Efficiënte vermogensregeling bereiken in ontwerpen met beperkte ruimte

Draagbare apparaten zoals oordopjes, smart watches, augmented reality (AR)/virtual reality (VR)-brillen en hoortoestellen worden steeds kleiner en discreter. Tegelijkertijd vragen deze toepassingen om meer functionaliteit, waaronder mogelijkheden voor kunstmatige intelligentie (AI). Deze trends creëren voor ontwerpers problemen met thermisch beheer. Daarnaast is een langere levensduur van de batterij nodig voor een positieve gebruikerservaring, dus zijn zeer efficiënte ontwerpen noodzakelijk. Het in evenwicht brengen van deze mix van vaak tegenstrijdige ontwerpeisen daagt ontwerpers uit om opnieuw na te denken over de keuze van onderdelen om de ruimte op de printplaat te minimaliseren en tegelijkertijd de tijd tussen laadbeurten te maximaliseren.

Om ontwerpers te helpen, zijn er miniatuur-MOSFET's op de markt gekomen met een zeer lage "aan"-weerstand. Deze apparaten bieden ook een uitstekende thermische geleidbaarheid om de warmteafvoer onder controle te houden. In sommige apparaten is zelfs bescherming tegen elektrostatische ontlading (ESD) ingebouwd.

Dit artikel bespreekt kort de uitdagingen waarmee ontwerpers van kleine smart-apparaten op batterijen worden geconfronteerd. Vervolgens wordt getoond hoe deze uitdagingen kunnen worden opgelost met MOSFET's in minibehuizing van Nexperia, waarbij de kenmerken van de apparaten en hun toepasbaarheid in micro-wearables worden belicht.

De uitdagingen van het ontwerpen van micro-wearables

Digitale horloges, oordopjes, smart-sieraden en andere draagbare miniatuurapparaten, stellen ontwerpers voor verschillende uitdagingen, vooral met betrekking tot grootte, stroomverbruik en thermisch beheer. De uitdagingen worden alleen maar groter naarmate er meer functionaliteit, zoals AI, wordt aangeboden om eindgebruikers enthousiast te maken. Naast het vinden van ruimte voor microcontrollers, batterijen, Bluetooth-zendontvangers, luidsprekers en beeldschermelektronica, moeten ontwerpers nu ook een neurale verwerkingscapaciteit toevoegen.

Met de toenemende functionaliteit is er behoefte aan geavanceerde benaderingen om het stroomverbruik te minimaliseren en zo de levensduur van de batterij te verlengen. Controle over het stroomverbruik omvat het uitschakelen van circuitelementen die niet worden gebruikt, maar deze circuits moeten wel klaar zijn om snel te worden ingeschakeld wanneer dat nodig is. Hoewel het in- en uitschakelen van de stroom effectief is, vereist het een lage aanloopweerstand in de schakelapparaten, om stroomverliezen en gegenereerde warmte te beperken. Het effectieve beheer van de gegenereerde warmte wordt bemoeilijkt door de compacte vormfactor van deze apparaten, wat het belang van zeer efficiënte onderdelen met laag verlies alleen maar onderstreept.

Op basis van haar decennialange ervaring in de productie van discrete halfgeleidercomponenten is Nexperia erin geslaagd de afmetingen van haar MOSFET's te verkleinen om aan deze vaak tegenstrijdige eisen te voldoen in haar DFN-serie (discrete flat no lead) (afbeelding 1).

Afbeelding 1: De Nexperia-familie van MOSFET-apparaten in DFN-behuizing laat de reductie in afmetingen en voetafdruk zien, tot aan de DFN0603. (Bron afbeelding: Nexperia)

De DFN0603 wordt geleverd in een behuizing van 0,63 bij 0,33 bij 0,25 millimeter (mm). De belangrijkste verandering ten opzichte van het eerder getoonde model is de reductie in hoogte tot 0,25 mm, zonder enige afname in functionaliteit. Bovendien heeft het apparaat een drain-to-source aan-weerstand (R_DS(on)) die 74% lager is dan in de eerdere behuizing.

Deze nieuwe serie behuizingen met ultralaag profiel bevat vijf MOSFET-apparaten, zowel N-kanaals als P-kanaals, met een nominale drain-to-source spanning (V_DS) van 20 tot 60 volt.

Naast een lagere vermogensdissipatie dankzij hun lagere aan-weerstand, vertoont de DFN0603-productlijn een uitstekende thermische geleiding, waardoor de temperatuur van het gemonteerde apparaat laag blijft.

