Cum se realizează un control eficient al puterii în proiectele cu spațiu limitat

Dispozitivele purtabile, cum ar fi căștile, ceasurile inteligente, ochelarii de realitate augmentată (AR)/realitate virtuală (VR) și aparatele auditive devin din ce în ce mai mici și mai discrete. În același timp, aceste aplicații necesită o funcționalitate mai mare, inclusiv capacități de inteligență artificială (AI). Aceste tendințe creează probleme legate de gestionarea termică pentru proiectanți. În plus, este nevoie de o durată de viață mai lungă a bateriei pentru o experiență pozitivă a utilizatorului, astfel că sunt necesare proiecte de înaltă eficiență. Echilibrarea acestei combinații de cerințe de proiectare adesea contradictorii îi provoacă pe proiectanți să regândească alegerea componentelor pentru a minimiza spațiul pe placă, maximizând în același timp timpul dintre încărcări.

Pentru a veni în ajutorul proiectanților, au apărut MOSFET-uri miniaturale cu o rezistență foarte scăzută la „pornire”. Aceste dispozitive oferă și o conductivitate termică excelentă pentru a ajuta la controlul disipării căldurii. Unele dispozitive merg atât de departe încât integrează protecție împotriva descărcărilor electrostatice (ESD).

Acest articol analizează pe scurt provocările cu care se confruntă proiectanții de dispozitive mici, inteligente și alimentate cu baterii. Apoi, arată cum pot fi rezolvate aceste provocări folosind MOSFET-uri miniaturale capsulate de la Nexperia, evidențiind caracteristicile dispozitivelor și aplicabilitatea lor în proiectele de micro-produse purtabile.

Provocările legate de proiectarea micro-dispozitivelor purtabile

Ceasurile de mână digitale, căștile și bijuteriile inteligente, împreună cu alte dispozitive purtabile miniaturale, prezintă mai multe provocări pentru proiectanți, în special în ceea ce privește dimensiunea, consumul de energie și gestionarea termică. Provocările sunt din ce în ce mai mari pe măsură ce se oferă niveluri mai ridicate de funcționalitate, cum ar fi inteligența artificială, pentru a atrage utilizatorii finali. Pe lângă găsirea spațiului pentru microcontrolere, baterii, emițătoare-receptoare Bluetooth, difuzoare și dispozitive electronice de afișare, designerii trebuie să adauge acum o capacitate de procesare neuronală.

Odată cu creșterea funcționalității, vine și nevoia de abordări avansate de minimizare a consumului de energie pentru a prelungi durata de viață a bateriei. Controlul consumului de energie include oprirea elementelor de circuit care nu sunt utilizate, dar aceste circuite trebuie să fie pregătite să se activeze rapid atunci când este nevoie. În timp ce pornirea și oprirea alimentării este eficientă, necesită o rezistență de pornire scăzută în cadrul dispozitivelor de comutare pentru a reduce pierderile de energie și căldura generată. Gestionarea eficientă a căldurii generate este complicată de factorul de formă compact al acestor dispozitive, ceea ce nu face decât să sublinieze importanța componentelor de înaltă eficiență și cu pierderi reduse.

Bazându-se pe deceniile sale de experiență în producția de componente semiconductoare discrete, Nexperia a reușit să micșoreze dimensiunea MOSFET-urilor sale pentru a satisface aceste cerințe adesea contradictorii în seria DFN (plat discret fără conductoare) (Figura 1).

Figura 1: Este prezentată familia Nexperia de dispozitive MOSFET cu capsulă DFN, evidențiind reducerea dimensiunii și a amprentei, până la DFN0603. (Sursa imaginii: Nexperia)

DFN0603 vine într-o capsulă care măsoară 0,63 pe 0,33 cu 0,25 milimetri (mm). Cea mai semnificativă schimbare față de modelul anterior prezentat este reducerea înălțimii la 0,25 mm – fără nicio scădere a funcționalității. În plus, dispozitivul are o rezistență de la drenă la sursă (R_DS(on)) care este cu 74% mai mică decât cea a capsulei anterioare.

Această nouă serie de capsule cu profil ultra-redus include cinci dispozitive MOSFET, atât cu canal N, cât și cu canal P, cu tensiuni nominale de la 20 la 60 de volți de la drenă la sursă (V_DS).

Pe lângă disiparea de putere mai mică, permisă de rezistența lor mai mică la pornire, gama de produse DFN0603 prezintă o excelentă conducție termică, care menține temperatura scăzută a dispozitivului montat.

MOSFET-uri trench

Această reducere a dimensiunii, împreună cu reducerea R_DS(on), este permisă de designul MOSFET trench al dispozitivului (Figura 2).

