Jak dosáhnout efektivního řízení výkonu v prostorově omezených návrzích

Nositelná zařízení, jako jsou sluchátka, chytré hodinky, brýle pro rozšířenou realitu (AR) / virtuální realitu (VR) a naslouchátka jsou stále menší a nenápadnější. Tato řešení zároveň vyžadují větší funkčnost, včetně schopností umělé inteligence (AI). Tyto trendy vytvářejí pro projektanty problémy s regulací tepla. Kromě toho je pro pozitivní uživatelský dojem potřeba delší výdrž baterie, takže je potřeba design s vysokou účinností. Vyvážení této kombinace často protichůdných designových požadavků je výzvou pro návrháře, aby přehodnotili výběr komponent tak, aby minimalizovali prostor na desce a zároveň maximalizovali dobu mezi nabíjeními.

Pro návrháře se jako na zavolanou objevily miniaturní MOSFETy s velmi nízkým odporem „při zapnutí“. Tato zařízení rovněž poskytují vynikající tepelnou vodivost, která přispívá k regulaci odvodu tepla. Některá zařízení jdou dokonce tak daleko, že obsahují ochranu před elektrostatickým výbojem (ESD).

Tento článek stručně pojednává o výzvách, kterým čelí návrháři malých, chytrých zařízení napájených bateriemi. Dále ukazuje, jak lze tyto problémy vyřešit pomocí miniaturních balených MOSFETů od společnosti Nexperia, a zdůrazňuje vlastnosti těchto zařízení i jejich použitelnost v mikronositelných produktech.

Výzvy v oblasti návrhu mikronositelných zařízení

Digitální hodinky, sluchátka a chytré šperky spolu s dalšími miniaturními nositelnými zařízeními představují pro návrháře různé výzvy – zejména s ohledem na velikost, spotřebu energie a regulaci tepla. Výzvy jen narůstají s tím, jak se nabízejí vyšší úrovně funkčnosti, jako je například umělá inteligence, které mají zapojit koncové uživatele. Spolu s hledáním místa pro mikrokontroléry, baterie, Bluetooth transceivery, reproduktory a zobrazovací elektroniku nyní musí návrháři i přidat schopnost neurálního zpracování.

Ruku v ruce s rostoucí funkčností přichází potřeba pokročilých přístupů k minimalizaci spotřeby energie za účelem prodloužení životnosti baterie. Řízení spotřeby energie zahrnuje vypínání nepoužívaných prvků obvodu, ale tyto obvody musí být připraveny k rychlému zapnutí v případě potřeby. I když je zapínání a vypínání napájení účinné, vyžaduje nízký odpor ve spínacích zařízeních, aby se snížily ztráty energie a vznikající teplo. Efektivní regulaci veškerého vznikajícího tepla komplikují kompaktními rozměry těchto zařízení, což jen podtrhuje význam vysoce účinných komponent s nízkými ztrátami.

Na základě desetiletí zkušeností s výrobou diskrétních polovodičových součástek se společnosti Nexperia podařilo zmenšit velikost svých MOSFETů tak, aby splňovaly tyto často protichůdné požadavky v řadě DFN (Discrete Flat No Lead) (Obrázek 1).

Obrázek 1: Na obrázku je řada zařízení MOSFET od společnosti Nexperia využívajících DFN, která zdůrazňuje zmenšení velikosti a plochy až na DFN0603. (Zdroj obrázku: společnost Nexperia)

DFN0603 se dodává v provedení o rozměrech 0,63 × 0,33 × 0,25 milimetrů (mm). Nejvýznamnější změnou oproti předchozímu zobrazenému modelu je snížení výšky na 0,25 mm – bez jakéhokoli omezení funkčnosti. Kromě toho se zařízení vyznačuje zapínacím odporem mezi odtokem a zdrojem (R_DS(on)), který je o 74 % nižší než u dřívější konstrukce.

Tato nová řada s ultra nízkoprofilovou konstrukcí obsahuje pět zařízení MOSFET, N-kanálová i P-kanálová, s napětím mezi odtokem a zdrojem (V_DS) 20 až 60 V.

Kromě nižšího ztrátového výkonu, který je umožněn nižším zapínacím odporem, vykazuje produktová řada DFN0603 vynikající tepelnou vodivost, která udržuje nízkou teplotu osazeného zařízení.

Trench MOSFETy

Toto zmenšení velikosti spolu se snížením R_DS(on) je možné zásluhou trench konstrukce MOSFETu (Obrázek 2).