Trench-MOSFET's

Deze verkleining, samen met de reductie van R_DS(on), wordt mogelijk gemaakt door het trench-MOSFET-ontwerp van het apparaat (afbeelding 2).

Afbeelding 2: Een dwarsdoorsnede toont de structuur van een trench MOSFET waarbij de stroom verticaal stroomt tussen de source en de drain wanneer het apparaat ingeschakeld is. De stippellijn toont de kanaalgebieden. (Bron afbeelding: Art Pini)

Net als andere MOSFET's heeft een trench-MOSFET-cel een drain, gate en source, maar het kanaal wordt verticaal gevormd, parallel aan de gate-trench, door middel van het veldeffect. Hierdoor is de stroomrichting verticaal, van source naar drain. Vergeleken met een vlak apparaat, dat horizontaal is verspreid en veel oppervlakte inneemt, is deze structuur zeer compact, waardoor een zeer groot aantal aangrenzende cellen in de siliciummatrijs mogelijk is. Alle cellen zijn parallel geschakeld om de waarde van R_DS(on) te verlagen en de drainstroom te verhogen.

De Nexperia DFN0603 MOSFET-familie

De Nexperia DFN0603-serie bevat vijf apparaten-vier N-kanaals MOSFET's en één P-kanaals MOSFET (afbeelding 3), met V_DS-limieten van 20 tot 60 volt. Ze maken allemaal gebruik van dezelfde fysieke behuizing die een totale vermogensdissipatielimiet heeft van 300 milliwatt (mW).

Afbeelding 3: De specificaties voor vijf DFN0603 MOSFETS met ultralaag vermogen, bedoeld voor mobiele en draagbare toepassingen. (Bron afbeelding: Nexperia)

met

V_DS = De maximale drain-to-source spanning, in volt.

V_GS = De maximale gate-to-source spanning, in volt.

I_D = De maximale drainstroom in ampère.

V_GSth = De minimale en maximale gate-to-source drempelspanningen. Dit is de spanning die nodig is over de gate- en source-aansluitingen om de MOSFET aan te zetten. De minimum- en maximumwaarden houden rekening met procesvariaties.

ESD = Het ESD-beschermingsniveau in kilovolt (kV), als ESD is inbegrepen.

R_DS(on) = De drain-to-source weerstand in milliohm (mΩ) bij de vermelde gate-to-source spanning.

De PMX100UNEZ en PMX100UNZ zijn vergelijkbare 20-volt N-kanaals MOSFET's. Het grootste verschil is dat de PMX100UNEZ ESD-beschermd is tot 2 kV en de PMX100UNZ niet. De laatste heeft een hogere maximale gate-to-source spanning. Ze bereiken een drain-to-source weerstand van 130 mΩ en 122 mΩ bij een gate-to-source spanning van 4,5 volt en maximale drainstromen van respectievelijk 1,4 ampère (A) en 1,3 A.

De PMX400UPZ is het P-kanaals apparaat en heeft een maximale drain-to-source spanning van 20 volt. Het heeft een iets lagere maximale drainstroomspecificatie van 0,9 mΩ en 334 mΩ bij een gate-to-source weerstand van 334 mΩ bij een gate-to-source spanning van 4,5 volt vergeleken met de N-kanaals apparaten.

De N-kanaals PMX300UNEZ heeft een maximale drain-to-source spanning van 30 volt. Aangezien alle DFN0603 MOSFET's een maximaal vermogen hebben van 300 mW, betekent het verhogen van de drain-to-source spanning dat de maximale drainstroom lager is, 0,82 ampère in dit geval. De drain-to-source weerstand is 190 mΩ bij een gate-to-source spanning van 4,5 volt.

De N-kanaals PMX700ENZ heeft de hoogste drain-to-source spanning van 60 volt. De maximale drainstroom is 0,3 A en de drain-to-source weerstand is 760 mΩ bij een gate-to-source aandrijfspanning van 4,5 volt.

Samen met hun maximale nominale vermogensdissipatie van 300 mW hebben alle DFN0603-apparaten een bedrijfstemperatuurbereik van -55˚C tot +150˚C.

