Sådan opnår du effektiv strømstyring i design med begrænset plads

Bærbare enheder som earbuds, smart-ure, AR (Augmented Reality) og VR (Virtual Reality) briller, samt høreapparater bliver mindre og mere diskrete. Samtidig kræver disse applikationer større funktionalitet, herunder AI (Artificial Intelligence). Disse tendenser skaber problemer med termisk styring for designere. Derudover er længere batterilevetid nødvendig for en positiv brugeroplevelse, så højeffektive designs er nødvendige. At balancere denne blanding af ofte modstridende designkrav udfordrer designere til at genoverveje komponentvalg for at minimere bordplads og samtidig maksimere tiden mellem opladninger.

For at hjælpe designerne er der kommet miniature-MOSFET'er med meget lav ON-modstand. Disse enheder har også en fremragende varmeledningsevne, der hjælper med at kontrollere varmeafgivelsen. Nogle enheder går så langt som til at indbygge beskyttelse mod elektrostatisk afladning (ESD).

Denne artikel diskuterer kort de udfordringer, som designere af små, smarte, batteridrevne enheder står over for. Derefter vises det, hvordan disse udfordringer kan løses ved hjælp af miniaturepakkede MOSFET' er fra Nexperia, der sættes fokus på enhedernes egenskaber og deres anvendelighed i mikrobærbare designs.

Udfordringerne ved design af bærbart mikro-udstyr

Digitale ure, earbuds og smart-smykker sammen med andre bærbare miniature-enheder udgør flere udfordringer for designere, især med hensyn til størrelse, strømforbrug og termisk styring. Udfordringerne bliver kun større i takt med, at der tilbydes højere niveauer af funktionalitet, såsom AI, for at engagere slutbrugerne. Ud over at finde plads til mikrocontrollere, batterier, Bluetooth-transceivere, højttalere og elektronik til displays, skal designerne nu tilføje en neural processor.

Med stigende funktionalitet følger behovet for avancerede metoder til minimering af strømforbruget for at forlænge batteriets levetid. Kontrol af strømforbruget omfatter slukning af kredsløbselementer, der ikke bruges, men disse kredsløb skal være klar til at blive tændt hurtigt, når der er brug for dem. Selvom det er effektivt at tænde og slukke for strømmen, kræver det lav modstand i koblingsenhederne for at reducere effekttab og varmeudvikling. Den effektive håndtering af den varme, der genereres, kompliceres af disse enheders kompakte formfaktor, hvilket kun understreger vigtigheden af højeffektive komponenter med lavt tab.

På baggrund af årtiers erfaring med produktion af diskrete halvlederkomponenter har Nexperia været i stand til at formindske størrelsen på sine MOSFET'er for at imødekomme disse ofte modstridende krav i sin DFN-serie (discrete flat no lead) (figur 1).

Figur 1: Nexperia-familien af DFN-pakkede MOSFET-enheder, der viser reduktionen i størrelse og monteringsstørrelse, ned til DFN0603. (Billedkilde: Nexperia)

DFN0603 kommer i en pakke, der måler 0,63 x 0,33 x 0,25 millimeter (mm). Den mest markante ændring i forhold til den tidligere viste model er reduktionen af højden ned til 0,25 mm, uden nogen form for forringelse af funktionaliteten. Derudover har enheden en drain-to-source on-modstand (RDS_(on)), der er 74 % mindre end den tidligere pakke.

Denne nye pakke med ultra-lav profil indeholder fem MOSFET-enheder, både N-kanal og P-kanal, med en nominel drain-to-source spænding (V_DS) på 20 til 60 volt.

Ud over det lavere strømforbrug, som den lavere on-modstand muliggør, har DFN0603-produktserien en fremragende varmeledning, som holder temperaturen på den monterede enhed lav.

Trench-MOSFET'er

Denne reduktion i størrelse, sammen med reduktionen i RDS_(on), er muliggjort af enhedens trench-MOSFET design (figur 2).

