Richi´s Lab

National Semiconductor LM2576

LM2576

Der LM2576 ist ein Buck-Schaltregler, der mit einer Schaltfrequenz von 52kHz arbeitet. Die ADJ-Variante ermöglicht es die Ausgangsspannung über einen Spannungsteiler zwischen 1,23V und 37V einzustellen. Der Laststrom darf bis zu 3A betragen. Als Eingangsspannung sind bis zu 40V zulässig. Es existiert auch eine HV-Variante, die mit bis zu 60V zurechtkommt und dann eine Ausgangsspannungen bis zu 57V liefern kann. Das Datenblatt gibt die maximale Schwankung der Ausgangsspannung mit 4% an. Neben dem frei einstellbaren Regler mit der Endung ADJ existieren auch Varianten mit festen Ausgangsspannungen (3,3V, 5V, 12V und 15V).

 

LM2576 Datenblatt

Das Datenblatt des LM2576 enthält ein Blockschaltbild. Über den Pin 5 wird der Baustein aktiviert. Aus dem Pin 1 generiert ein Spannungsregler eine interne Versorgungsspannung. Der Treiber des Schalttransistors besitzt einen Überstrom- und einen Übertemperaturschutz. Die Ansteuerung erfolgt über einen Komparator, der von einem 52kHz-Oszillator und dem Fehlersignal gesteuert wird. Das Fehlersignal generiert ein Operationsverstärker aus einer internen 1,23V-Bandgap-Referenzspannungsquelle und der Ausgangsspannung, die abhängig vom Modell mit einem Spannungsteiler heruntergeteilt wird.

 

LM2576 Die

Die Abmessungen des LM2576-Dies betragen 3,8mm x 2,5mm.

 

LM2576 Die Detail

An der unteren Kante sind einige Zeichenfolgen integriert. NS steht sicher für National Semiconductor. JDC könnte für einen Standort oder einen Geschäftsbereich stehen. Daneben sind die Zeichenfolgen K.H und HIDE abgebildet. Vielleicht handelt es sich dabei um die Kürzel beteiligter Entwickler.

Die Bezeichnung des Dies lautet LM1576-ADJ. LM1576 ist die Variante des Schaltreglers, die für einen erweiterten Temperaturbereich von -55°C bis 150°C freigegeben ist. LM1576-Schaltregler werden nach der Produktion über den vollen Betriebstemperaturbereich getestet.

 

LM2576 Die Detail

In der unteren rechten Ecke sind die Buchstaben NSUK abgebildet, was für eine britische Sparte von National Semiconductor stehen könnte. Unter den Buchstaben NSUK lassen sich weitere Muster erahnen, deren Bedeutung aber offen bleibt. Auch der Zweck der Symbole im unteren Bereich des Bilds ist unklar.

 

LM2576 Die Detail

An der unteren Kante des Dies ist das National Semiconductor Logo abgebildet. In diesem Bereich befinden sich auch zweimal der Buchstabe F. Das linke F formt die Metalllage. Das rechte F ist ein Durchbruch in der Passivierungsschicht. Es scheint sich um die Revisionen der beiden Masken zu handeln. Die Maske der Metalllage wird aber auch auf der linken Kante des Dies bei den anderen Maskenrevisionen abgebildet.

 

LM2576 Die Masken

An der linken Kante des Dies finden sich die Maskenbezeichnungen 10B, 22A, 24A, 30G, 40D, 42A, 50E, 60H. Die Maske 60H formte offensichtlich die Metalllage, womit fraglich bleibt welchen Zweck die zwei obigen F erfüllen.

 

LM2576 Die Leistungstransistor

Der Leistungstransistor ist im linken Bereich des Dies integriert und weist große Ähnlichkeiten zum Leistungstransistor des LM2596 auf. Der Transistor setzt sich aus 12 Segmenten mit jeweils 3 Zeilen mit jeweils 7 einzelnen Transistoren zusammen (grün). Der Treibertransistor befindet sich in der linken oberen Ecke (gelb). Es handelt sich um einen PNP-Transistor, der mit dem Leistungstransistor ein Sziklai-Paar bildet. Im unteren Bereich ist ein Abschalttransistor integriert (rot), der bei Überstrom- und Überspannungsereignissen die Aussteuerung des Leistungstransistors reduziert. In der oberen rechten Ecke ist ein einzelnes Segment des Leistungstransistors abgespaltet (türkis). Über dieses Element erfolgt die Strommessung (blau).

