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 capabilități de inteligență artificială (AI). Aceste tendințe creează probleme de management termic pentru proiectanți. În plus, este nevoie de o durată de viață mai lungă a bateriei pentru o experiență pozitivă a utilizatorului, astfel încât sunt necesare proiecte de înaltă eficiență. Echilibrarea acestui amestec 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 sprijinul proiectanților, au apărut MOSFET-uri miniaturale cu o rezistență “on” foarte mică. Aceste dispozitive oferă, de asemenea, o conductivitate termică excelentă care ajută la controlul disipării căldurii. Unele dispozitive merg atât de departe încât încorporează protecție împotriva descărcărilor electrostatice (ESD).
Articolul analizează, pe scurt, provocările cu care se confruntă proiectanții de dispozitive mici, inteligente și alimentate de la baterii. Apoi, prezintă modul în care aceste provocări pot fi rezolvate cu ajutorul MOSFET-urilor miniaturale de la Nexperia, evidențiind caracteristicile dispozitivelor și aplicabilitatea lor în proiectele purtabile de dimensiuni foarte mici.
Provocări legate de proiectarea dispozitivelor purtabile de mici dimensiuni
Ceasurile digitale, căștile pentru urechi și bijuteriile inteligente, împreună cu alte dispozitive purtabile miniaturale, ridică o serie de provocări pentru proiectanți, în special în ceea ce privește dimensiunea, consumul de putere și managementul termic. Pe măsură ce nivelurile de funcționalitate cresc, datorită, de exemplu, inteligenței artificiale (AI), pentru a atrage utilizatorii finali, provocările nu fac decât să se amplifice. În afară de a găsi loc pentru microcontrolere, baterii, transmițătoare Bluetooth, difuzoare și dispozitive electronice de afișare, proiectanții trebuie să adauge acum capabilități de procesare neurală.
Odată cu creșterea funcționalității, apare și necesitatea abordărilor avansate de minimizare a consumului de energie pentru a prelungi durata de viață a bateriei. Controlul consumului de putere include oprirea elementelor de circuit care nu sunt utilizate, dar aceste circuite trebuie să fie pregătite să se activeze rapid atunci când este nevoie. Pornirea și oprirea alimentării necesită o rezistență “on” redusă în cadrul dispozitivelor cu comutație pentru a reduce pierderile de putere și căldura generată. Gestionarea efectivă 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 conflictuale, prin seria DFN (discrete flat no lead) (Figura 1).
Figura 1: Familia de dispozitive MOSFET în capsulă DFN de la Nexperia în care se evidențiază reducerea dimensiunilor și a amprentei, până la DFN0603. (Sursa imaginii: Nexperia)
Familia DFN0603 este disponibilă într-o capsulă care măsoară 0,63 × 0,33 × 0,25 milimetri (mm). Cea mai importantă schimbare față de modelele anterioare este reducerea înălțimii până la 0,25 mm – fără nicio diminuare a funcționalității. În plus, dispozitivele dispun de o rezistență RDS(on) cu 74% mai mică decât cea a versiunilor anterioare.
Această nouă serie de capsule cu profil ultra-redus include cinci dispozitive MOSFET, atât cu canal N, cât și cu canal P, cu o tensiune drenă-sursă (VDS) cuprinsă între 20 și 60 de volți.
Pe lângă reducerea disipării de putere, facilitată de rezistența lor “on” mai mică, linia de produse DFN0603 prezintă o excelentă conducție termică, menținând scăzută temperatura dispozitivului.
MOSFET-uri trench
Această reducere a dimensiunii, împreună cu reducerea RDS(on), este permisă de designul dispozitivelor MOSFET trench (Figura 2).
Figura 2: O vedere în secțiune transversală arată structura unui MOSFET trench, unde curentul curge pe verticală între sursă și drenă atunci când dispozitivul se află în starea “on” (activă). 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 pe verticală, paralel cu canalul porții, datorită efectului de câmp. Ca urmare, direcția fluxului de curent este una verticală, de la sursă la drenă. În comparație cu un dispozitiv planar, care este răspândit 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 RDS(on) și a crește curentul de drenă.
