LM78S40 Datasheet

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_images/lm78s40-html.html
background image

LM78S40
Universal Switching Regulator Subsystem

General Description

The LM78S40 is a monolithic regulator subsystem consisting
of all the active building blocks necessary for switching regu-
lator systems. The device consists of a temperature com-
pensated voltage reference, a duty-cycle controllable oscilla-
tor with an active current limit circuit, an error amplifier, high
current, high voltage output switch, a power diode and an
uncommitted operational amplifier. The device can drive ex-
ternal NPN or PNP transistors when currents in excess of
1.5A or voltages in excess of 40V are required. The device
can be used for step-down, step-up or inverting switching
regulators as well as for series pass regulators. It features
wide supply voltage range, low standby power dissipation,
high efficiency and low drift. It is useful for any stand-alone,
low part count switching system and works extremely well in
battery operated systems.

Features

n

Step-up, step-down or inverting switching regulators

n

Output adjustable from 1.25V to 40V

n

Peak currents to 1.5A without external transistors

n

Operation from 2.5V to 40V input

n

Low standby current drain

n

80 dB line and load regulation

n

High gain, high current, independent op amp

n

Pulse width modulation with no double pulsing

Block and Connection Diagrams

DS010057-2

16-Lead DIP

DS010057-1

Top View

April 1998

LM78S40

Universal

Switching

Regulator

Subsystem

© 1998 National Semiconductor Corporation

DS010057

www.national.com

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_images/lm78s40-html.html
background image

Ordering Information

Part Number

NS Package

Temperature Range

LM78S40J/883

J16A Ceramic DIP

−55˚C to +125˚C

LM78S40N

N16E Molded DIP

−40˚C to +125˚C

LM78S40CN

N16E Molded DIP

0˚C to +70˚C

www.national.com

2

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_images/lm78s40-html.html
background image

Absolute Maximum Ratings

(Note 1)

If Military/Aerospace specified devices are required,
please contact the National Semiconductor Sales Office/
Distributors for availability and specifications.

Storage Temperature Range

Ceramic DIP

−65˚C to +175˚C

Molded DIP

−65˚C to +150˚C

Operating Temperature Range

Extended (LM78S40J)

−55˚C to +125˚C

Industrial (LM78S40N)

−40˚C to +125˚C

Commercial (LM78S40CN)

0˚C to +70˚C

Lead Temperature

Ceramic DIP (Soldering, 60 sec.)

300˚C

Molded DIP (Soldering, 10 sec.)

265˚C

Internal Power Dissipation (Note 2) (Note 3)

16L-Ceramic DIP

1.50W

16L-Molded DIP

1.04W

Input Voltage from V

IN

to GND

40V

Input Voltage from V

+

(Op Amp)

to GND

40V

Common Mode Input Range

(Comparator and Op Amp)

−0.3 to V+

Differential Input Voltage

(Note 4)

±

30V

Output Short Circuit

Duration (Op Amp)

Continuous

Current from V

REF

10 mA

Voltage from Switch

Collectors to GND

40V

Voltage from Switch

Emitters to GND

40V

Voltage from Switch

Collectors to Emitter

40V

Voltage from Power Diode to GND

40V

Reverse Power Diode Voltage

40V

Current through Power Switch

1.5A

Current through Power Diode

1.5A

ESD Susceptibility

(to be determined)

LM78S40
Electrical Characteristics

(Note 5)

T

A

= Operating temperature range, V

IN

= 5.0V, V

+

(Op Amp) = 5.0V, unless otherwise specified.

Symbol

Parameter

Conditions

Min

Typ

Max

Units

GENERAL CHARACTERISTICS

I

CC

Supply Current

V

IN

= 5.0V

1.8

3.5

mA

(Op Amp Disconnected)

V

IN

= 40V

2.3

5.0

mA

I

CC

Supply Current

V

IN

= 5.0V

4.0

mA

(Op Amp Connected)