 

LM2576 Die Leistungstransistor

Die einzelnen Transistoren des Leistungstransistors bestehen aus runden Emittern, die sich innerhalb einer Basisfläche befinden. Jedes Segment des Leistungstransistors besitzt auf drei Seiten breite Kollektorkontakte, die zum Eingangspotential führen. Jede Emitterzeile führt zu einem Emitterwiderstand, der letztlich am Ausgang des LM2576 angebunden ist.

 

LM2576 Die Leistungstransistor

Die Kontaktstreifen, die von der mittigen Metallfläche nach unten zu den Emitterwiderständen führen, sind für jede Zeile des Leistungstransistors anders platziert, so dass sich unterschiedliche Widerstandswerte ergeben.

 

LM2576 Die Leistungstransistor

Die Metallfläche, die die Ströme der Transistorzeilen sammelt und zum Bondpad führt, wird von oben nach unten vor jedem Segment des Leistungstransistors etwas breiter, um eine ausreichende Stromtragfähigkeit darstellen zu können. Die Metallfläche, die auch als gemeinsamer Emitterwiderstand agiert, wird gleichzeitig von Segment zu Segment niederohmiger. Außerdem ist der Weg und damit der Widerstand für die weiter entfernten Transistoren höher. Dazu kommt, dass die Stromdichte zum Bondpad hin schneller steigt als der Widerstand über die Breite sinkt. Das alles führt dazu, dass die Transistorzeilen in der Nähe der Bondpads sehr viel höhere Ströme führen würden als die weiter außen liegenden. Die dedizierten Emitterwiderstände kompensieren diesen Effekt, sie werden zum Bondpad hin länger und damit hochohmiger. Der Strom der vorletzten Segmente fließt horizontal direkt zum Bondpad. Die Transistorzeilen beeinflussen sich hier kaum gegenseitig, die Stromdichte ist gleich groß und entsprechend auch die Emitterwiderstände. Bei ganz genauer Betrachtung kann man erkennen, dass die Emitterwiderstände der vorletzten Segmente nicht exakt gleich lang sind. Nach unten verkürzen sie sich minimal. Dort scheinen bereits die untersten Segmente den Stromfluss zu beeinflussen. Die Einbuchtung an der unteren Kante der Metallfläche dürfte ein Grund dafür sein.

 

LM2576 Die Treibertransistor

Der Treibertransistor ist ein PNP-Transistor. Was beim NPN-Transistor der Basiskontakt war, ist hier der Kollektorkontakt, der den Ausgang zum darunter liegenden Leistungstransistor darstellt. Zwischen Emitter und Kollektor befindet sich der Basisbereich, der unterhalb des Transistors breiflächig kontaktiert wird. Man kann gut erkennen, dass sich die Strukturen im Bereich der Emitter bei NPN- und PNP-Transistor unterscheiden. Beim NPN-Transistor handelt es sich um eine große runde Emitterfläche mit einem großen runden Kontakt, die sich innerhalb einer Basisfläche befindet. Beim PNP-Transistor handelt es sich um eine kleinere Emitterfläche, die von einem verhältnismäßig breiten Basisring umgeben ist, an die die Kollektorfläche anschließt. Der Aufbau eines solchen PNP-Transistors ist beim Wafer des Audioverstärkers A210 noch besser zu erkennen.

In der oberen rechten Ecke des Treibertransistors befindet sich eine Diode, die Basis und Emitter des Treibertransistors verbindet. Die Diode beschleunigt beim Abschalten das Ausräumen der freien Ladungsträger, die sich im leitenden Transistor befinden. Rechts neben der Diode scheint die Ansteuerung des Treibertransistors integriert zu sein.

An der oberen Kante des Treibertransistors befindet sich eine Schaltung, die mit der Basis des Endstufentransistors und der Steuerung des LM2376 verbunden ist. Was genau damit bezweckt wird bleibt unklar.

