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B220

器件型号:B220
器件类别:半导体    分立半导体   
厂商名称:Monolithic Power Systems (MPS)
厂商官网:https://www.monolithicpower.com
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B220器件文档内容

                                                TM                      MP1591

The Future of Analog IC Technology TM                                          2A, 32V, 330KHz
                                                                       Step-Down Converter
DESCRIPTION
                                                    FEATURES
The MP1591 is a high voltage step-down
converter ideal for automotive power adapter         Wide 6.5V to 32V Input Operating Range
battery chargers. Its wide 6.5V to 32V input         34V Absolute Maximum Input
voltage range covers the automotive battery's       2A Output Current
requirements and it achieves 2A continuous          120m Internal Power MOSFET Switch
output for quick charge capability.                  Stable with Low ESR Output Ceramic

Current mode operation provides fast transient          Capacitors
response and eases loop stabilization. Fault         Up to 95% Efficiency
protection includes cycle-by-cycle current          20A Shutdown Mode
limiting and thermal shutdown. In shutdown          Fixed 330KHz Frequency
mode, the converter draws only 20A of supply       Thermal Shutdown
current.                                             Cycle-by-Cycle Over Current Protection
                                                    Output Adjustable From 1.23V to 21V
The MP1591 requires a minimum number of             Under Voltage Lockout
readily available external components to             Reference Voltage Output
complete a 2A step-down DC to DC converter          Available in 8-Pin SOIC Packages
solution.
                                                    APPLICATIONS
EVALUATION BOARD REFERENCE
                                                    Automotive Power Adapters
Board Number                     Dimensions          PDA and Cellular Phone Battery Chargers
     EV0020                 2.1"X x 1.4"Y x 0.5"Z    Distributed Power Systems
                                                    Automotive Aftermarket Electronics

                                                    "MPS" and "The Future of Analog IC Technology" are Trademarks of Monolithic
                                                    Power Systems, Inc.

TYPICAL APPLICATION

                                           C2                                                         Efficiency vs
                                          10nF                                                        Load Current

      INPUT                                                                                       100
6.5V to 32V                                                                                                VOUT=5V

                                                                                                   90

                    2               1                                                             80     VOUT=3.3V

                 7      IN          BS 3                OUTPUT                    EFFICIENCY (%)
                                      SW                2.5V
   OFF ON           EN                                  2A                                        70

       OPEN                 MP1591              D1  MP1591_TAC_S01
NOT USED
                 8                  FB 5                                                          60
                     REF

                    GND             COMP                                                          50

                    4               6

                                       C4                                                         40
                                       4.7nF
                              C3                                                                  30                 VIN=12V
                          OPEN

                                                                                                  20     0.5  1      1.5      2
                                                                                                      0

                                                                                                         LOAD CURRENT (A)

                                                                                                                     MP1591_EC01

MP1591 Rev. 2.1                                 www.MonolithicPower.com                                                           1

12/5/2005           MPS Proprietary Information. Unauthorized Photocopy and Duplication Prohibited.

                                                 2005 MPS. All Rights Reserved.
                 TM

                                                            MP1591 2A, 32V, 330KHz STEP-DOWN CONVERTER

PACKAGE REFERENCE                                                 ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS (1)

                 TOP VIEW                                         IN Supply Voltage........................ 0.3V to +34V
                                                                  SW Voltage............................. 1V to VIN + 0.3V
            BS 1                    8 REF                         BS Voltage ....................VSW 0.3V to VSW + 6V
                                    7 EN                          All Other Pins................................. 0.3V to +6V
             IN 2                   6 COMP                        Junction Temperature...............................150C
                                    5 FB                          Lead Temperature ....................................260C
           SW 3                                                   Storage Temperature ..............65C to +150C
                              MP1591_PD01-SOIC8/N
         GND 4                                                    Recommended Operating Conditions (2)

      EXPOSED PAD                                                 Input Voltage ................................... 6.5V to 32V
       ON BACKSIDE                                                Operating Temperature .............40C to +85C
      (SOIC8N ONLY)
CONNECT TO PIN 4                                                  Thermal Resistance (3) JA JC

Part Number*     Package             Temperature                  SOIC8 (w/ Exposed Pad) ....... 50 ...... 10... C/W
                                                                  SOIC8..................................... 90 ...... 45... C/W
MP1591DN         SOIC8N              40C to +85C
MP1591DS          SOIC8              40C to +85C               Notes:
                                                                  1) Exceeding these ratings may damage the device.
* For Tape & Reel, add suffix Z (eg. MP1591DNZ)                 2) The device is not guaranteed to function outside of its

   For Lead Free, add suffix LF (eg. MP1591DNLFZ)                   operating conditions.
                                                                  3) Measured on approximately 1" square of 1 oz copper.