V

IN

= 40V

5.5

mA

REFERENCE SECTION

V

REF

Reference Voltage

I

REF

= 1.0 mA

Extend −55˚C

<

T

A

<

+125˚C,

Comm 0

<

T

A

<

+70˚C,

1.180

1.245

1.310

V

Indus −40˚C

<

T

A

<

+85˚C

V

R LINE

Reference Voltage

V

IN

= 3.0V to V

IN

= 40V,

0.04

0.2

mV/V

Line Regulation

I

REF

= 1.0 mA, T

A

= 25˚C

V

R LOAD

Reference Voltage

I

REF

= 1.0 mA to I

REF

= 10 mA,

0.2

0.5

mV/mA

Load Regulation

T

A

= 25˚C

OSCILLATOR SECTION

I

CHG

Charging Current

V

IN

= 5.0V, T

A

= 25˚C

20

50

µA

I

CHG

Charging Current

V

IN

= 40V, T

A

= 25˚C

20

70

µA

I

DISCHG

Discharge Current

V

IN

= 5.0V, T

A

= 25˚C

150

250

µA

I

DISCHG

Discharge Current

V

IN

= 40V, T

A

= 25˚C

150

350

µA

V

OSC

Oscillator Voltage Swing

V

IN

= 5.0V, T

A

= 25˚C

0.5

V

t

on

/t

off

Ratio of Charge/

6.0

µs/µs

Discharge Time

CURRENT LIMIT SECTION

V

CLS

Current Limit Sense
Voltage

T

A

= 25˚C

250

350

mV

OUTPUT SWITCH SECTION

V

SAT 1

Output Saturation Voltage 1

I

SW

= 1.0A (

Figure 1

)

1.1

1.3

V

V

SAT 2

Output Saturation Voltage 2

I

SW

= 1.0A (

Figure 2

)

0.45

0.7

V

3

www.national.com

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_images/lm78s40-html.html
background image

LM78S40
Electrical Characteristics

(Note 5) (Continued)

T

A

= Operating temperature range, V

IN

= 5.0V, V

+

(Op Amp) = 5.0V, unless otherwise specified.

Symbol

Parameter

Conditions

Min

Typ

Max

Units

OUTPUT SWITCH SECTION

h

FE

Output Transistor Current
Gain

I

C

= 1.0A, V

CE

= 5.0V, T

A

= 25˚C

70

I

L

Output Leakage Current

V

O

= 40V, T

A

= 25˚C

10

nA

POWER DIODE

V

FD

Forward Voltage Drop

I

D

= 1.0A

1.25

1.5

V

I

DR

Diode Leakage Current

V

D

= 40V, T

A

= 25˚C

10

nA

COMPARATOR

V

IO

Input Offset Voltage

V

CM

= V

REF

1.5

15

mV

I

IB

Input Bias Current

V

CM

= V

REF

35

200

nA

I

IO

Input Offset Current

V

CM

= V

REF

5.0

75

nA

V

CM

Common Mode Voltage
Range

T

A

= 25˚C

0

V

IN

–2

V

PSRR

Power Supply Rejection
Ratio

V

IN

= 3.0V to 40V, T

A

= 25˚C

70

96

dB

OPERATIONAL AMPLIFIER

V

IO

Input Offset Voltage

V

CM

= 2.5V

4.0

15

mV

I

IB

Input Bias Current

V

CM

= 2.5V

30

200

nA

I

IO

Input Offset Current

V

CM

= 2.5V

5.0

75

nA

A

VS

+

Voltage Gain

+

R

L

= 2.0 k

to GND;

25

250

V/mV

V

O

= 1.0V to 2.5V, T

A

= 25˚C

A

VS

Voltage Gain

R

L

= 2.0 k

to V

+

(Op Amp)

25

250

V/mV

V

O

= 1.0V to 2.5V, T

A

= 25˚C

V

CM

Common Mode Voltage
Range

T

A

= 25˚C

0

V

CC

− 2

V

CMR

Common Mode Rejection

V

CM

= 0V to 3.0V, T

A

= 25˚C

76

100

dB

PSRR

Power Supply Rejection
Ratio

V

+

(Op Amp) = 3.0V to 40V, T

A

= 25˚C

76

100

dB

I

O

+

Output Source Current

T

A

= 25˚C

75

150

mA

I

O

Output Sink Current

T

A

= 25˚C

10

35

mA

SR

Slew Rate

T

A

= 25˚C

0.6

V/µs

V

OL

Output Voltage LOW

I

L

= −5.0 mA, T

A

= 25˚C

1.0

V

V

OH

Output Voltage High

I

L

= 50 mA, T

A

= 25˚C

V + (Op

V

Amp) −

3V

Note 1: Absolute Maximum Ratings indicate limits beyond which damage to the device may occur. Electrical specifications do not apply when ordering the device
beyond its rated operating conditions.