Figura 2: O vedere în secțiune transversală arată structura unui MOSFET trench, cu curent care circulă vertical între sursă și drenă atunci când dispozitivul este în stare de funcționare. Linia punctată arată zonele de canal. (Sursa imaginii: Art Pini)

Ca și alte MOSFET-uri, o celulă MOSFET trench are o drenă, o poartă și o sursă, dar canalul se formează vertical, paralel cu șanțul porții, prin intermediul efectului de câmp. Drept urmare, direcția fluxului de curent este verticală, de la sursă la drenă. În comparație cu un dispozitiv planar, care este distribuit pe orizontală și ocupă o mare parte din suprafață, această structură este foarte compactă, permițând un număr foarte mare de celule adiacente în matrița de siliciu. Toate celulele sunt conectate pentru a funcționa în paralel pentru a reduce valoarea R_DS(on) și pentru a crește curentul de drenare.

Familia de MOSFET-uri Nexperia DFN0603

Seria Nexperia DFN0603 include cinci dispozitive – patru MOSFET-uri cu canal N și un singur MOSFET cu canal P (Figura 3), cu limite V_DS de la 20 până la 60 de volți. Toate utilizează aceeași capsulă fizică care are o limită de disipare a puterii totale de 300 de miliwați (mW).

Figura 3: Sunt prezentate specificațiile a cinci MOSFET-uri DFN0603 de putere foarte mică destinate aplicațiilor mobile și portabile. (Sursa imaginii: Nexperia)

Unde:

V_DS = Tensiunea maximă de la drenă la sursă, în volți.

V_GS = Tensiunea maximă poarta-sursă, în volți.

I_D = Curentul maxim de drenare în amperi.

V_GSth = Tensiunile minime și maxime de prag poartă-sursă. Aceasta reprezintă tensiunea necesară la bornele porții și sursei pentru a începe pornirea MOSFET-ului. Valorile minime și maxime țin cont de variațiile procesului.

ESD = Nivelul de protecție ESD în kilovolți (kV), dacă este inclusă ESD.

R_DS(on) = Rezistența drenă-sursă în miliohmi (mΩ) la tensiunea poarta-sursă menționată.

PMX100UNEZ și PMX100UNZ sunt MOSFET-uri similare cu canal N de 20 de volți. Diferența majoră constă în faptul că PMX100UNEZ este protejat ESD până la 2 kV, în timp ce PMX100UNZ nu este protejat. Acesta din urmă are o tensiune maximă mai mare între poartă și sursă. Acestea ating o rezistență drenă-sursă de 130 mΩ și 122 mΩ la o tensiune poartă-sursă de 4,5 volți și curenți de drenare maximi de 1,4 amperi (A) și, respectiv, 1,3 A.

PMX400UPZ este un dispozitiv cu canal P și este evaluat la o tensiune maximă de 20 de volți de la drenă la sursă. Acesta are o specificație de curent de drenare maxim ușor mai mic de 0,9 A și o rezistență de la drenă la sursă de 334 mΩ la o tensiune de la poartă la sursă de 4,5 volți, în comparație cu dispozitivele cu canal N.

PMX300UNEZ cu canal N este evaluat la o tensiune maximă de 30 de volți de la drenă la sursă. Deoarece toate MOSFET-urile DFN0603 au o putere nominală maximă de 300 mW, creșterea tensiunii drenă-sursă înseamnă că curentul maxim de drenare este mai mic, 0,82 amperi în acest caz. Rezistența drenă-sursă este de 190 mΩ la o tensiune poartă-sursă de 4,5 volți.

PMX700ENZ cu canal N are cea mai mare tensiune de la drenă la sursă, de 60 de volți. Curentul maxim de drenare este de 0,3 A, iar rezistența de la drenă la sursă este de 760 mΩ cu o tensiune de comandă de la poartă la sursă de 4,5 volți.

Împreună cu disiparea de putere nominală maximă de 300 mW, toate dispozitivele DFN0603 au un interval de temperatură de funcționare de la -55 ˚C la +150 ˚C.

Comutarea puterii și a sarcinii MOSFET

Micro-dispozitivele purtabile sunt cel mai adesea alimentate cu baterii. Reducerea consumului de energie pentru a asigura intervale lungi de încărcare necesită activarea și dezactivarea elementelor de circuit atunci când nu sunt utilizate. Aceste întrerupătoare trebuie să aibă pierderi reduse atunci când se află în starea de funcționare pentru a asigura o disipare de putere redusă și să aibă pierderi reduse în starea de oprire. Comutatoarele de sarcină pot fi implementate cu MOSFET-uri ca dispozitive de comutare. Acestea sunt ușor de controlat prin aplicarea unei tensiuni adecvate la circuitul de comandă a porții. Întrerupătoarele de sarcină pot fi configurate folosind fie MOSFET-uri cu canal P, fie MOSFET-uri cu canal N (Figura 4).

