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Power Integrations LNK306

LNK306

Der LNK306 ist ein Schaltregler der Firma Power Integrations. Der Baustein beinhaltet einen Spannungsregler zur Eigenversorgung und den Leistungstransistor. Er benötigt entsprechend wenig externe Bauteile und eignet sich gut um Kondensatornetzteile zu ersetzen. Neben einem Betrieb als Tiefsetzsteller ist auch ein Einsatz als Buck/Boost-Wandler möglich.

Der LNK306 gehört zur ersten LinkSwitch-TN-Serie, die mittlerweile durch die LinkSwitch-TN2-Serie abgelöst wurde. Die LinkSwitch-TN-Serie bietet vier Leistungsstufen, von denen der LNK306 mit einem Ausgangsstrom von 360mA die leistungsstärkste Variante darstellt.

 

LNK306

Der LNK306 ist unter anderem im hier vorliegenden DIL-8B-Package verfügbar. Im Vergleich zum DIL-8 bietet das DIL-8B etwas breitere Pins. Da der Regler bis zu 700V sperren kann, fehlt dem Package ein Pin, so dass zum Drain-Pin ausreichend Isolationsabstand bleibt.

 

LNK306 Applikation

Der LNK306 wird üblicherweise in die positive Versorgungsleitung eingeschleift. Der Leistungsschalter befindet sich zwischen den Anschlüssen D und S. Der geschaltete Ausgangsstrom wird über die Induktivität und den Kondensator am Ausgang geglättet. Zum negativen Versorgungspotential führt eine Freilaufdiode. Über die Pulsbreite des Ausgangssignals regelt der LNK306 die Ausgangsspannung.

Über den Pin FB liest der Regler die Ausgangsspannung zurück. Da keine direkte Verbindung zum negativen Potential besteht, benötigt die hier zu sehende Verschaltung zwingend einen minimalen Ausgangsstrom. Dieser Strom sorgt dafür, dass die Freilaufdiode in den Sperrphasen des LNK306 leitend wird. In dieser Zeit führt der S-Pin mehr oder weniger das negative Versorgungspotential, so dass darüber eine Messung der Ausgangsspannung möglich wird.
Benötigt man eine höhere Regelgenauigkeit, so kann man den Feedback-Pin mit einem Optokoppler bedienen. In diesem Fall ist auch keine Mindestlast mehr notwendig.

In einer etwas anderen Verschaltung kann man den LNK306 auch als Buck-Boost-Wandler nutzen.

 

LNK306 Blockschaltbild

Das im Datenblatt abgebildete Blockschaltbild zeigt den klassischen Aufbau eines Schaltreglers. Der Baustein enthält zur Eigenversorgung einen 5,8V-Regler. Die Versorgungsspannung wird extern gepuffert. Eine 6,3V-Z-Diode schützt den Knoten vor Überspannung. Eine Unterspannungserkennung schaltet den Schaltregler ab, bevor ein undefiniertes Verhalten einsetzt.

Der Taktgenerator des LNK306 generiert die Schaltfrequenz und ein zweites Rechtecksignal, dass die maximale Einschaltzeit festlegt. Die Schaltfrequenz liegt bei 66kHz. Eine Variation um +/-2kHz verteilt die elektromagnetischen Störungen des Schaltreglers auf ein breiteres Frequenzband, was die Störpegel auf den einzelnen Frequenzen reduziert. Der Auto-Restart-Counter deaktiviert bei Fehlerzuständen für mindestens 800ms den Leistungstransistor.

Die Überstromerkennung wird laut Datenblatt über den Spannungsabfalls am Leistungstransistor bestimmt. Eine sogenannte Leading Edge Blanking Funktion deaktiviert die Überstromabschaltung für den Zeitbereich des Einschaltvorgangs. In dieser Zeit treten oft sehr kurze Stromspitzen auf, die aber unproblematisch sind. Neben der Überstromabschaltung besitzt der Baustein auch einen Übertemperaturschutz, der bei 142°C anspricht und den Schaltregler erst bei 67°C wieder frei gibt.