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

VIN = 12V, TA = +25C, unless otherwise noted.

Parameter                            Symbol Condition                                 Min                Typ   Max    Units
                                                                                     1.202                20     35    A
Shutdown Supply Current                               VEN = 0V                        500                1.0    1.2    mA
Supply Current                                        VEN = 5V, VFB = 1.4V                              1.230  1.258    V
                                                                                      2.5                400           V/V
Feedback Voltage                                      6.5V  VIN  32V, VCOMP < 2V                         700   1100   A/V
Error Amplifier Voltage Gain                                                                             120           m
                                                                                                         8.5     10     
Error Amplifier Transconductance                      IC = 10A                                          0     4.9    A
High-Side Switch On Resistance (4)                                                                       3.6            A
Low-Side Switch On Resistance (4)

High-Side Switch Leakage Current                      VEN = 0V, VSW = 0V
Current Limit (5)

Current Sense to COMP                                                                                   3.5           A/V
Transconductance

Oscillation Frequency                                                                280 330 380 KHz

Short Circuit Oscillation Frequency                   VFB = 0V                                          35            KHz
Maximum Duty Cycle (4)                                VFB = 1.0V
Minimum Duty Cycle (4)                                VFB = 1.5V                                        90            %

EN Shutdown Threshold Voltage                                                                                  0      %

                                                                                     0.8 1.2 1.6                      V

Enable Pull-Up Current                                VEN = 0V                                          1.8           A
EN UVLO Threshold                                     VEN Rising
EN UVLO Threshold Hysteresis                                                         2.4 2.6 2.8                      V

                                                                                                        250           mV

MP1591 Rev. 2.1                                       www.MonolithicPower.com                                              2

12/5/2005              MPS Proprietary Information. Unauthorized Photocopy and Duplication Prohibited.

                                                    2005 MPS. All Rights Reserved.
                 TM

                                                            MP1591 2A, 32V, 330KHz STEP-DOWN CONVERTER

ELECTRICAL CHARACTERISTICS (continued)

VIN = 12V, TA = +25C, unless otherwise noted.

Parameter                         Symbol Condition                               Min Typ Max Units
Thermal Shutdown (4)
                                                                                                       160   C

REF Voltage                                      IREF = 0                                              5.0   V
REF Load Regulation (4)
REF Line Regulation (4)                          IREF = 0 to 1mA                                       100   mV

                                                 IREF = 100A, VIN = 6.5 to 32V                        30    mV

Notes:
4) These parameters are guaranteed by design, not production tested.
5) Equivalent output current = 1.5A  50% Duty Cycle

                                          2.0A  50% Duty Cycle
     Assumes ripple current = 30% of load current.
     Slope compensation changes current limit.

PIN FUNCTIONS

Pin # Name Description

1          BS High-Side Gate Drive Boost Input. BS supplies the drive for the high-side N-Channel MOSFET

                 switch. Connect a 10nF or greater capacitor from SW to BS to power the high-side switch.

2          IN Power Input. IN supplies the power to the IC, as well as the step-down converter switches.

                 Drive IN with a 6.5V to 32V power source. Bypass IN to GND with a suitably large capacitor to

                 eliminate noise on the input to the IC. See Input Capacitor.

3          SW Power Switching Output. SW is the switching node that supplies power to the output. Connect

                 the output LC filter from SW to the output load. Note that a capacitor is required from SW to BS

                 to power the high-side switch.

4 GND Ground. For the MP1591DN, connect the Exposed Pad to pin 4.

5          FB Feedback Input. FB senses the output voltage to regulate that voltage. Drive FB with a resistive

                 voltage divider from the output voltage. The feedback threshold is 1.230V. See Setting the

                 Output Voltage.

