Hur man uppnår effektiv styrning av ström i konstruktioner med begränsat utrymme

Bärbara enheter som hörlurar, smarta klockor, glasögon för förstärkt verklighet (AR)/virtuell verklighet (VR) och hörapparater blir allt mindre och mer diskreta. Samtidigt kräver dessa tillämpningar bättre funktionalitet, inklusive artificiell intelligens (AI). Trenderna skapar problem med termisk hantering för konstruktörerna. Utöver detta behövs längre batteritid för en positiv användarupplevelse vilket gör att högeffektiva konstruktioner är nödvändiga. Att balansera denna kombination av ofta motstridiga konstruktionskrav utmanar konstruktörer att tänka om vid valet av komponenter för att minimera utrymmet på kretskortet och samtidigt maximera tiden mellan laddningarna.

För att hjälpa konstruktörer har MOSFET:ar i miniatyrformat och med mycket låg "på"-resistans utvecklats. Enheterna har även en utmärkt värmeledningsförmåga som gör det lättare att kontrollera värmeavledningen. Vissa enheter har till och med ett inbyggt skydd mot elektrostatiska urladdningar (ESD).

Artikeln diskuterar kortfattat de utmaningar som konstruktörer av små, smarta, batteridrivna enheter ställs inför. Därefter visas hur utmaningarna kan lösas med hjälp av MOSFET-enheter i miniatyrformat från Nexperia, med fokus på enheternas egenskaper och deras möjlighet till tillämpning i mycket små bärbara konstruktioner.

Utmaningarna med att konstruera mycket små bärbara enheter

Digitala klockor, hörlurar och smarta smycken, tillsammans med andra bärbara enheter i miniatyrstorlek, innebär flera utmaningar för konstruktörer, särskilt när det gäller storlek, strömförbrukning och värmehantering. Utmaningarna blir allt fler i takt med att högre nivåer av funktionalitet, t.ex. AI, erbjuds för att engagera slutanvändarna. Förutom att hitta plats för microcontrollers, batterier, Bluetooth-transceivra, högtalare och displayelektronik måste konstruktörer nu lägga till en neural bearbetningskapacitet.

Med ökande funktionalitet följer behovet av avancerade metoder för att minimera strömförbrukningen och förlänga batteritiden. Styrning av strömförbrukning innebär att kretselement som inte används stängs av, men dessa kretsar måste vara redo att slås på snabbt när de behövs. Även om det är effektivt att slå på och av strömmen, kräver det låg resistans i switchningsenheterna för att minska effektförluster och värmeutveckling. Den effektiva hanteringen av den värme som genereras. försvåras av det kompakta formatet hos enheterna, vilket ytterligare betonar vikten av högeffektiva komponenter med liten förlust.

Med hjälp av sin mångåriga erfarenhet av tillverkning av diskreta halvledarkomponenter har Nexperia kunnat minska storleken på sina MOSFET:ar för att uppfylla dessa ofta motstridiga krav i sin DFN-serie (discrete flat no lead) (figur 1).

Figur 1: MOSFET-enheter i DFN-kapsling från Nexperia-familjen, som påvisar en reducering av storlek och ytbehov, ner till DFN0603. (Bildkälla: Nexperia)

DFN0603 levereras i en kapsling med måtten 0,63 x 0,33 x 0,25 mm. Den viktigaste förändringen jämfört med den tidigare modellen är att höjden har minskats till 0,25 mm - utan att funktionaliteten har försämrats. Dessutom har enheten en resistans från drain-till-source (R_DS(on)) som är 74 % lägre än i den föregånde kapslingen.

Denna nya serie i en kapsling med extremt låg profil innehåller fem MOSFET-enheter, både N- och P-kanal, med en spänning mellan drain och source (V_DS) på 20 till 60 V.

Förutom lägre effektförlust tack vare lägre tillslagsresistans har produktserien DFN0603 utmärkt värmeledning, vilket håller nere temperaturen på den monterade enheten.

Trench-MOSFET:ar

Den reducerade storleken, tillsammans med minskningen av R_DS(on), möjliggörs genom utformningen av enhetens trench-MOSFET (figur 2).