Obrázek 2: Příčný řez ukazuje strukturu trench MOSFETu s vertikálním proudem tekoucím mezi zdrojem a odtokem, když je zařízení v zapnutém stavu. Přerušovaná čára ukazuje oblasti kanálu. (Zdroj obrázku: Art Pini)

Stejně jako ostatní MOSFETy má i jednotka trench MOSFET odtok, hradlo a zdroj, ale kanál se vytváří vertikálně, paralelně s trench hradla, pomocí efektu pole. V důsledku toho je směr toku proudu vertikální – od zdroje k odtoku. Ve srovnání s rovinným zařízením, které je rozloženo horizontálně a zabírá velkou plochu, je tato struktura velmi kompaktní, což umožňuje opravdu velký počet sousedních buněk v křemíkové matrici. Všechny buňky jsou zapojeny tak, aby pracovaly paralelně, aby se snížila hodnota R_DS(on) a zvýšil se odtokový proud.

Řada MOSFETů Nexperia DFN0603

Řada Nexperia DFN0603 obsahuje pět zařízení – čtyři N-kanálové MOSFETy a jeden P-kanálový MOSFET (obrázek 3), s V_DS limity 20 až 60 voltů. Všechny používají stejnou fyzickou konstrukci, která má celkový limit ztráty energie 300 miliwattů (mW).

Obrázek 3: Na obrázku jsou specifikace pěti MOSFETů DFN0603 s velmi nízkou spotřebou určené pro mobilní a přenosné aplikace. (Zdroj obrázku: společnost Nexperia)

Kde:

V_DS = Maximální napětí mezi odtokem a zdrojem ve voltech.

V_GS = Maximální napětí mezi hradlem a zdrojem ve voltech.

I_D = Maximální odtokový proud v ampérech.

V_GSth = Minimální a maximální prahové napětí mezi hradlem a zdrojem. Toto je napětí požadované na svorkách hradla a zdroje pro zahájení procesu zapnutí MOSFETu. Minimální a maximální hodnoty zohledňují odchylky procesu.

ESD = Úroveň ochrany ESD v kilovoltech (kV), pokud je ESD zahrnuto.

R_DS(on) = Odpor mezi odtokem a zdrojem v miliohmech (mΩ) při uvedeném napětí mezi hradlem a zdrojem.

PMX100UNEZ a PMX100UNZ jsou podobné 20voltové N-kanálové MOSFETy. Hlavní rozdíl je v tom, že PMX100UNEZ má ESD ochranu do 2 kV, zatímco PMX100UNZ nikoliv. Druhý jmenovaný má vyšší maximální napětí mezi hradlem a zdrojem. Dosahují odporu mezi hradlem a zdrojem 130 mΩ a 122 mΩ při napětí 4,5 voltů a maximálních odtokových proudů 1,4 A, respektive 1,3 A.

PMX400UPZ je zařízení s P-kanálem a je dimenzováno na maximální napětí mezi odtokem a zdrojem 20 V. Má o něco nižší specifikaci maximálního odtokového proudu 0,9 A a odpor mezi odtokem a zdrojem 334 mΩ při napětí mezi hradlem a zdrojem 4,5 V ve srovnání s N-kanálovými zařízeními.

N-kanálový model PMX300UNEZje dimenzován na maximální napětí mezi odtokem a zdrojem 30 V. Protože všechny MOSFETy DFN0603 mají maximální jmenovitý výkon 300 mW, zvýšení napětí mezi odtokem a zdrojem znamená, že maximální odtokový proud je nižší, v tomto případě 0,82 A. Odpor mezi odtokem a zdrojem je 190 mΩ při napětí mezi hradlem a zdrojem 4,5 V.

N-kanálový model PMX700ENZ má nejvyšší napětí mezi odtokem a zdrojem 60 V. Maximální odtokový proud je 0,3 A a jeho odpor mezi odtokem a zdrojem je 760 mΩ při napětí řadiče mezi hradlem a zdrojem 4,5 V.

Spolu s jejich maximálním jmenovitým ztrátovým výkonem 300 mW mají všechna zařízení DFN0603 rozsah provozních teplot -55 ˚C až +150 ˚C.