6 COMP Compensation Node. COMP is used to compensate the regulation control loop. Connect a
                   series RC network from COMP to GND to compensate the regulation control loop. In some
                   cases, an additional capacitor from COMP to GND is required. See Compensation.

7          EN Enable/UVLO. A voltage greater than 2.8V enables operation. For complete low current

                 shutdown the EN pin voltage needs to be less than 800mV.

8 REF Reference Output. REF is the 5V reference voltage output. It can supply up to 1mA to external
                   circuitry. If used, bypass REF to GND with 10nF or greater capacitor. Leave REF unconnected
                   if not used.

MP1591 Rev. 2.1                   www.MonolithicPower.com                                                        3

12/5/2005             MPS Proprietary Information. Unauthorized Photocopy and Duplication Prohibited.

                                  2005 MPS. All Rights Reserved.
                 TM

                                                            MP1591 2A, 32V, 330KHz STEP-DOWN CONVERTER

OPERATION                                                                        The voltage at COMP is compared to the switch
                                                                                 current measured internally to control the output
The MP1591 is a current mode step-down                                           voltage. The converter uses an internal
regulator. It regulates input voltages from 6.5V                                 N-Channel MOSFET switch to step-down the
to 32V down to an output voltage as low as                                       input voltage to the regulated output voltage.
1.230V and is able to supply up to 2A of load                                    Since the MOSFET requires a gate voltage
current.                                                                         greater than the input voltage, a boost capacitor
                                                                                 connected between SW and BS drives the gate.
The MP1591 uses current-mode control to                                          The capacitor is internally charged while SW is
regulate the output voltage. The output voltage                                  low. An internal 10 switch from SW to GND is
is measured at FB through a resistive voltage                                    used to insure that SW is pulled to GND when
divider and amplified through the internal error                                 the switch is off to fully charge the BS capacitor.
amplifier. The output current of the
transconductance error amplifier is presented at
COMP where a network compensates the
regulation control system.

   IN 2                 5V INTERNAL                                          CURRENT
REF 8                        REGULATORS
                                                                                 SENSE
EN 7                                          OSCILLATOR
                                                                     SLOPE   AMPLIFIER  +
                                                                      COMP
                                                                                        --
                                                 35/330KHz
                                                                        CLK  +          SQ                          1 BS
                                                                                                           M1
                   +
                                                                                                                    3 SW
                                                                                        RQ                 M2

           1.2V --         SHUTDOWN                                          --      CURRENT                        4 GND
                      --  COMPARATOR
                                                                                 COMPARATOR                                      MP1591_BD01
                              LOCKOUT
                          COMPARATOR

                                                                                        1.8V

           2.60V/  +      +            --
           2.35V

            FREQUENCY     -- 0.7V 1.230V + ERROR
             FOLDBACK                                       AMPLIFIER
           COMPARATOR
                             5 FB                                            6 COMP

                             Figure 1--Functional Block Diagram

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APPLICATION INFORMATION                               The inductance value can be calculated by the
                                                      equation:
COMPONENT SELECTION
                                                                               L1  =  VOUT    (VIN        -  VOUT )
Setting the Output Voltage                                                                     (VIN          f I)
The output voltage is set using a resistive
voltage divider from the output voltage to FB.        Where VIN is the input voltage, f is the switching
The voltage divider divides the output voltage        frequency and I is the peak-to-peak inductor
down by the ratio:                                    ripple current.

                 VFB   =  VOUT   R2
                                  (R1 + R2)

Where VFB is the feedback voltage and VOUT is         Table 1 lists a number of suitable inductors
the output voltage.                                   from various manufacturers.

                                                                      Table 1--Inductor Selection Guide

Thus the output voltage is:                                                                                      Package
                                                                                                              Dimensions
                 VOUT  = 1.230 (R1+ R2)             Vendor/                  Core           Core
                                        R2             Model                   Type         Material               (mm)

                                                                                                              WLH

A typical value for R2 can be as high as 100k,        Sumida
but 10k is recommended. Using that value, R1
is determined by:                                     CR75                     Open Ferrite 7.0 7.8 5.5