Figur 2: Et tværsnit viser strukturen af en trench MOSFET, hvor strømmen flyder lodret mellem source og drain, når enheden er tændt. Den stiplede linje viser kanalområderne. (Billedkilde: Art Pini)

Ligesom andre MOSFET'er har en trench-MOSFET celle et dræn, en gate og en source, men kanalen dannes vertikalt, parallelt med gate-grøften, ved hjælp af felteffekten. Som følge heraf er strømmens retning lodret, fra source til drain. Sammenlignet med en plan enhed, som er spredt horisontalt og optager en hel del overfladeareal, er denne struktur meget kompakt, hvilket tillader et meget stort antal tilstødende celler i siliciumformen. Alle cellerne er forbundet til at arbejde parallelt for at reducere værdien af R_DS(on) og øge dræn-strømmen.

Nexperia DFN0603 MOSFET-familien

Nexperia DFN0603-serien omfatter fem enheder. Fire N-kanal MOSFET'er og en enkelt P-kanal MOSFET (figur 3), med V_DS-grænser på 20 til 60 volt. Alle bruger den samme fysiske indpakning, der har en samlet spildsgrænse af effekt på 300 milliwatt (mW).

Figur 3: Her ses specifikationerne for fem DFN0603 MOSFETS med ultralav effekt beregnet til mobile og bærbare applikationer. (Billedkilde: Nexperia)

Hvor:

V_DS = Den maksimale dræn-til-kilde spænding, i volt.

V_GS = Den maksimale gate-til-kilde spænding, i volt.

I_D = Den maksimale drain-strøm i ampere.

V_GSth = Den minimale og maksimale gate-til-kilde tærskelspænding. Dette er den spænding, der kræves over gate- og kilde-terminalerne for at begynde at tænde MOSFET'en. Minimums- og maksimumsværdierne tager højde for procesvariationer.

ESD = ESD-beskyttelsesniveauet i kilovolt (kV), hvis ESD er inkluderet.

R_DS(on) = dræn-til-kilde modstanden i milliohm (mΩ) ved den angivne gate-til-kilde spænding.

The PMX100UNEZ and PMX100UNZ er ligende 20 volt N-channel MOSFET'er. Den største forskel er, at PMX100UNEZ er ESD-beskyttet op til 2 kV, mens PMX100UNZ ikke er det. Sidstnævnte har en højere maksimal gate-til-kilde spænding. De opnår en dræn-til-kilde modstand ved en gate-til-kilde modstand på 130 mΩ og 122 mΩ ved en gate-til-kilde spænding på 4,5 volt og en maksimal dræn-strøm på henholdsvis 1,4 ampere (A) og 1,3 A.

PMX400UPZ er en P-kanal enhed og er klassificeret til en maksimal drain-to-source spænding på 20 volt. Den har en lidt lavere specifikation for maksimal drain-strøm på 0,9 A og en drain-til-source-modstand på 334 mΩ ved en gate-til-source-spænding på 4,5 volt sammenlignet med N-kanal-enhederne.

N-kanal PMX300UNEZ er klassificeret til en maksimal drain-to-source-spænding på 30 volt. Da alle DFN0603 MOSFET'er har en maksimal effekt på 300 mW, betyder en forøgelse af drain-to-source-spændingen, at den maksimale drain-strøm er lavere, 0,82 ampere i dette tilfælde. Drain-til-source-modstanden er 190 mΩ ved en gate-til-source-spænding på 4,5 volt.

N-kanal PMX700ENZ har den højeste drain-to-source-spænding på 60 volt. Den maksimale drain-strøm er 0,3 A, og dens drain-til-source-modstand er 760 mΩ med en gate-til-source-drivspænding på 4,5 volt.

Sammen med deres maksimale nominelle effekttab på 300 mW har alle DFN0603-enhederne et driftstemperaturområde på -55˚C til +150˚C.

MOSFET effekt- og belastningskobling

Mikro-wearables er oftest batteridrevne. For at reducere strømforbruget og sikre lange opladningsintervaller er det nødvendigt at tænde og slukke for kredsløbselementerne, når de ikke er i brug. Disse switche skal have lavt tab i tændt tilstand for at sikre lav strømspredning og have lav lækage i slukket tilstand. Belastnings-afbrydere kan implementeres med MOSFET'er som koblingsenheder. De er nemme at styre ved at tilføre en passende spænding til gate-drive kredsløbet. Belastnings-switches kan konfigureres med enten P-kanal eller N-kanal MOSFET'er (figur 4).