Napájení MOSFET a přepínání zátěže

Mikronositelná zařízení se nejčastěji napájí bateriemi. Snížení spotřeby energie pro zajištění dlouhých intervalů nabíjení vyžaduje zapínání a vypínání prvků obvodu, když se nepoužívá. Tyto spínače musí mít nízké ztráty v zapnutém stavu, aby byl zajištěn nízký rozptyl energie, a nízký únik ve vypnutém stavu. Spínače zátěže mohou být implementovány pomocí MOSFETů jako spínacích zařízení. Snadno se ovládají přivedením vhodného napětí do obvodu pohonu hradla. Spínače zátěže lze konfigurovat pomocí P-kanálových nebo N-kanálových MOSFETů (Obrázek 4).

Obrázek 4: Zátěžové spínače v horní části, umístěné mezi zdrojem napájení a zátěží, lze realizovat pomocí P-kanálových nebo N-kanálových MOSFETů s použitím vhodných signálů pro řízení hradel. (Zdroj obrázku: společnost Nexperia)

Pokud je použit P-kanálový MOSFET, přitažením hradla na nízkou úroveň se spínač zapne a umožní tok proudu do zátěže. N-kanálový obvod vyžaduje vyšší napětí, než je vstupní napětí, aby bylo možné MOSFET plně zapnout. Pokud není k dispozici vysokonapěťový signál, lze k napájení N-kanálového hradla použít nábojovou pumpu. To zvyšuje složitost obvodu, ale protože N-kanálové MOSFETy mají nižší R_DS(on) pro danou velikost než zařízení s P-kanálem, možná se to vyplatí. Další alternativou by bylo použití N-kanálového MOSFETu jako spínače na dolní straně mezi zátěží a zemí, čímž by se snížilo požadované hradlové napětí.

Bez ohledu na to, jak je zátěžový spínač implementován, úbytek napětí na MOSFETu se rovná součinu odtokového proudu a R_DS(on) . Ztráta výkonu je součinem druhé mocniny odtokového proudu a R_DS(on) . PMX100UNE pracující při maximálním odtokovém proudu 0,7 A by tak měl kvůli odporu kanálu 120 mΩ ztrátu výkonu pouze 58 mW. Proto je při návrhu přenosných a nositelných zařízení tak důležité dosáhnout co nejnižší hodnoty R_DS(on). Nižší ztráta energie znamená nižší nárůst teploty a delší životnost baterie.

Zátěžové spínače MOSFET lze také použít k blokování zpětných proudů, které se mohou objevit během poruchového stavu, jako je zkrat na nabíjecím vstupu. To se provádí umístěním dvou MOSFETů do série s obrácenou polaritou (Obrázek 5).

Obrázek 5: Na obrázku je zátěžový spínač s ochranou proti zpětnému proudu, který využívá konfiguraci obvodu se společným odtokem a P-kanálové tranzistory MOSFET. (Zdroj obrázku: společnost Nexperia)

Ochrana proti zpětnému proudu ve spínači zátěže se může realizovat také pomocí společného uspořádání zdroje. Toto uspořádání vyžaduje přístup ke společnému zdrojovému bodu pro provedení realizaci hradla po zapnutí.

Aplikace v rámci produktu

Dobrými příklady nových nositelných zařízení jsou brýle pro AR a VR. Tato zařízení potřebují vysoce účinné komponenty s nízkým ztrátovým výkonem a malou fyzickou velikostí. Jako spínače a při převodu energie používají řadu zařízení MOSFET (Obrázek 6).

Obrázek 6: MOSFETy hrají kritickou roli v návrhu brýlí pro AR/VR jako zátěžového spínače, měniče napětí a přepínače baterie (označené v oranžových čtvercích). (Zdroj obrázku: společnost Nexperia)

Tento typ nositelného zařízení musí vyvažovat extrémně dlouhé intervaly dobíjení s funkčností „always-on“, kterou uživatelé očekávají. Přepínače MOSFET se používají k vypnutí částí zařízení, když se nepoužívají. Všimněte si spínačů: jsou realizovány pomocí MOSFETů, které propojují a odpojují RF front-end a reproduktor. Na straně řízení napájení se MOSFETy používají jako spínač baterie a pro připojení k externímu zdroji energie pro kabelové nabíjení. Používají se také ve spínaném zesilovacím měniči pro displej.

Závěr

Návrhářům nositelných mikrosystémů a dalších zařízení s omezeným prostorem a spotřebou nabízí MOSFETy Nexperia DFN0603 miniaturní provedení s nejlepším R_DS(on) ve své třídě, bez kterých se návrhy nové generace neobejdou. Jsou ideálními součástmi pro použití jako zátěžové spínače, spínače baterií a ve spínaných měničích energie.