           R1  8.18 (VOUT - 1.230)                  CDH74 Open Ferrite 7.3 8.0 5.2

                                                      CDRH5D28 Shielded Ferrite 5.5 5.7 5.5

For example, for a 3.3V output voltage, R2 is         CDRH5D28 Shielded Ferrite 5.5 5.7 5.5
10k, and R1 is 17k.
                                                      CDRH6D28 Shielded Ferrite 6.7 6.7 3.0

Inductor (L1)                                         CDRH104R Shielded Ferrite 10.1 10.0 3.0
The inductor is required to supply constant
current to the output load while being driven by      Toko
the switched input voltage. A larger value
inductor results in less ripple current that results  D53LC                    Shielded Ferrite               5.0 5.0 3.0
in lower output ripple voltage. However, the          Type A
larger value inductor has a larger physical size,
higher series resistance, and/or lower                D75C Shielded Ferrite 7.6 7.6 5.1
saturation current. Choose an inductor that
does not saturate under the worst-case load           D104C Shielded Ferrite 10.0 10.0 4.3
conditions. A good rule to use for determining
the inductance is to allow the peak-to-peak           D10FL Open Ferrite 9.7 1.5 4.0
ripple current in the inductor to be
approximately 30% of the maximum load                 Coilcraft
current that the IC can provide. Also, make sure
that the peak inductor current (the load current      DO3308 Open Ferrite 9.4 13.0 3.0
plus half the peak-to-peak inductor ripple
current) is below the 2.3A minimum current            DO3316 Open Ferrite 9.4 13.0 5.1
limit.
                                                      Input Capacitor (C1)
                                                      The input current to the step-down converter is
                                                      discontinuous, and so a capacitor is required to
                                                      supply the AC current to the step-down
                                                      converter while maintaining the DC input
                                                      voltage. A low ESR capacitor is required to
                                                      keep the noise at the IC to a minimum. Ceramic
                                                      capacitors are preferred, but tantalum or low
                                                      ESR electrolytic capacitors may also suffice.

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The input capacitor value should be greater          Output Rectifier Diode (D1)
than 10F. The capacitor can be electrolytic,        The output rectifier diode supplies the current to
tantalum or ceramic. However, since it absorbs       the inductor when the high-side switch is off. To
the input switching current it requires an           reduce losses due to the diode forward voltage
adequate ripple current rating. Its RMS current      and recovery times, use a Schottky rectifier.
rating should be greater than approximately 1/2
of the DC load current.                              Table 2 provides some recommended Schottky
                                                     rectifiers based on the maximum input voltage
For insuring stable operation C1 should be           and current rating.
placed as close to the IC as possible.
Alternately, a smaller high quality ceramic                               Table 2--Diode Selection Guide
0.1F capacitor may be placed closer to the IC
and a larger capacitor placed farther away. If        VIN                          2A Load Current     3A Load Current
using this technique, it is recommended that the     (Max)
larger capacitor be a tantalum or electrolytic                                       Part   Vendor       Part    Vendor
type. All ceramic capacitors should be placed                                      Number              Number
close to the MP1591.
                                                     15V                           30BQ15   4

                                                                                   B220     1          B320               1

                                                     20V                           SK23     6          SK33               1, 6

                                                                                   SR22     6          SS32               3

Output Capacitor (C5)                                                              20BQ030  4          B330               1
The output capacitor is required to maintain the
DC output voltage. Low ESR capacitors are                                          B230     1          B340L              1
preferred to keep the output voltage ripple low.
The characteristics of the output capacitor also     30V                           SK23     6          MBRD330 4, 5
affect the stability of the regulation control
system. Ceramic, tantalum or low ESR                                               SR23     3, 6       SK33               1, 6
electrolytic capacitors are recommended. In the
case of ceramic capacitors, the impedance at                                       SS23     2, 3       SS33               2, 3
the switching frequency is dominated by the
capacitance, and so the output voltage ripple is                                   21DQ04   4          B340L              1
mostly independent of the ESR. The output
voltage ripple is estimated to be:                   34V MBRS240L                           5          MBRS340            4

                                                                                   SK24     6          SK34               1, 6

                                                                                   SS24     2, 3       SS34               2, 3

                                                     Table 3 lists manufacturer's websites.