 

LNK306 Die

Ältere Schaltregler, die einen Hochspannungs-Leistungstransistor enthalten sind mit zwei einzelnen Dies aufgebaut, da die Anforderungen an den Herstellungsprozess des Leistungstransistors andere sind als für den Reglerschaltkreis. Im Fall des LNK306 sind beide Schaltungsteile auf einem 2,4mm x 1,8mm großen Die integriert. Die Aufteilung in einen Regler und einen Leistungsteil ist deutlich zu erkennen.

 

LNK306 Die Detail

LNK306 Die Detail

Das Design stammt aus dem Jahr 2006. Die interne Bezeichnung lautet wahrscheinlich DS73C.

 

LNK306 Die Detail

LNK306 Die Detail

Die erkennbaren Maskenrevisionen lassen darauf schließen, dass das Design nur einmal minimal überarbeitet werden musste.

 

LNK306 Die Regler

Der Reglerteil ist noch nicht zu stark integriert, so dass man bei manchen Schaltungsteilen erahnen kann welche Funktion sie darstellen.

 

LNK306 Die Feedback

An der linken Kante befindet sich das Bondpad des Feedback Pins. Unterhalb des Bondpads sind zwei relativ große, in Serie geschaltete Strukturen platziert. Diese Elemente verbinden das Bondpad mit dem Bezugspotential. Sie dienen höchstwahrscheinlich dazu ESD-Impulse abzuleiten. ESD-Impulse können hohe Spannungen erzeugen, bringen aber nur einen begrenzten Energieinhalt in das System. Sie müssen direkt am Bondpad abgeleitet werden, da sie ansonsten in andere Schaltungsteile überkoppeln und dort Schäden verursachen.

Nach rechts folgen zwei in Serie geschaltete Widerstände und nach unten zum Bezugspotential zwei weitere in Serie geschaltete Elemente. Hierbei handelt es sich höchstwahrscheinlich um einen Überspannungsschutz, bei dem die zwei annähernd quadratischen Elemente spannungsbegrenzende Z-Dioden darstellen. Die Serienwiderstände begrenzen im Überspannungsfall den Strom, der wesentlich länger fließen kann als bei einem ESD-Impuls.

In diesem Bild mittig ist ein recht symmetrischer Schaltungsteil zu erkennen, der eine Art Differenzverstärker darstellen könnte. In der Nähe des Feedback-Pins wäre etwas Derartiges durchaus plausibel.

 

LNK306 Die Reference

Die Funktion der relativ großen Metallfläche, die hier links im Bild zu sehen ist, erschließt sich nicht sofort. Es handelt sich anscheinend nicht um einen Kondensator, da die Fläche vier Kontaktreihen besitzt. Die daneben liegende äußerst symmetrische Anordnung von 11 Transistoren könnte eine Art Bandpag-Referenz darstellen. Dann könnten sich unter der linken Fläche die zugehörigen Widerstände befinden.

 

LNK306 Die Counter

An der oberen Kante ist eine Struktur mehrfach hintereinander abgebildet. Gut erkennbar sind 13 gleiche Bereiche. Am Anfang und am Ende könnten sich noch weitere derartige Elemente befinden. Höchstwahrscheinlich handelt es sich um Frequenzteiler, die mit dem Systemtakt arbeiten und die verhältnismäßig lange Verzögerung des Restart Timers darstellen. Eine ähnliche Verschaltung ist in der Blink-LED zu sehen. Mit 13 Teilern lässt sich aus einem 66kHz-Takt bereits eine Verzögerungszeit von 120ms erreichen, was schon sehr nah bei den 800ms des LNK306 liegt.