Figur 2: En tvärsnittsvy visar strukturen hos en trench-MOSFET med ström som flyter vertikalt mellan source och drain när enheten är i tillslaget läge. Den streckade linjen visar områden för kanaler. (Bildkälla: Art Pini)

Precis som andra MOSFET:ar har en cell i en trench-MOSFET en drain, gate och source, men kanalen bildas vertikalt, parallellt med gate-trenchen, med hjälp av fälteffekten. Detta medför att strömriktningen är vertikal, från source till drain. Jämfört med en plan enhet, som sprids horisontellt och tar upp en hel del yta, är denna struktur mycket kompakt, vilket möjliggör ett mycket stort antal intilliggande celler i kiselkretsen. Alla celler är parallellkopplade för att minska värdet på R_DS(on) och öka drain-strömmen.

MOSFET-familjen DFN0603 från Nexperia

DFN0603-serien från Nexperia innehåller fem enheter - fyra MOSFET:ar med N-kanaler och en MOSFET med P-kanal (figur 3), med gränser för V_DS på 20 till 60 V. Alla använder samma fysiska kapsling som har en gräns för total effektförlust på 300 mW.

Figur 3: Här visas specifikationerna för fem DFN0603 MOSFET:ar med extremt låga strömnivåer avsedda för mobila och bärbara tillämpningar. (Bildkälla: Nexperia)

Där:

V_DS = Den maximala spänningen från drain-till-source, i volt.

V_GS = Den maximala spänningen från gate-till-source, i volt.

I_D = Den maximala drain-strömmen i ampere.

V_GSth = Den minsta och maximala tröskelspänningen från gate-till-source. Det här är den spänning som krävs över anslutningarna för gate och source för att MOSFET:en ska börja aktiveras. De lägsta och högsta värdena tar hänsyn till processvariationer.

ESD = ESD-skyddsnivån i kV, om ESD ingår.

R_DS(on) = Resistansen från drain-till-source i mΩ vid den angivna spänningen från gate-till-source.

PMX100UNEZ och PMX100UNZ är liknande MOSFET:ar med N-kanal på 20 V. Den stora skillnaden är att PMX100UNEZ är ESD-skyddad upp till 2 kV, medan PMX100UNZ inte är det. Den senare har en högre maximal spänning från gate-till-source. De har en resistans från drain-to-source på 130 respektive 122 mΩ vid en spänning från gate-till-source på 4,5 V och maximala drain-strömmar på 1,4 respektive 1,3 A.

PMX400UPZ är en enhet med P-kanal och har en maximal spänning från drain-till-source på 20 V. Den har en något lägre specifikation för maximal drain-ström på 0,9 A och en resistans för drain-till-source på 334 mΩ vid en spänning för gate-till-source på 4,5 V jämfört med enheterna med N-kanaler.

PMX300UNEZ med N-kanal har en maximal spänning för drain-till-source på 30 V. Eftersom alla DFN0603 MOSFET:ar har en maximal effekt på 300 mW, innebär en ökning av spänningen från drain-till-source att den maximala drain-strömmen blir lägre, 0,82 A i det här fallet. Resistansen från drain-till-source är 190 mΩ vid en spänning för gate-till-source på 4,5 V.

PMX700ENZ med N-kanal har den högsta spänningen från drain-till-source på 60 V. Den maximala drain-strömmen är 0,3 A och resistansen från drain-till-source är 760 mΩ med en drivspänning för gate-till-source på 4,5 V.

DFN0603-enheterna har en maximal nominell effektförlust på 300 mW och ett driftstemperaturområde på -55 ˚C till +150 ˚C.

MOSFET för effekt- och lastswitchning

Mycket små bärbara produkter är vanligtvis batteridrivna. För att minska strömförbrukningen och garantera ett långt intervall mellan laddningarna måste kretsar slås på och av när de inte används. Omkopplarna måste ha låg förlust i aktivt läge för att garantera en låg energiförbrukning och lågt läckage i frånkopplat läge. Lastomkopplare kan implementeras med MOSFET:ar som switchningsenheter. De kan enkelt styras genom att applicera en lämplig spänning på gatedrivkretsen. Lastomkopplare kan konfigureras med MOSFET:ar som har antingen P-kanal eller N-kanal (figur 4).