Note 2: T

J Max

= 150˚C for the Molded DIP, and 175˚C for the Ceramic DIP.

Note 3: Ratings apply to ambient temperature at 25˚C. Above this temperature, derate the 16L-Ceramic DIP at 10 mW/˚C, and the 16L-Molded DIP at 8.3 mW/˚C.

Note 4: For supply voltages less than 30V, the absolute maximum voltage is equal to the supply voltage.

Note 5: A military RETS specification is available on request. At the time of printing, the LM78S40 RETS specification complied with the Min and Max limits in this
table. The LM78S40J may also be procured as a Standard Military Drawing.

www.national.com

4

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_images/lm78s40-html.html
background image

Typical Performance Characteristics

Design Formulas

Characteristic

Step-Down

Step-Up

Inverting

Units

(t

on

+ t

off

) Max

µs

C

T

4 x 10

−5

t

on

4 x 10

−5

t

on

4 x 10

−5

t

on

µF

I

pk

2 I

O Max

A

L

Min

µH

R

SC

0.33/I

pk

0.33/I

pk

0.33/I

pk

C

O

µF

Note 6: V

SAT

= Saturation voltage of the switching element.

V

D

= Forward voltage of the flyback diode.

C

T

vs OFF Time

DS010057-6

Reference Voltage vs
Junction Temperature

DS010057-7

Discharge Current vs
Input Voltage

DS010057-8

Current Limit Sense
Voltage vs Input Voltage

DS010057-9

5

www.national.com

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_images/lm78s40-html.html
background image

Functional Description

SWITCHING FREQUENCY CONTROL

The LM78S40 is a variable frequency, variable duty cycle
device. The initial switching frequency is set by the timing
capacitor. (Oscillator frequency is set by a single external
capacitor and may be varied over a range of 100 Hz to
100 kHz). The initial duty cycle is 6:1. This switching fre-
quency and duty cycle can be modified by two
mechanisms — the current limit circuitry (I

pk sense

) and the

comparator.

The comparator modifies the OFF time. When the output
voltage is correct, the comparator output is in the HIGH
state and has no effect on the circuit operation. If the out-
put voltage is too high then the comparator output goes
LOW. In the LOW state the comparator inhibits the turn-on
of the output stage switching transistors. As long as the
comparator is LOW the system is in OFF time. As the out-
put current rises the OFF time decreases. As the output
current nears its maximum the OFF time approaches its
minimum value. The comparator can inhibit several ON
cycles, one ON cycle or any portion of an ON cycle. Once
the ON cycle has begun the comparator cannot inhibit un-
til the beginning of the next ON cycle.

The current limit modifies the ON time. The current limit is
activated when a 300 mV potential appears between lead
13 (V

CC

) and lead 14 (I

pk

). This potential is intended to re-

sult when designed for peak current flows through R

SC

.

When the peak current is reached the current limit is
turned on. The current limit circuitry provides for a quick
end to ON time and the immediate start of OFF time.

Generally the oscillator is free running but the current limit
action tends to reset the timing cycle.

Increasing load results in more current limited ON time
and less OFF time. The switching frequency increases
with load current.

USING THE INTERNAL REFERENCE, DIODE, AND
SWITCH

The internal 1.245V reference (pin 8) must be bypassed,
with 0.1 µF directly to the ground pin (pin 11) of the
LM78S40, to assure its stability.

V

FD

is the forward voltage drop across the internal power

diode. It is listed on the data sheet as 1.25V typical, 1.5V
maximum. If an external diode is used, then its own for-
ward voltage drop must be used for V

FD

.

V

SAT

is the voltage across the switch element (output tran-

sistors Q1 and Q2) when the switch is closed or ON. This
is listed on the data sheet as Output Saturation Voltage.

“Output saturation voltage 1” is defined as the switching
element voltage for Q2 and Q1 in the Darlington configu-
ration with collectors tied together. This applies to

Figure

1

, the step down mode.

“Output saturation voltage 2” is the switching element volt-
age for Q1 only when used as a transistor switch. This ap-
plies to

Figure 2

, the step up mode.

For the inverting mode,

Figure 3

, the saturation voltage of

the external transistor should be used for V

SAT

.