 

LNK306 Die Regulator

Das obere Bondpad an der rechten Kante trägt höchstwahrscheinlich das Bypass-Potential. In der oberen rechten Ecke befindet sich eine längliche Struktur, die die Z-Diode sein könnte, die das Versorgungspotential des LNK306 begrenzt.

Das untere Bondpad scheint mit dem Rahmen und damit mit dem Source-Potential verbunden zu sein. Es muss sich aber um einen zusätzlichen Drain-Anschluss abseits des Leistungstransistors handeln. Anderenfalls hätte der Reglerbereich keinen Kontakt zum Drain-Potential, aus dem die Versorgung erfolgen muss und das auch zur Überstromerkennung herangezogen wird. Beim Einsatz von zwei Metalllagen ist die Zuordnung der Potentiale nicht immer ganz eindeutig möglich.

Beide Bondpads sind mit einer verhältnismäßig großflächigen Struktur verbunden. Dabei müsste es sich um den Linearregler des LNK306 handeln. Er muss mit der hohen Eingangsspannung arbeiten und eine entsprechend hohe Verlustleistung ableiten können. Interessant ist dabei, dass man anscheinend trotz der feinen Strukturen die notwendige Spannungsfestigkeit erreichen konnte.

 

LNK306 Die Power-FET-Control

Zwischen dem Regler- und dem Leistungsteil befindet sich ein heller Streifen. Höchstwahrscheinlich stellt der Streifen eine verstärkte Isolation zwischen den beiden Bereichen dar.

Von den zwei Leitungen, die in den Reglerteil führen scheint die linke Leitung das Gate-Potential zu führen. Sie ist mit einer etwas größeren Struktur verbunden, die höchstwahrscheinlich den Gatetreiber darstellt.

 

LNK306 Die Power-FET

Der Leistungstransistor ist links und rechts über zwei Bondpads mit dem D- und dem S-Pin verbunden. Der Aufbau der Transistoren erinnert an die Regler in den LED-Lampen OSRAM G9 3,8W 470lm und OSRAM G9 3,5W 350lm dimmbar.

 

LNK306 Datenblatt FET-Kapazität

Das Datenblatt enthält ein Diagramm, dass die Drain-Kapazität des Leistungstransistors darstellt. Darin enthalten ist eine Tabelle, die die Skalierungsfaktoren für die verschiedenen Modelle abbildet. Die zulässigen Ströme zeigen eine ähnliche Abstufung. Diese Faktoren passen sehr gut zum Aufbau des Leistungstransistors.

 

LNK306 Die Power-FET

Zuerst einmal besteht der Leistungstransistor aus zwei großen Transistoren (lila/grün und rot/gelb). Insgesamt kann man die Fläche in sieben einzelne Transistoren aufteilen. Die Faktoren der Stromlieferfähigkeiten und der Drain-Kapazität lassen sich sehr gut auf den Aufbau übertragen. Der LNK302 nutzt höchstwahrscheinlich nur einen Transistorstreifen. Der LNK304 enthält dann zwei Streifen. Im LNK305 greift man dann auf den kompletten oberen Transistor mit seinen vier Streifen zurück. Im LNK306 wurde der rot/gelbe Transistor angefügt, wodurch sich 7 Streifen ergeben. Da der untere Transistor kleiner ist, aber trotzdem zwei Bondpads enthält, besitzt er weniger aktive Fläche und entsprechend ist dessen Skalierungsfaktor nicht 7, sondern nur 6,8.

 

LNK306 Die Power-FET

LNK306 Die Power-FET

Seitlich um die Source-Kontaktierung sind in regelmäßigen Abständen zusätzliche Kontakte angeordnet. Höchstwahrscheinlich handelt es sich dabei um das Gatepotential, das sich üblicherweise in direkter Nähe der Source-Elektrode befindet. Der Abstand zur Drain-Elektrode ist relativ groß, um die notwenige Spannungsfestigkeit darstellen zu können.

 

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