ST VN920SP User Manual

 

 

 

VN920SP

 

 

 

Single channel high-side solid-state relay

Features

 

 

 

Type

RDS(on)

IOUT

VCC

VN920SP

15 mΩ

30 A

10

36 V

 

 

 

1

CMOS compatible input

 

PowerSO-10

Proportional load current sense

Shorted load protection

Under-voltage and over-voltage shutdown

Description

Over-voltage clamp

The VN920SP is a monolithic device designed in

 

 

Thermal shutdown

STMicroelectronics VIPower M0-3 technology.

Current limitation

The VN920SP is intended for driving any type of

load with one side connected to ground. The

Protection against loss of ground and loss of

active VCC pin voltage clamp protects the device

 

VCC

 

against low energy spikes (see ISO7637 transient

Very low standby power dissipation

compatibility table). Active current limitation

Reverse battery protected (see Application

combined with thermal shutdown and automatic

restart protects the device against over-load.

 

schematic )

 

 

 

 

The device integrates an analog current sense

 

 

output which delivers a current proportional to the

 

 

load current. The device automatically turns off in

 

 

the case where the ground pin becomes

 

 

disconnected.

Table 1.

Device summary

 

 

 

 

Package

 

Order codes

 

 

 

 

 

Tube

 

Tape and reel

 

 

 

 

 

 

 

 

 

PowerSO-10

VN920SP

 

VN920SP13TR

 

 

 

 

 

December 2008

Rev 3

1/26

www.st.com

Contents

VN920SP

 

 

Contents

1

Block diagram and pin description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. 5

2

Electrical specifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

 

2.1

Absolute maximum ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

 

2.2

Thermal data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

 

2.3

Electrical characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

 

2.4

Electrical characteristics curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

3

Application information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

 

3.1

GND protection network against reverse battery . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

3.1.1 Solution 1: resistor in the ground line (RGND only) . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.1.2 Solution 2: diode (DGND) in the ground line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3.2 Load dump protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.3 MCU I/Os protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.4 PowerSO-10 maximum demagnetization energy (VCC = 13.5V) . . . . . . . 18

4

Package and PCB thermal data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

 

4.1

PowerSO-10 thermal data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

5

Package and packing information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

 

5.1

ECOPACK® packages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

 

5.2

PowerSO-10 mechanical data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

 

5.3

PowerSO-10 packing information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

6

Revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

2/26

VN920SP

List of tables

 

 

List of tables

Table 1. Device summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Table 2. Suggested connections for unused and not connected pins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Table 3. Absolute maximum ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Table 4. Thermal data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Table 5. Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Table 6. Switching (VCC=13V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Table 7. Logic inputs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Table 8. Current sense (9V VCC 16V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

Table 9. VCC output diode. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Table 10. Protections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Table 11. Truth table. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Table 12. Electrical transient requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Table 13. Thermal parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Table 14. PowerSO-10 mechanical data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Table 15. Document revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

3/26

List of figures

VN920SP

 

 

List of figures

Figure 1. Block diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Figure 2. Configuration diagram (top view) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Figure 3. Current and voltage conventions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Figure 4. Switching characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Figure 5. IOUT/ISENSE versus IOUT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Figure 6. Waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Figure 7. Off-state output current. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Figure 8. High-level input current. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Figure 9. Input clamp voltage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Figure 10. Turn-on voltage slope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Figure 11. Over-voltage shutdown. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Figure 12. Turn-off voltage slope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Figure 13. ILIM vs Tcase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Figure 14. On-state resistance vs VCC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Figure 15. Input high-level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Figure 16. Input hysteresis voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Figure 17. On-state resistance vs Tcase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Figure 18. Input low-level. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Figure 19. Application schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Figure 20. PowerSO-10 maximum turn-off current versus inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Figure 21. PowerSO-10 PC board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Figure 22. Rthj-amb Vs PCB copper area in open box free air condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 Figure 23. Thermal impedance junction ambient single pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Figure 24. Thermal fitting model of a single channel HSD in PowerSO-10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Figure 25. PowerSO-10 package dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Figure 26. PowerSO-10 suggested pad layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Figure 27. PowerSO-10 tube shipment (no suffix). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Figure 28. PowerSO-10 tape and reel shipment (suffix “TR”) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

4/26

ST VN920SP User Manual

VN920SP

Block diagram and pin description

 

 

1 Block diagram and pin description

Figure 1. Block diagram

VCC

 

VCC

OVERVOLTAGE

 

 

CLAMP

DETECTION

 

 

 

UNDERVOLTAGE

 

 

 

DETECTION

 

GND

 

Power CLAMP

 

 

 

 

 

 

DRIVER

 

INPUT

LOGIC

 

OUTPUT

 

 

 

 

 

 

 

CURRENT LIMITER

 

 

 

VDS LIMITER

 

 

 

IOUT

CURRENT

 

 

K

SENSE

 

 

 

 

OVERTEMPERATURE

 

 

 

DETECTION

 

 

Figure 2. Configuration diagram (top view)

GROUND

6

5

OUTPUT

INPUT

7

4

OUTPUT

C.SENSE

8

3

N.C.

N.C.

9

2

OUTPUT

N.C.

10

1

OUTPUT

 

VCC

11

 

 

 

 

PowerSO-10

Table 2.

Suggested connections for unused and not connected pins

Connection / pin

Current Sense

N.C.