Typical Applications

Characteristic

Condition

Typical

Value

Output Voltage

I

O

= 200 mA

10V

Line Regulation

20V

V

I

30V

1.5 mV

Load Regulation

5.0 mA

I

O

3.0 mV

I

O

300 mA

Max Output Current

V

O

= 9.5V

500 mA

Output Ripple

I

O

= 200 mA

50 mV

Efficiency

I

O

= 200 mA

74%

Standby Current

I

O

= 200 mA

2.8 mA

Note 7: For I

O

200 mA use external diode to limit on-chip power

dissipation.

DS010057-3

FIGURE 1. Typical Step-Down Regulator and

Operational Performance (T

A

= 25˚C)

www.national.com

6

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_images/lm78s40-html.html
background image

Typical Applications

(Continued)

Characteristic

Condition

Typical

Value

Output Voltage

I

O

= 50 mA

25V

Line Regulation

5.0V

V

I

15V

4.0 mV

Load Regulation

5.0 mA

I

O

2.0 mV

I

O

100 mA

Max Output Current

V

O

= 23.75V

160 mA

Output Ripple

I

O

= 50 mA

30 mV

Efficiency

I

O

= 50 mA

79%

Standby Current

I

O

= 50 mA

2.6 mA

Characteristic

Condition

Typical

Value

Output Voltage

I

O

= 100 mA

−15V

Line Regulation

8.0V

V

I

18V

5.0 mV

Load Regulation

5.0 mA

I

O

3.0 mV

I

O

150 mA

Max Output Current

V

O

= 14.25V

160 mA

Output Ripple

I

O

= 100 mA

20 mV

Efficiency

I

O

= 100 mA

70%

Standby Current

I

O

= 100 mA

2.3 mA

DS010057-4

FIGURE 2. Typical Step-Up Regulator and

Operational Performance (T

A

= 25˚C)

DS010057-5

FIGURE 3. Typical Inverting Regulator and

Operational Performance (T

A

= 25˚C)

7

www.national.com

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_images/lm78s40-html.html
background image

Typical Applications

(Continued)

DS010057-10

FIGURE 4. Pulse Width Modulated Step-Down Regulator (f

OSC

= 20 kHz)

www.national.com

8

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_images/lm78s40-html.html
background image

Physical Dimensions

inches (millimeters) unless otherwise noted

16-Lead Ceramic Dual-In-Line Package (J)

Order Number LM78S40J/883

NS Package Number J16A

16-Lead Molded Dual-In-Line Package (N)

Order Number LM78S40N or LM78S40CN

NS Package Number N16A

9

www.national.com

/var/www/html/datasheet/sites/default/files/pdfhtml_images/lm78s40-html.html
background image

LIFE SUPPORT POLICY

NATIONAL’S PRODUCTS ARE NOT AUTHORIZED FOR USE AS CRITICAL COMPONENTS IN LIFE SUPPORT DE-
VICES OR SYSTEMS WITHOUT THE EXPRESS WRITTEN APPROVAL OF THE PRESIDENT OF NATIONAL SEMI-
CONDUCTOR CORPORATION. As used herein:
1. Life support devices or systems are devices or sys-

tems which, (a) are intended for surgical implant into
the body, or (b) support or sustain life, and whose fail-
ure to perform when properly used in accordance
with instructions for use provided in the labeling, can
be reasonably expected to result in a significant injury
to the user.

2. A critical component in any component of a life support

device or system whose failure to perform can be rea-
sonably expected to cause the failure of the life support
device or system, or to affect its safety or effectiveness.

National Semiconductor
Corporation
Americas
Tel: 1-800-272-9959
Fax: 1-800-737-7018
Email: support@nsc.com

www.national.com

National Semiconductor
Europe

Fax: +49 (0) 1 80-530 85 86

Email: europe.support@nsc.com

Deutsch Tel: +49 (0) 1 80-530 85 85
English

Tel: +49 (0) 1 80-532 78 32

Français Tel: +49 (0) 1 80-532 93 58
Italiano

Tel: +49 (0) 1 80-534 16 80

National Semiconductor
Asia Pacific Customer
Response Group
Tel: 65-2544466
Fax: 65-2504466
Email: sea.support@nsc.com

National Semiconductor
Japan Ltd.
Tel: 81-3-5620-6175
Fax: 81-3-5620-6179

LM78S40

Universal

Switching

Regulator

Subsystem

National does not assume any responsibility for use of any circuitry described, no circuit patent licenses are implied and National reserves the right at any time without notice to change said circuitry and specifications.

Maker
National Semiconductor
Datasheet PDF Download