Figur 4: Lastomkopplare placerade på primärsidan mellan strömkällan och lasten, kan implementeras med MOSFET:ar som har antingen P-kanal eller N-kanal med lämpliga gatedrivsignaler. (Bildkälla: Nexperia)

Om en MOSFET med P-kanal används, kommer ett lågt grindvärde att slå på omkopplaren och möjliggöra strömflöde till lasten. Kretsen för N-kanalen kräver en spänning som är högre än inspänningen för att MOSFET:en ska aktiveras helt. Om en hög spänningssignal inte är tillgänglig kan en laddningspump användas för att driva N-kanalens grind. Detta gör kretsen mer avancerad men eftersom MOSFET:ar med N-kanaler har lägre R_DS(on) för en given storlek än en P-kanal kan det vara värt kompromissen. Ett annat alternativ är att använda en MOSFET med N-kanal som en omkopplare på sekundärsidan mellan lasten och jord, vilket minskar den nödvändiga grindspänningen.

Oavsett hur lastomkopplaren är implementerad är spänningsfallet över MOSFET:en lika med produkten av drain-strömmen och R_DS(on). Effektförlusten är produkten av drain-strömmen i kvadrat och R_DS(on). En PMX100UNE, som arbetar med en maximal drain-ström på 0,7 A, skulle ha en effektförlust på endast 58 mW tack varekanalresistansen på 120 mΩ. Därför är det så viktigt att uppnå lägsta möjliga värde för R_DS(on) vid utformning av bärbara enheter. Lägre energiförlust innebär en lägre temperaturökning och längre batteritid.

Lastomkopplare till MOSFET:ar kan även användas för att blockera backströmmar som kan uppstå vid ett feltillstånd, som t.ex. en kortslutning av laddningsingången. Detta utförs genom att placera två MOSFET:ar i serie med omvänd polaritet (figur 5).

Figur 5: Här visas en backströmsskyddad lastomkopplare som använder en konfiguration med common-drain-krets och MOSFET:ar med P-kanaler. (Bildkälla: Nexperia)

Skydd för backström i en lastomkopplare kan också implementeras med hjälp av ett arrangemang med gemensam källa. Arrangemanget kräver tillgång till den gemensamma källpunkten för att åstadkomma en urladdning av grinden efter tillslag.

Tillämpningar i produkter

Bra exempel på nya bärbara enheter är AR- och VR-glasögon. Dessa enheter kräver högeffektiva komponenter med låg effektförlust och liten fysisk storlek. De använder ett antal MOSFET-enheter som omkopplare och för omvandling av ström (figur 6).

Figur 6: MOSFET:ar har en avgörande roll som lastomkopplare, boost-omvandlare och batteriomkopplare vid utformning av AR/VR-glasögon (markerade inom de orangea fälten). (Bildkälla: Nexperia)

Denna typ av bärbar enhet måste balansera extremt långa laddningsintervaller med den "alltid på"-funktionalitet som användarna förväntar sig. MOSFET-omkopplarna används för att stänga av delar av enheten när dessa inte används. Notera omkopplarna: dessa är implementerade med MOSFET:ar som kopplar i och ur RF-front-end och högtalaren. Vid styrning av ström används MOSFET:ar som batteriomkopplare och för att ansluta till en extern strömkälla för kabelansluten laddning. De används också i en switchad boost-kraftomvandlare för bildskärmen.

Sammanfattning

För konstruktörer av mycket små bärbara enheter och andra enheter med begränsat utrymme samt begränsad strömförbrukning, erbjuder DFN0603 MOSFET:ar i miniatyrformat från Nexperia, med bästa möjliga R_DS(on) i klassen, vilket krävs för implementering av nästa generations konstruktioner. De är perfekta komponenter för användning som lastomkopplare, batteriomkopplare och i switchade effektomvandlare.