Slik oppnår du effektiv strømstyring i plassbegrensede utrustninger

Bærbare enheter som øretelefoner, smartklokker, briller for forlenget virkelighet (AR – augmented reality) / virtuell virkelighet (VR – virtual reality) og høreapparater blir stadig mindre og mer frittstående (diskrete). Samtidig krever disse utrustningene mer funksjonalitet, som omfatter kunstig intelligens (AI). Disse trendene skaper varmestyringsutfordringer for konstruktører. I tillegg trengs lengre batterilevetid for å oppnå en positiv brukeropplevelse, så høyeffektive utrustninger er nødvendig. Balansering av denne blandingen, som ofte består av motstridende konstruksjonskrav, utfordrer konstruktører til å revurdere komponentvalg for å minimere bruken av kortplass, samtidig som tiden mellom ladninger maksimeres.

For å hjelpe konstruktører, har miniatyr-MOSFET-er med svært lav «på»-motstand blitt utviklet. Disse enhetene gir også utmerket termisk ledningsevne (konduktivitet) for å bidra til å styre varmeavledning. Noen enheter går så langt som å bygge inn beskyttelse mot elektrostatisk utladning (ESD – electrostatic discharge).

Denne artikkelen tar kort for seg utfordringene som konstruktører av små, smarte, batteridrevne enheter står overfor. Den viser deretter hvordan disse utfordringene kan løses ved hjelp av MOSFET-er med miniatyrkapslinger fra Nexperia, og fremhever enhetens egenskaper og anvendelighet i kroppsbårne mikroenheter.

Utfordringene forbundet med utvikling av kroppsbårne mikroenheter

Digitale klokker, øretelefoner og smarte smykker, samt andre kroppsbårne miniatyrenheter, skaper flere utfordringer for konstruktører, spesielt med hensyn til størrelse, strømforbruk og varmestyring. Utfordringene vokser etter hvert som høyere nivåer av funksjonalitet, for eksempel AI, blir tilbudt for å engasjere sluttbrukere. I tillegg til å finne plass til mikrokontrollere, batterier, Bluetooth-transceivere, høyttalere og skjermelektronikk, må konstruktører nå legge til funksjonalitet for nevral prosessering.

Som er resultat av denne stadig økende funksjonaliteten, er det behov for avanserte måter å minimere strømforbruket på for å forlenge batterilevetiden. Styring av strømforbruk inkluderer å slå av kretselementer som ikke er i bruk, men disse kretsene må være klare til å slå seg på raskt når de trengs. Selv om det er effektivt å slå av og på strømmen, krever det lav motstand i vekslingsenhetene for å redusere effekttap og generert varme. Den effektive håndteringen av generert varme kompliseres av den kompakte formfaktoren til disse enhetene, som reflekterer viktigheten av høyeffektive komponenter med lave tap.

Nexperia har flere tiår med erfaring innen produksjon av frittstående halvlederkomponenter, og har vært i stand til å krympe størrelsen på MOSFET-ene sine for å møte disse ofte motstridende kravene i sin DFN-serie (DFN – discrete flat no lead) (figur 1).

Figur 1: Her vises Nexperia-familien av MOSFET-enheter med DFN-kapsling, som fremhever reduksjonen i størrelse og format, ned til DFN0603. (Bildekilde: Nexperia)

DFN0603 kommer i en kapsling på 0,63 x 0,33 x 0,25 mm. Den mest signifikante endringen fra den tidligere modellen som er vist, er høydereduksjonen ned til 0,25 mm – uten noen reduksjon i funksjonalitet. I tillegg har enheten en drain-source-på-motstand (R_DS(on)) som er 74 % mindre enn den forrige kapslingen.

Denne nye kapslingsserien med ultralav profil inkluderer fem MOSFET-enheter, både N-kanal og P-kanal, med en nominell drain-source-spenning på 20 til 60 volt (V_DS).

I tillegg til lavere effekttap, som er muliggjort av den lavere motstanden, viser DFN0603-produktlinjen utmerket varmeledningsevne, noe som holder temperaturen til den monterte enheten lav.

Trench-MOSFET-er

Denne reduksjonen i størrelse, i tillegg til reduksjonen i R_DS(on), er muliggjort av enhetens trench-MOSFET-utforming (figur 2).

