer Aussparung befindet sich eine MOSFET-Struktur (schwarz). Der Source-Anschluss ist mit dem Massepotential verbunden. Die zwei umgebenden Elektroden stellen das Gate dar und die Kollektorfläche dient als Drain-Bereich. Über einen Streifen der Metalllage (gelb) kann der Eingangspegel auf das Gate des MOSFETs überkoppeln. Ein Pull-Down-Widerstand (grün) sorgt dafür, dass der MOSFET im normalen Betrieb sperrt. Elektrische Entladungen laden allerdings über die Kapazität das Gate des MOSFETs auf und werden so zur Masse hin abgeleitet.

 

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