ST1S14 Datasheet PDF - STMicroelectronics


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ST1S14
STMicroelectronics

Part Number ST1S14
Description Up to 3A step-down switching regulator
Page 30 Pages

ST1S14 datasheet pdf
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ST1S14
Up to 3 A step-down switching regulator
Datasheet - production data
HS+O6P283- exHp[SoRsVeHdGSpDaGd
Applications
Factory automation
Printers
DC-DC modules
High current LED drivers
Features
3 A DC output current
Operating input voltage from 5.5 V to 48 V
850 kHz internally fixed switching frequency
Internal soft-start
Power good open collector output
Current mode architecture
Embedded compensation network
Zero load current operation
Internal current limiting
Inhibit for zero current consumption
2 mA maximum quiescent current over
temperature range
250 mΩ typ. RDS(on)
Thermal shutdown
Description
The ST1S14 is a step-down monolithic power
switching regulator able to deliver up to 3 A DC
current to the load depending on the application
conditions. The high current level is also achieved
thanks to a HSOP8 package with exposed frame,
that allows to reduce the Rth(JA) down to
approximately 40 °C/W. The output voltage can
be set from 1.22 V. The device uses an internal N-
channel DMOS transistor (with a typical RDS(on) of
200 mΩ) as the switching element to minimize the
size of the external components. The internal
oscillator fixes the switching frequency at 850
kHz. Power good open collector output validates
the regulated output voltage as soon as it reaches
the regulation. Pulse-by-pulse current limit offers
an effective constant current short-circuit
protection. Current foldback decreases overstress
in a persistent short-circuit condition.
Figure 1. Application schematic
& Q)
3*22'
9,1
& &
X) Q)
8
 %227
 9,1
 (1
 (1
676
6: 
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*1'

)% 
'
*1'
/ X+
5 .
5 .
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5
.
VPDOOVLJQDO
SRZHUSODQH
9287
&
X)
*1'
March 2013
This is information on a product in full production.
DocID17977 Rev 2
1/46
www.st.com
46



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ST1S14
1 Pin settings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1 Pin connection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.2 Pin description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 Enable inputs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2 Electrical data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1 Maximum ratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Thermal data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.3 ESD protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
3 Electrical characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4 Function description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.1 Power supply and voltage reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
4.2 Voltage monitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
4.3 Soft-start . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
4.4 Error amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.5 Inhibit function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
4.6 Thermal shutdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
5 Additional features and limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.1 Maximum duty cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
5.2 Minimum output voltage over VIN range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
6 Closing the loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
6.1 GCO(s) control to output transfer function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
6.2 Error amplifier compensation network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
6.3 Voltage divider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
6.4 Total loop gain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
7 Application information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
7.1 Component selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
7.1.1 Input capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2/46 DocID17977 Rev 2



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ST1S14
Contents
7.1.2 Output capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
7.1.3 Inductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
7.2 Layout considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
7.3 Thermal considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
7.4 Short-circuit protection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
7.4.1
7.4.2
7.4.3
300 mV < VFB < 1.22 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
VFB < 300 mV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Start up phase in short circuit condition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
7.5 Application circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
8 Typical characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
9 Package mechanical data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
10 Order code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
11 Revision history . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
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List of figure
List of figure
ST1S14
Figure 1.
Figure 2.
Figure 3.
Figure 4.
Figure 5.
Figure 6.
Figure 7.
Figure 8.
Figure 9.
Figure 10.
Figure 11.
Figure 12.
Figure 13.
Figure 14.
Figure 15.
Figure 16.
Figure 17.
Figure 18.
Figure 19.
Figure 20.
Figure 21.
Figure 22.
Figure 23.
Figure 24.
Figure 25.
Figure 26.
Figure 27.
Figure 28.
Figure 29.
Figure 30.
Figure 31.
Figure 32.
Figure 33.
Figure 34.
Figure 35.
Figure 36.
Figure 37.
Figure 38.
Figure 39.
Figure 40.
Figure 41.
Figure 42.
Figure 43.
Figure 44.
Figure 45.
Application schematic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Pin connection (top view) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Device block diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Internal circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Soft-start phases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Soft-start block diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Bootstrap operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
VO_MIN over input voltage range. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Block diagram of the loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Transconductance embedded error amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Leading network example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Module plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Phase plot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Layout example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Switching losses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Minimum VFB for effective pulse-by-pulse protection over VIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
IL diverging triggers hiccup protection (VIN = 48 V). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Current and frequency foldback triggered when VFB<300 mV (red trace) . . . . . . . . . . . . . 31
Minimum VFB for effective pulse-by-pulse protection over VIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Short-circuit current VIN = 24 V (IL_PK = IFOLD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Short-circuit current VIN = 43 V (IL_PK > IFOLD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Start up in short circuit condition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Over current protection triggers the frequency foldback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Over current protection triggers the current and frequency foldback . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Demonstration board application circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
PCB layout (component side) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
PCB layout (bottom side) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Line regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Load regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
RDSon vs. temperature (VIN = 12 V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
VFB vs. temperature (VIN = 12 V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
fSW vs. temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Quiescent current vs. temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
Shutdown current vs. temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Duty cycle max vs. temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Efficiency vs. IOUT (VIN 12 V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
TJ vs. IOUT (VIN 12 V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Efficiency vs. IOUT (VIN 24 V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
TJ vs. IOUT (VIN 24 V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Efficiency vs. IOUT (VIN 32 V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
TJ vs. IOUT (VIN 32 V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1 A to 3 A load transient (VIN 12 V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Zoom - 1 A to 3 A load transient (VIN 12 V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Zoom - 1 A to 3 A rising edge load transient (VIN 12 V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1 A to 3 A falling edge load transient (VIN 24 V) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
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