 

LM2576 Die Leistungstransistor

Unterhalb des Ausgangsbondpads ist ein Transistor integriert, der die Basis-Emitter-Strecke des Leistungstransistors überbrücken kann und so die Aussteuerung reduziert. Damit scheint sowohl der Überstrom-, als auch der Übertemperaturschutz realisiert worden zu sein. Die zugehörige Steuerleitung trifft von rechts ins Bild und kontaktiert die Basisfläche des Abschalttransistors. Ein langer Widerstand verbindet Basis und Emitter des Abschalttransistors, so dass er initial inaktiv ist. Unterhalb des Emitter- und des Basiskontakts befindet sich der Kollektorkontakt, der an die Steuerleitungen des Leistungstransistors angebunden ist.

In der unteren linken Ecke ist ein kleiner Widerstand zwischen Basis und Emitter des Leistungstransistors integriert. Dieser Widerstand sorgt für ein sauberes Abschalten im normalen Betrieb.

 

LM2576 Die Leistungstransistor

In der oberen rechten Ecke des Leistungstransistors befindet sich ein einzelner, abgesetzter Transistor, mit dem die Strombegrenzung realisiert wird. Der Kollektor ist dazu nicht direkt mit dem Eingangspotential verbunden, sondern führt zu einem längeren Widerstand. Der erste Bereich des Widerstands (Rs) ist relativ kurz und dient als Shunt. Er ist mit dem Widerstand Ra verbunden. Am Kollektor des vereinzelten Transistors ist der Widerstand Rb angebunden. Die beiden Widerstände führen zu einem Differenzverstärker (Ta/Tb), der ab einem gewissen Spannungsabfall die Aussteuerung des Leistungstransistors reduziert.

Die zwei Durchkontaktierungen an der Verbindung der Widerstände Rs und Ra lassen eine minimale Anpassung der beiden Widerstände und damit der Schwelle der Strombegrenzung zu. Auffällig sind diesbezüglich auch die zwei nicht verwendeten Kontakte ADJ. Darüber kann ein größerer Teil in der Mitte des Widerstands Ra überbrückt werden. Zusätzlich führt eine nicht weiter angebundene Leitung zum Differenzverstärker. Diese Leitung bietet die Möglichkeit zusätzlich den hinteren Teil des Widerstands Ra zu überbrücken.

 

LM2576 Die Schutzschaltung

Sowohl das Ausgangssignal der Strommessung als auch die Steuerleitung des im Leistungstransistors integrierten Abschalttransistors führen zur oberen Kante des Dies. Dort scheint sich die Ansteuerung der Sziklai-Endstufe zu befinden, die sich aus einem eigenen Bondpad versorgt. Wahrscheinlich befindet sich in diesem Bereich auch die Schaltung des Übertemperaturschutzes. Wird ein zu hoher Strom oder eine zu hohe Temperatur erkannt, so erfolgt eine Ansteuerung des Abschalttransistors an der unteren Kante des Leistungstransistors. Vielleicht wird gleichzeitig die Aussteuerung der Treibertransistors reduziert.

 

LM2576 Die Regelung

Im rechten Bereich des Dies befinden sich die restlichen Schaltungsteile des LM2576. An zwei Kanten befindet sich eine Reihe von Testpads, über die sich fusible Links auslösen lassen.

 

LM2576 Die Bandgap

Bei genauerer Betrachtung kann man an der rechten Kante die Bandgap-Referenzspannungsquelle identifizieren. Rot markiert ist der Stromspiegel, der zwei unterschiedlich große Transistoren speist (grün/türkis). Das Flächenverhältnis der Transistoren beträgt 6:1, wobei der größere Transistor auf die zwei Seiten des kleineren Transistors aufgeteilt ist, so dass sie im Mittel möglichst gleichen Temperaturen unterliegen. Nach rechts folgen sehr viele Widerstandstreifen, die unterschiedlich verschaltet sind und über die daneben liegenden Testpads abgeglichen werden können. Die beiden Transistoren einer Bandgap-Referenzspannungsquelle arbeiten mit zwei Emitterwiderständen, deren Verhältnis den Temperaturkoeffizienten der Ausgangsspannung definiert. Ein Abgleich der Widerstände ermöglicht einen Abgleich des Temperaturkoeffizienten auf einen möglichst niedrigen Wert.

Im Rahmen des TL7705 ist die Funktionsweise einer Bandgap-Referenzspannungsquelle detaillierter beschrieben.