Figur 2: Et tverrsnitt viser strukturen til en trench-MOSFET, der strømmen flyter vertikalt mellom source og drain når enheten er i på-tilstanden. Den stiplede linjen viser kanalområdene. (Bildekilde: Art Pini)

I likhet med andre MOSFET-er, har en trench-MOSFET-celle en drain, en gate og en source, men kanalen dannes vertikalt, parallelt med gate-trenchen, ved hjelp av felteffekten. Som et resultat er retningen til strømflyten vertikal, fra source til drain. Sammenlignet med en planar enhet, som er spredt horisontalt og tar opp en god del av overflateområdet, er denne strukturen svært kompakt, noe som muliggjør et svært høyt antall tilstøtende celler i silisiumplaten. Alle cellene er koblet til for å fungere parallelt, slik at de kan redusere verdien av R_DS(on) og øke drain-strømmen.

Nexperia DFN0603 MOSFET-familien

Nexperia DFN0603-serien inkluderer fem enheter – fire N-kanal MOSFET-er og en enkel P-kanal MOSFET (figur 3), med V_DS-grenser på 20 til 60 volt. Alle bruker den samme fysiske kapslingen som har en total effekttap-grense på 300 milliwatt (mW).

Figur 3: Her vises spesifikasjonene for fem DFN0603 MOSFET-er med ultralavt strømforbruk beregnet for mobile og bærbare utrustninger. (Bildekilde: Nexperia)

Der:

V_DS = Maksimal drain-source-spenning, i volt.

V_GS = Maksimal gate-source-spenning, i volt.

I_D = Maksimal drain-strøm i ampere.

V_GSth = Minimum og maksimum gate-source-terskelspenninger. Dette er spenningen som kreves over gate- og source-terminalene for å begynne å slå på MOSFET-en. Minimums- og maksimumsverdiene gjør greie for prosessvariasjoner.

ESD = ESD-beskyttelsesnivået i kilovolt (kV), hvis ESD er inkludert.

R_DS(on) = Drain-source-motstanden i milliohm (mΩ) ved den angitte gate-source-spenningen.

PMX100UNEZ og PMX100UNZ ligner 20-volts N-kanal MOSFET-er. Den største forskjellen er at PMX100UNEZ er ESD-beskyttet til opptil 2 kV, mens PMX100UNZ ikke er det. Sistnevnte har en høyere maksimal gate-source-spenning. De oppnår en drain-source-motstand på 130 mΩ og 122 mΩ ved en gate-source-spenning på 4,5 volt, og maksimale drain-strømmer på henholdsvis 1,4 ampere (A) og 1,3 A.

PMX400UPZ er P-kanal-enheten. Den er klassifisert til 20 volt maksimal drain-source-spenning. Den har en noe lavere maksimal drain-strømspesifikasjon på 0,9 A og en drain-source-motstand på 334 mΩ ved en gate-source-spenning på 4,5 volt sammenlignet med N-kanal-enhetene.

N-kanal PMX300UNEZ er klassifisert til 30 volt maksimal drain-source-spenning. Siden alle DFN0603 MOSFET-ene har en maksimal effekt på 300 mW, betyr en økning av drain-source-spenningen at den maksimale drain-strømmen er lavere – 0,82 ampere i dette tilfellet. Drain-source-motstanden er 190 mΩ ved en gate-source-spenning på 4,5 volt.

N-kanal PMX700ENZ har den høyeste drain-source-spenningen på 60 volt. Den maksimale drain-strømmen er 0,3 A og drain-source-motstanden er 760 mΩ, med en 4,5-volts gate-source-driftsspenning.

I tillegg til det maksimale nominelle effekttapet på 300 mW, har alle DFN0603-enhetene et driftstemperaturområde på –55 ˚C til +150 ˚C.

MOSFET strøm- og lastveksling

Kroppsbårne mikroenheter er som regel batteridrevne. Reduksjon av strømforbruket slik at lange ladeintervaller oppnås, krever at kretselementer slås av mens de ikke er i bruk. Disse bryterne må ha lave tap når de er i på-tilstanden for å sikre lav effektavledning, og de må ha lav lekkasje i av-tilstanden. Lastbrytere kan implementeres med MOSFET-er som vekslingsenhetene. De styres lett ved å tilføre en egnet spenning til gate-driverkretsen. Lastbrytere kan konfigureres ved å bruke enten P-kanal eller N-kanal MOSFET-er (figur 4).