                                                     Table 3--Schottky Diode Manufacturers

                                                     # Vendor                                          Web Site

                                              2      1 Diodes, Inc.                                    www.diodes.com

           VRIPPLE    1.4    VIN      fLC          2 Fairchild Semiconductor www.fairchildsemi.com
                                        fSW
                                                     3 General Semiconductor www.gensemi.com

Where VRIPPLE is the output ripple voltage, fLC is   4 International Rectifier www.irf.com
the resonant frequency of the LC filter, fSW is the
switching frequency.                                 5 On Semiconductor                                www.onsemi.com

In the case of tantalum or low-ESR electrolytic      6 Pan Jit International                           www.panjit.com.tw
capacitors, the ESR dominates the impedance
at the switching frequency, and so the output        Choose a rectifier whose maximum reverse
ripple is calculated as:                             voltage rating is greater than the maximum
                                                     input voltage, and whose current rating is
                 VRIPPLE  I RESR                   greater than the maximum load current.

Where VRIPPLE is the output voltage ripple and
RESR is the equivalent series resistance of the
output capacitors.

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Compensation                                           The system crossover frequency fC, (the
The system stability is controlled through the         frequency where the loop gain drops to 1, or
COMP pin. COMP is the output of the internal           0dB) is important. A good rule of thumb is to set
transconductance error amplifier. A series             the crossover frequency to approximately one
capacitor-resistor combination sets a pole-zero        tenth of the switching frequency. In this case,
combination to control the characteristics of the      the switching frequency is 330KHz, so use a
control system. The DC loop gain is:                   crossover frequency of 33KHz. Lower
                                                       crossover frequencies result in slower response
           A VDC  =  VREF      A VEA   GCS   RLOAD  and worse transient load recovery. Higher
                     VOUT                              crossover frequencies can result in instability.

Where VREF is the feedback threshold voltage,          Choosing the Compensation Components
1.230V, AVEA is the transconductance error             The values of the compensation components
amplifier voltage gain, 400 V/V, and GCS is the        given in Table 4 yield a stable control loop for
current sense gain (roughly the output current         the output voltage and given capacitor.

divided by the voltage at COMP), 3.5 A/V.

The system has 2 poles of importance; one is           Table 4--Compensation Values for Typical
due to the compensation capacitor (C4) and the          Output Voltage/Capacitor Combinations
other is due to the output capacitor (C5). These
are:                                                   VOUT                              C5       R3            C3    C4
                                                       2.5V                       22F Ceramic  3.9k           None  4.7nF
                                                                                                5.1k           None  3.9nF
                  fP1  =         GMEA                  3.3V 22F Ceramic                        7.5k           None  2.7nF
                                 A VEA                                                          18k            None  1.2nF
                           (2            C4)         5V 22F Ceramic                          8.2k           None  2.2nF
                                                                                                10k            None  2.2nF
Where fP1 is the first pole, and GMEA is the error     12V 22F Ceramic                         16k            None  1.5nF
amplifier transconductance (770S) and                                                          36k            None   1nF
                                                       2.5V 47F SP-Cap

                                     1                 3.3V 47F SP-Cap
                           (2 RLOAD
                  fP2  =                C5)          5V                         47F SP-Cap

The system has one zero of importance due to           12V 47F SP-Cap
the compensation capacitor (C4) and the
compensation resistor (R3) which is                    2.5V                     560F/6.3V, AL  100k 150pF 1nF
                                                       3.3V                       30m ESR
                                                        5V                                      120k 120pF 1nF
                                                       12V                      560F/6.3V, AL
                     f Z1  =          1                                           30m ESR       150k 82pF 1nF
                              (2 R3 C4)
                                                                                470F/10V, AL
If large value capacitors with relatively high                                    30m ESR       180k 33pF 1nF
equivalent-series-resistance (ESR) are used,
the zero due to the capacitance and ESR of the                                  220F/25V, AL
output capacitor can be compensated by a third                                    30m ESR
pole set by R3 and C3
                                                       Note: "AL" = Electrolytic

                     fP3   =          1
                              (2 R3 C3)

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To optimize the compensation components that       Example:
are not listed in Table 4, use the following
procedure.                                          VOUT = 5V, C5 = 22F Ceramic (ESR = 10m)
                                                          R3  6.88x107 (22x10-6) (5) = 7568
Choose the compensation resistor to set the
desired crossover frequency. Determine the         Use the nearest standard value of 7.5k.
value by the following equation:                              C4 > 1.93x10-5 / 7.5K = 2.57nF

           R3 = 2 C5 VOUT fC                 Use standard value of 2.7nF.
                   GEA GCS VREF
                                                   8 x C5 x RESR x fC = 0.22, which is less than 1.
Putting in the know constants and setting the      Therefore, no second compensation capacitor
crossover frequency to the desired 33KHz:          (C3) is required.