Figur 4: Høj-side belastnings-switche, placeret mellem strømkilden og belastningen, kan implementeres med enten P-kanal eller N-kanal MOSFET'er ved hjælp af passende gate-drive signaler. (Billedkilde: Nexperia)

Hvis der bruges en P-kanal MOSFET, vil det at trække gaten lavt tænde for kontakten og muliggøre strømflow ind i belastningen. N-kanal kredsløbet kræver en spænding, der er højere end indgangsspændingen, for at MOSFET'en kan tændes helt. Hvis der ikke er et højspændingssignal til rådighed, kan man implementere en ladepumpe til at drive N-kanalens gate. Det gør kredsløbet mere komplekst, men da N-kanal MOSFET'er har lavere _DS(on) for en given størrelse end en P-kanal enhed, kan det være kompromiset værd. Et andet alternativ ville være at bruge N-kanal MOSFET som en lav-side switch mellem belastningen og jorden, hvilket reducerer den nødvendige gate-spænding.

Uanset hvordan belastningskontakten er implementeret, er spændingsfaldet over MOSFET'en lig med produktet af drain-strømmen og R_DS(on). Effekttabet er produktet af drain-strømmen i kvadrat og R_DS(on). Derfor vil en PMX100UNE, der arbejder med en maksimal drainstrøm på 0,7 A, kun have et effekttab på 58 mW på grund af kanalmodstanden på 120 mΩ. Det er derfor, det er så vigtigt at opnå den lavest mulige værdi af R_DS(on) i designet af bærbare og bærbare enheder. Mindre strømtab betyder lavere temperaturstigning og længere batterilevetid.

MOSFET-belastningsafbrydere kan også bruges til at blokere returstrømme, der kan opstå under en fejltilstand, som f.eks. en kortslutning ved opladningsindgangen. Dette gøres ved at placere to MOSFET'er i serie med omvendt polaritet (figur 5).

Figur 5: Her ses en omvendt strømbeskyttet belastningskontakt med en common-dræn kredsløbskonfiguration og P-kanal MOSFET'er. (Billedkilde: Nexperia)

Omvendt strømbeskyttelse i en belastningskontakt kan også implementeres ved hjælp af et fælles kildearrangement. Dette arrangement kræver adgang til det fælles kildepunkt for at kunne aflade porten, når den er tændt.

Anvendelser i produktet

Gode eksempler på kommende wearable-enheder er AR- og VR-briller. Disse enheder har brug for højeffektive komponenter med lavt strømforbrug og lille fysisk størrelse. De bruger et antal MOSFET-enheder som switches og til strømkonvertering (figur 6).

Figur 6: MOSFET'er spiller en afgørende rolle i designet af AR/VR-briller som belastningsswitche, boostkonvertere og batteri-switche (markeret i de orange firkanter). (Billedkilde: Nexperia)

Denne type bærbare enheder skal balancere ekstremt lange opladningsintervaller med den "altid på"-funktionalitet, som brugerne forventer. MOSFET-switchene bruges til at slukke for dele af enheden, når de ikke er i brug. Bemærk kontakterne: De er implementeret med MOSFET'er, som forbinder og frakobler RF front-end og højttaleren. På strømstyringssiden bruges MOSFET'er som batterikontakt og til at forbinde til en ekstern strømkilde til kablet opladning. De bruges også i en switched-mode boost effekt-konvertere til skærmen.

Konklusion

Til designere af mikro-wearables og andre enheder med begrænset plads og effekt tilbyder Nexperia DFN0603 MOSFET'er i miniaturestørrelse med klassens bedste R_DS(on), der er nødvendig for at implementere næste generations design. De er ideelle komponenter til brug som belastningsafbrydere, batteriafbrydere og i switched-mode strømkonvertere.