 

LM2576 Die Spannungsteiler

In der unteren rechten Ecke des Dies befinden sich viele Widerstandsstreifen, die zum Teil an das dortige Bondpad angebunden sind. Es handelt sich dabei um den Spannungsteiler des Feedback-Eingangs, über den die Spannungsregelung erfolgt. Wie bei vielen anderen Spannungsreglern mit verschiedenen Ausgangsspannungen können die Widerstände unterschiedlich verschaltet werden. Der Regelkreis erhält dann eine normierte Version der Ausgangsspannung. Die Spannungregler mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen unterscheiden sich lediglich in der Form der Metalllage in diesem Bereich.

 

LM2576 Datenblatt

Das Datenblatt führt die Widerstände auf, die sich in den verschiedenen Versionen des LM2576 am Feedback-Eingang befinden. In der hier vorliegenden frei einstellbaren Version sollte demnach überhaupt keinen Widerstand zu finden sein. Bei genauerer Betrachtung des oberen Bildes ist das nicht ganz richtig. Man benötigte eine Möglichkeit die quer verlaufende Metalllage zu unterqueren. Es wurden allerdings sieben Widerstandsstreifen parallelgeschaltet, was zu einem verhältnismäßig kleinen Widerstandswert führt. Abgesehen davon ist der Eingangswiderstands des folgenden Fehlerverstärkers üblicherweise sehr hoch, so dass der kleine Widerstand am Eingang kaum relevant ist.

 

LM2576 Die Fuses

LM2576 Die Fuses

An der unteren Kante des Dies befinden sich weitere Testpads, mit denen sich mehrere fusible Links auslösen lassen. Nachdem über die Testpads an der rechten Kante des Dies der Temperaturkoeffizient der Referenzspannung eingestellt wurde, kann man davon ausgehen, dass über die Testpads an der unteren Kante die Ausgangsspannung justiert wurde. Die Feineinstellung ist notwendig, da der Spannungsteiler am Feedback-Eingang lediglich eine verhältnismäßig grobe Einstellung im Rahmen der Bauteiltoleranzen zulässt.

 

LM2576 Die Bondpads

Das Die besitzt mehr Bondpads als das Package Pins bietet. Die Ausgangs- und Eingangsbondpads am Leistungstransistor sind leicht zu identifizieren. Auch der Feedback-Eingang ist auf Grund des Spannungsteilers offensichtlich. Das darüberliegende Bondpad muss das Massepotential führen, da es an die Widerstände der Bandgap-Referenzspannungsquelle angebunden ist. An der oberen Kante findet sich ein weiteres Masse-Bondpad, das mit dem Masse-Bondpad in der rechten unteren Ecke verbunden ist. Das Bondpad in der oberen rechten Ecke ist ein Steuereingang. Es muss sich um den ON/OFF-Eingang des LM2576 handeln. An der oberen Kante besitzt die Treiberschaltung ein exklusives Bondpad. Das Bondpad muss ebenfalls mit dem Massepotential verbunden sein, da der Treibertransistor der Sziklai-Schaltung ein PNP-Transistor ist, dessen Basisstrom zum Massepotential hin abgeführt werden muss.

 

 

LM2576

Im Rahmen der Analyse wurde ein weiterer LM2576 geöffnet. Ein Datecode ist auf beiden Spannungsreglern nicht zu erkennen. Die Qualität der Beschriftung ist merklich unterschiedlich.

 

LM2576 Die

Das Die dieses LM2576 hat beim Herauslösen aus dem Package leider Schaden genommen (was genau genommen der Grund war das obere Bauteil zu öffnen). Der Aufbau ist oberflächlich betrachtet der gleiche.

 

LM2576 Die Detail

Die Buchstaben in der rechten unteren Ecke sind hier allerdings andere. Beim obigen Schaltregler stand dort NSUK, was vermuten ließ, dass er in Großbritannien entwickelt oder gefertigt wurde. Hier steht an dieser Stelle NSTE, was sich nicht eindeutig zuordnen lässt. TE könnte für Texas stehen.

 

LM2576 Die Detail

Bei den Bezeichnungen der Masken zeigt sich, dass es sich um einen andern Maskensatz handelt. Die Revisionen sind deutlich anders dargestellt.

 

zurück
oder unterstützt mich über Patreon