MOSFET-vermogen- en -belastingschakeling

Micro-wearables werken meestal op batterijen. Om het stroomverbruik te verminderen en lange laadintervallen te garanderen, moeten circuitelementen worden in- en uitgeschakeld wanneer ze niet worden gebruikt. Deze schakelaars moeten in ingeschakelde toestand weinig verliezen om een lage vermogensdissipatie te garanderen en in uitgeschakelde toestand weinig lekken. Belastingschakelaars kunnen worden geïmplementeerd met MOSFET's als schakelapparaten. Ze worden eenvoudig bestuurd door een geschikte spanning toe te passen op het gate-drive-circuit. Belastingschakelaars kunnen worden geconfigureerd met P-kanaals- of N-kanaals-MOSFET's (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Hoogzijdige belastingschakelaars, geplaatst tussen de stroombron en de belasting, kunnen worden geïmplementeerd met P-kanaals- of N-kanaals-MOSFET's met geschikte gate-drive-signalen. (Bron afbeelding: Nexperia)

Als een P-kanaals MOSFET wordt gebruikt, wordt de schakelaar ingeschakeld door de gate laag te maken, zodat er stroom naar de belasting kan lopen. Het N-kanaalcircuit heeft een spanning nodig die hoger is dan de ingangsspanning die moet worden toegepast om de MOSFET volledig in te schakelen. Als er geen hoogspanningssignaal beschikbaar is, kan een laadpomp worden geïmplementeerd om de N-kanaalpoort aan te sturen. Dit maakt het circuit complexer, maar aangezien de N-kanaals-MOSFET's een lagere R_DS(on) hebben voor een gegeven grootte dan een P-kanaals-apparaat, kan dit de moeite waard zijn. Een ander alternatief zou zijn om de N-kanaals-MOSFET te gebruiken als een laagzijdige schakelaar tussen de belasting en massa, waardoor de vereiste gate-spanning wordt verlaagd.

Ongeacht hoe de belastingschakelaar is geïmplementeerd, is de spanningsval over de MOSFET gelijk aan het product van de drainstroom en R_DS(on). Het vermogensverlies is het product van de afvoerstroom in het kwadraat en R_DS(on). Zo zou een PMX100UNE die werkt bij een maximale drainstroom van 0,7 A een vermogensverlies hebben van slechts 58 mW vanwege de 120 mΩ-kanaalweerstand. Daarom is het bereiken van de laagst mogelijke waarde van R_DS(on) zo belangrijk bij het ontwerp van draagbare apparaten en wearables. Minder vermogensverlies betekent een lagere temperatuurstijging en een langere levensduur van de batterij.

MOSFET-belastingsschakelaars kunnen ook worden gebruikt om omgekeerde stromen te blokkeren die kunnen optreden tijdens een foutconditie, zoals een kortsluiting aan de laadingang. Dit wordt uitgevoerd door twee MOSFET's in serie te plaatsen met omgekeerde polariteit (afbeelding 5).

Afbeelding 5: Afgebeeld is een tegen omgekeerde stroom beveiligde belastingsschakelaar met een gemeenschappelijke-drain-circuitconfiguratie en P-kanaals MOSFET's. (Bron afbeelding: Nexperia)

Omgekeerde stroombeveiliging in een belastingschakelaar kan ook worden geïmplementeerd met behulp van een gemeenschappelijke source-opstelling. Deze opstelling vereist toegang tot het gemeenschappelijke source-punt om een ontlading van de gate te bewerkstelligen na het inschakelen.

In-producttoepassingen

Goede voorbeelden van opkomende draagbare apparaten zijn AR- en VR-brillen. Deze apparaten hebben zeer efficiënte onderdelen nodig met een lage vermogensdissipatie en kleine fysieke afmetingen. Ze gebruiken een aantal MOSFET-apparaten als schakelaars en bij vermogensomzetting (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: MOSFET's spelen een cruciale rol in het ontwerp van AR/VR-brillen als belastingschakelaars, boost-omzetters en batterijschakelaars (aangegeven binnen de oranje vierkanten). (Bron afbeelding: Nexperia)

Dit soort draagbare apparaten moet een balans zien te vinden tussen extreem lange oplaadintervallen en de "always-on" functionaliteit die gebruikers verwachten. De MOSFET-schakelaars worden gebruikt om delen van het apparaat uit te schakelen wanneer deze niet worden gebruikt. Let op de schakelaars: deze zijn geïmplementeerd met MOSFET's die het RF-front-end en de luidspreker verbinden en ontkoppelen. Aan de kant van de vermogensregeling worden MOSFET's gebruikt als batterijschakelaar en om verbinding te maken met een externe voedingsbron voor bekabeld opladen. Ze worden ook gebruikt in een geschakelde boostvermogensomzetter voor het display.

Conclusie

Voor ontwerpers van micro-wearables en andere apparaten met beperkte ruimte en vermogen, bieden de Nexperia DFN0603 MOSFET's de miniatuurbehuizing met de beste R_DS(on) die nodig is om ontwerpen van de volgende generatie te implementeren. Ze zijn ideale onderdelen voor gebruik als belastingschakelaars, batterijschakelaars en in geschakelde vermogensomzetters.