           R3  6.88 107 C5 VOUT              External Bootstrap Diode
                                                   It is recommended that an external bootstrap
Choose the compensation capacitor to set the       diode be added when the system has a 5V
zero below one fourth of the crossover             fixed input or the power supply generates a 5V
frequency. Determine the value by the following    output. This helps improve the efficiency of the
equation:                                          regulator. The bootstrap diode can be a low
                                                   cost one such as IN4148 or BAT54.
           C4 >  2            1.93 10 -5
                                                                                                         5V
                   R3 fC  R3

Determine if the second compensation                                                        BS       10nF
capacitor, C3, is required. It is required if the
ESR zero of the output capacitor occurs at less                               MP1591
than four times the crossover frequency, or
                                                                                            SW

                 8 C5 RESR fC  1                                                                                    MP1591_F02

If this is the case, then add the second                 Figure 2--External Bootstrap Diode
compensation resistor. Determine the value by
the equation:                                      This diode is also recommended for high duty
                                                   cycle operation (when VOUT >65%) and high
                 C3 = C5 RESR(MAX)
                                R3                                                       VIN

                                                   output voltage (VOUT>12V) applications.

Where RESR(MAX) is the maximum ESR of the
output capacitor.

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                 TM

                                                            MP1591 2A, 32V, 330KHz STEP-DOWN CONVERTER

TYPICAL APPLICATION CIRCUITS

                                                           C2
                                                          10nF

                       INPUT
                 6.5V to 32V

                                     2              1

                              7         IN          BS 3             OUTPUT
                                                      SW             2.5V
                    OFF ON       EN                                  2A

                        OPEN                MP1591               D1
                 NOT USED
                              8                        FB 5
                                  REF

                                 GND                COMP

                                     4                 6

                                             C3           C4
                                         OPEN             4.7nF

                                                                     MP1591_F03

                 Figure 3--MP1591 with Murata 22F / 10V Ceramic Output Capacitor

                                                           C2
                                                          10nF

                       INPUT
                 6.5V to 32V

                                 2                  1

                              7      IN             BS 3             OUTPUT
                                                      SW             2.5V
                    OFF ON       EN                                  2A

                        OPEN                MP1591               D1
                 NOT USED
                              8                     FB 5
                                  REF

                                 GND                COMP

                                 4                  6

                                            C3         C4
                                        OPEN           2.2nF

                                                                                                                                                                                                                                                                    MP1591_F04

           Figure 4--MP1591 with Panasonic 47F / 6.3V Special Polymer Output Capacitor

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PACKAGE INFORMATION

                                 SOIC8 OR SOIC8N (WITH EXPOSED PAD)

                               PIN 1 IDENT.                               0.229(5.820)
                                                                          0.244(6.200)

NOTE 2                            0.150(3.810)                                                                    0.0075(0.191)
0.110(2.794)                      0.157(4.000)                                                                    0.0098(0.249)
0.150(3.810)
                          0.013(0.330)          SEE DETAIL "A"
                          0.020(0.508)
                 0.050(1.270)BSC                                                    0.011(0.280) x 45o
                                                                                    0.020(0.508)

                 0.189(4.800)                                  0o-8o
                 0.197(5.004)
                               0.049(1.250)
                               0.060(1.524)                               0.016(0.410)            DETAIL "A"
                                                                          0.050(1.270)
0.053(1.350)                              SEATING PLANE
0.068(1.730)

                               0.001(0.030)
                               0.004(0.101)

NOTE:
1) Control dimension is in inches. Dimension in bracket is millimeters.
2) Heat Slug Option Only (N Package)

NOTICE: The information in this document is subject to change without notice. Please contact MPS for current specifications.
Users should warrant and guarantee that third party Intellectual Property rights are not infringed upon when integrating MPS
products into any application. MPS will not assume any legal responsibility for any said applications.

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