Figura 4: Comutatoarele de sarcină high-side, poziționate între sursa de alimentare și sarcină, pot fi implementate cu MOSFET-uri cu canal P sau cu canal N, utilizând semnale corespunzătoare de comandă a porții. (Sursa imaginii: Nexperia)

Dacă se utilizează un MOSFET cu canal P, tragerea porții la nivel scăzut va activa comutatorul și va permite fluxul de curent în sarcină. Circuitul cu canal N necesită aplicarea unei tensiuni mai mari decât tensiunea de intrare pentru a porni complet MOSFET-ul. Dacă nu este disponibil un semnal de înaltă tensiune, se poate implementa o pompă de sarcină pentru a comanda poarta canalului N. Acest lucru sporește complexitatea circuitului, dar, deoarece MOSFET-urile cu canal N au un R_DS(on) mai mic pentru o dimensiune dată decât un dispozitiv cu canal P, s-ar putea să merite acest compromis. O altă alternativă ar fi utilizarea MOSFET-ului cu canal N ca și comutator low-side între sarcină și masă, reducând tensiunea de poartă necesară.

Indiferent de modul în care este implementat comutatorul de sarcină, căderea de tensiune pe MOSFET este egală cu produsul dintre curentul de drenare și R_DS(on). Pierderea de putere este produsul dintre curentul de drenare la pătrat și R_DS(on). Astfel, un PMX100UNE care funcționează la un curent de drenare maxim de 0,7 A ar avea o pierdere de putere de numai 58 mW datorită rezistenței de canal de 120 mΩ. Acesta este motivul pentru care obținerea celei mai mici valori posibile a R_DS(on) este atât de importantă în proiectarea dispozitivelor portabile și purtabile. O pierdere de putere mai mică înseamnă o creștere mai mică a temperaturii și o durată de viață mai lungă a bateriei.

Comutatoarele de sarcină MOSFET pot fi, de asemenea, utilizate pentru a bloca curenții inverși care pot apărea în timpul unei condiții de defecțiune, cum ar fi un scurtcircuit la intrarea de încărcare. Acest lucru se realizează prin plasarea a două MOSFET-uri în serie cu polaritate inversă (Figura 5).

Figura 5: Este prezentat un comutator de sarcină protejat împotriva curentului invers, care utilizează o configurație de circuit cu drenă comună și MOSFET-uri cu canal P. (Sursa imaginii: Nexperia)

Protecția împotriva curentului invers într-un comutator de sarcină poate fi, de asemenea, implementată folosind un aranjament de sursă comună. Acest aranjament necesită accesul la punctul de sursă comună pentru a efectua o descărcare a porții după pornirea acesteia.

Aplicații în produs

Un bun exemplu de dispozitive purtabile în curs de dezvoltare sunt ochelarii AR și VR. Aceste dispozitive au nevoie de componente foarte eficiente, cu disipare de putere redusă și dimensiuni fizice mici. Utilizează o serie de dispozitive MOSFET ca și comutatoare și în conversia de putere (Figura 6).

Figura 6: MOSFET-urile au roluri critice în proiectarea ochelarilor AR/VR ca și comutatoare de sarcină, convertoare de amplificare și comutatoare de baterie (marcate în interiorul pătratelor portocalii). (Sursa imaginii: Nexperia)

Acest tip de dispozitiv purtabil trebuie să găsească un echilibru între intervalele de reîncărcare extrem de lungi și funcționalitatea „mereu pornit” așteptată de utilizatori. Comutatoarele MOSFET sunt utilizate pentru a dezactiva secțiuni ale dispozitivului atunci când nu sunt utilizate. Observați comutatoarele: acestea sunt implementate cu MOSFET-uri care conectează și deconectează front-end-ul RF și difuzorul. Pe partea de control al alimentării, MOSFET-urile sunt utilizate ca și comutator de baterie și pentru a se conecta la o sursă de alimentare externă pentru încărcarea prin cablu. Acestea sunt, de asemenea, utilizate într-un convertor de putere de amplificare în mod comutat pentru afișaj.

Concluzie

Pentru proiectanții de micro-dispozitive purtabile și alte dispozitive cu restricții de spațiu și de putere, MOSFET-urile Nexperia DFN0603 oferă cele mai bune dimensiuni miniaturale ale capsulei și cea mai bună valoare R_DS(on) din clasa lor, necesare pentru a implementa proiecte de generație viitoare. Acestea sunt componente ideale pentru utilizarea ca și comutatoare de sarcină, comutatoare de baterie și în convertoare de putere în mod comutat.