Output

Input

 

 

 

 

 

Floating

 

X

X

X

 

 

 

 

 

 

To ground

Through 1KΩ

X

 

Through 10KΩ

resistor

 

resistor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5/26

Electrical specifications

VN920SP

 

 

2 Electrical specifications

Figure 3. Current and voltage conventions

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VCC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IOUT

 

VF

 

VCC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

OUTPUT

 

 

 

 

 

 

 

 

IIN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VOUT

 

 

 

 

 

 

INPUT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VIN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ISENSE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CURRENT SENSE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

GND

 

 

 

VSENSE

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IGND

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.1Absolute maximum ratings

Stressing the device above the rating listed in the “Absolute maximum ratings” table may cause permanent damage to the device. These are stress ratings only and operation of the device at these or any other conditions above those indicated in the operating sections of this specification is not implied. Exposure to Absolute maximum rating conditions for extended periods may affect device reliability. Refer also to the STMicroelectronics sure program and other relevant quality document.

Table 3.

Absolute maximum ratings

 

 

 

Symbol

Parameter

 

Value

Unit

 

 

 

 

 

VCC

DC supply voltage

 

41

V

- VCC

Reverse DC supply voltage

 

- 0.3

V

- Ignd

DC reverse ground pin current

 

- 200

mA

IOUT

DC output current

 

Internally limited

A

- IOUT

Reverse DC output current

 

- 40

A

IIN

DC input current

 

+/- 10

mA

VCSENSE

Current Sense maximum voltage

 

- 3

V

 

+ 15

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Electrostatic discharge

 

 

 

 

(human body model: R = 1.5KΩ;

C = 100pF)

 

 

VESD

INPUT

 

4000

V

CURRENT SENSE

 

2000

V

 

 

 

OUTPUT

 

5000

V

 

VCC

 

5000

V

6/26

VN920SP

 

Electrical specifications

 

 

 

 

 

 

Table 3.

Absolute maximum ratings (continued)

 

 

 

 

 

 

 

 

Symbol

Parameter

Value

Unit

 

 

 

 

 

 

 

Maximum switching energy

 

 

 

EMAX

(L = 0.25mH; RL= 0Ω; Vbat = 13.5V;

362

mJ

 

 

Tjstart = 150ºC; IL = 45A)

 

 

 

Ptot

Power dissipation TC ≤25°C

96.1

W

 

Tj

Junction operating temperature

Internally limited

°C

 

Tc

Case operating temperature

- 40 to 150

°C

 

Tstg

Storage temperature

- 55 to 150

°C

2.2Thermal data

Table 4.

Thermal data

 

 

 

 

Symbol

Parameter

Max. value

 

Unit

 

 

 

 

 

Rthj-case

Thermal resistance junction-case

1.3

 

°C/W

Rthj-amb

Thermalresistance junction-ambient

51.3(1)

 

37(2)

°C/W

 

 

 

°C/W

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.When mounted on FR4 printed circuit board with 0.5cm2 of Cu (at least 35µm thick).

2.When mounted on FR4 printed circuit board with 6cm2 of Cu (at least 35µm thick).

7/26

Electrical specifications

VN920SP

 

 

2.3Electrical characteristics

Values specified in this section are for 8V < VCC < 36V; -40°C < Tj < 150°C, unless otherwise stated.

 

Table 5.

 

Power

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Symbol

 

 

Parameter

Test conditions

Min.

Typ.

Max.

Unit

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VCC

 

Operating supply voltage

 

 

5.5

 

13

 

36

V

 

VUSD

 

Under-voltage shutdown

 

 

3

 

4

 

5.5

V

 

VOV

 

Over-voltage shutdown

 

 

36

 

 

 

 

V

 

 

 

 

 

IOUT = 10A; Tj = 25°C;

 

 

 

 

15

mΩ

 

RON

 

On-state resistance

IOUT = 10A;

 

 

 

 

30

mΩ

 

 

 

 

 

IOUT = 3A; VCC = 6V

 

 

 

 

50

mΩ

 

VCLAMP

 

Clamp voltage

ICC = 20mA

41

 

48

 

55

V

 

 

 

 

 

Off-state; VCC = 13V;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VIN = VOUT = 0V

 

 

10

 

25

µA

 

IS

 

Supply current

Off-state; VCC = 13V;

 

 

 

 

 

 

 

 

VIN = VOUT = 0V; Tj = 25°C

 

 

10

 

20

µA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

On-state; VCC = 13V; VIN = 5V;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IOUT = 0A; RSENSE = 3.9 kΩ

 

 

 

 

5

mA

 

IL(off1)

 

Off-state output current

VIN = VOUT = 0V

0

 

 

 

50

µA

 

IL(off2)

 

Off-state output current

VIN = 0V; VOUT = 3.5V

-75

 

 

 

0

µA

 

IL(off3)

 

Off-state output current

VIN = VOUT = 0V; VCC = 13V;

 

 

 

 

5

µA

 

 

Tj = 125°C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IL(off4)

 

Off-state output current

VIN = VOUT = 0V; VCC = 13V;

 

 

 

 

3

µA

 

 

Tj = 25°C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Note:

VCLAMP and VOV are correlated. Typical difference is 5V.

 

 

 

 

 

 

 

Table 6.

 

Switching (VCC=13V)

 

 

 

 

 

 

 

Symbol

 

Parameter

Test conditions

 

Min.

 

Typ.

 

Max.

Unit

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

td(on)

 

Turn-on delay time

RL = 1.3Ω (see Figure 4.)

 

 

 

50

 

 

µs

 

td(off)

 

Turn-off delay time

RL = 1.3Ω (see Figure 4.)

 

 

 

50

 

 

µs

 

dVOUT/dt(on)

Turn-on voltage slope

RL = 1.3Ω (see Figure 4.)

 

See Figure 10.

V/µs

 

dVOUT/dt(off)

Turn-off voltage slope

RL = 1.3Ω (see Figure 4.)

 

See Figure 12.

V/µs

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