Figur 4: Høyside-lastbrytere, plassert mellom strømkilden og lasten, kan implementeres med enten P-kanal eller N-kanal MOSFET-er ved å bruke egnede gate-driversignaler. (Bildekilde: Nexperia)

Hvis en P-kanal MOSFET brukes, vil det å trekke porten lavt slå på bryteren og muliggjøre strømflyt inn i lasten. N-kanal-kretsen krever en spenning som er høyere enn inngangsspenningen for å fullstendig slå på MOSFET-en. Hvis et høyspenningssignal ikke er tilgjengelig, kan en ladepumpe implementeres for å drive en N-kanal-gate. Dette bidrar til økt kompleksiteten i kretsen, men siden N-kanal MOSFET-er har lavere R_DS(on) for en gitt størrelse sammenlignet med en P-kanal-enhet, kan det være verdt avveiningen. Et annet alternativ kan være å bruke N-kanal MOSFET-en som en lavsidebryter mellom lasten og jord, noe som reduserer den nødvendige gate-spenningen.

Uavhengig av hvordan lastbryteren er implementert, er spenningsfallet over MOSFET-en lik produktet av drain-strømmen og R_DS(on). Effekttapet er produktet av drain-strømmen kvadrert og R_DS(on). Som sådan vil en PMX100UNE, som er virksom ved en maksimal drain-strøm på 0,7 A, ha et effekttap på bare 58 mW på grunn av kanalmotstanden på 120 mΩ. Derfor er det så viktig å oppnå den lavest mulige verdien av R_DS(on) under utvikling av bærbare og kroppsbårne enheter. Lavere strømtap betyr lavere temperaturøkning og lengre batterilevetid.

MOSFET-lastbrytere kan også brukes til å blokkere strøm i sperreretningen som kan oppstå under feiltilstand, for eksempel en kortslutning på ladeinngangen. Dette utføres ved å plassere to MOSFET-er i serie med omvendt polaritet (figur 5).

Figur 5: Her vises en lastbryter med beskyttelse mot negativ sperrestrøm, som bruker en felles drain-kretskonfigurasjon og P-kanal MOSFET-er. (Bildekilde: Nexperia)

En lastbryter med beskyttelse mot negativ sperrestrøm kan også implementeres ved å bruke en felles source-sammenstilling. Denne sammenstillingen krever tilgang til det felles source-punktet for å oppnå en utladning av gaten etter påslåing.

Bruksområder for produkter

AR- og VR-briller er gode eksempler på fremadstormende kroppsbårne enheter. Disse enhetene trenger svært effektive komponenter med lave effekttap og liten fysisk størrelse. De bruker et antall MOSFET-enheter som brytere og innen strømomforming (figur 6).

Figur 6: MOSFET-er spiller viktige roller i konstruksjonen av AR/VR-briller som lastbrytere, opptransformeringsomformere og batteribrytere (merket i de oransje firkantene). (Bildekilde: Nexperia)

Disse typene kroppsbårne enheter må balansere ekstremt lange oppladningsintervaller med «alltid på»-funksjonaliteten som forventes av brukerne. MOSFET-bryterne brukes til å slå av deler av enheten når de ikke er i bruk. Legg merke til bryterne: Disse er implementert med MOSFET-er som kobler til og fra RF-grensesnittet og høyttaleren. På strømstyringssiden brukes MOSFET-er som en batteribryter og for å koble til en ekstern strømkilde for kablet lading. De brukes også i en opptransformeringsomformer i vekslet modus for skjermen.

Konklusjon

For konstruktører av kroppsbårne mikroenheter og enheter med krav om lavt strømforbruk, tilbyr Nexperia MOSFET-er med DFN0603-kapsling miniatyrkapslinger med bransjeledende R_DS(on) som er nødvendig for å implementere neste generasjons konstruksjoner. De er ideelle komponenter for bruk som lastbrytere, batteribrytere og i strømomformere i vekslet modus.