Familia de MOSFET-uri DFN0603 de la Nexperia
Seria DFN0603 de la Nexperia include cinci dispozitive – patru MOSFET-uri cu canal N și un MOSFET cu canal P (Figura 3), cu o valoare a tensiunii VDS cuprinsă între 20 și 60 de volți. Toate utilizează același tip de capsulă, care are o putere totală de disipare de 300 de miliwați (mW).
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Figura 3: Specificațiile pentru cinci MOSFET-uri DFN0603 de foarte mică putere destinate aplicațiilor mobile și portabile. (Sursa imaginii: Nexperia)
Unde:
VDS = Tensiunea maximă drenă-sursă, în volți.
VGS = Tensiunea maximă poartă-sursă, în volți.
ID = Curentul maxim de drenă, în amperi.
VGSth = Tensiunile de prag minime și maxime poartă-sursă. Aceasta este tensiunea necesară la bornele porții și sursei pentru a începe să pună MOSFET-ul în stare “on”. Valorile minime și maxime iau în considerare variațiile de proces.
ESD = Nivelul de protecție ESD în kilovolți (kV), dacă este inclusă protecția ESD.
RDS(on) = Rezistența (on) drenă-sursă în miliohmi (mΩ) la tensiunea poartă-sursă listată.
PMX100UNEZ și PMX100UNZ sunt MOSFET-uri cu canal N, de 20 de volți. Diferența majoră este aceea că PMX100UNEZ beneficiază de protecție ESD de până la 2 kV, în timp ce PMX100UNZ nu beneficiază de această protecție. Acesta din urmă are o tensiune maximă poartă-sursă mai mare. Dispozitivele ating o rezistență drenă-sursă de 130 mΩ și 122 mΩ la o tensiune poartă-sursă de 4,5 volți și curenți de drenă maximi de 1,4 amperi (A) și, respectiv, 1,3 A.
PMX400UPZ este un dispozitiv cu canal P și are o tensiune maximă drenă-sursă de 20 volți. Acesta are o specificație de curent de drenă maxim ușor mai mică de 0,9 A și o rezistență drenă-sursă de 334 mΩ la o tensiune poartă-sursă de 4,5 volți, în comparație cu dispozitivele cu canal N.
Dispozitivul cu canal N – PMX300UNEZ – are o tensiune maximă drenă-sursă de 30 volți. Deoarece toate MOSFET-urile DFN0603 au o putere nominală maximă de 300 mW, creșterea tensiunii drenă-sursă presupune că intensitatea maximă a curentului de drenă este mai mică, 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 drenă-sursă, de 60 de volți. Curentul maxim de drenă este de 0,3 A, iar rezistența sa drenă-sursă este de 760 mΩ cu o tensiune de comandă poartă-sursă de 4,5 volți.
Împreună cu disiparea de putere nominală maximă de 300 mW, toate dispozitivele DFN0603 au un interval de temperatură de operare de la -55˚C la +150˚C.
Comutare de putere și de sarcină bazată pe MOSFET-uri
Dispozitivele micro-purtabile sunt, de obicei, alimentate de la baterii. Reducerea consumului de putere, pentru a asigura intervale lungi de încărcare, necesită comutarea elementelor de circuit în stare activă (on) și inactivă (off) atunci când nu sunt utilizate. Aceste comutări trebuie să aibă pierderi reduse atunci când se află în starea activă (on) pentru a asigura o disipare redusă a energiei și să aibă pierderi reduse în starea inactivă (off). Comutatoarele de sarcină pot fi implementate cu MOSFET-uri ca dispozitive cu comutație. Acestea sunt ușor de controlat prin aplicarea unei tensiuni adecvate la circuitul de comandă a porții. Switch-urile 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 fie cu MOSFET-uri cu canal P, fie cu MOSFET-uri cu canal N, utilizând semnale adecvate 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. În cazul în care 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 o valoare RDS(on) mai mică pentru o dimensiune dată în comparație cu un dispozitiv cu canal P, s-ar putea să merite acest compromis. O altă alternativă ar fi utilizarea MOSFET-ului cu canal N ca switch pe partea inferioară (low-side) între sarcină și masă, reducând tensiunea de poartă necesară.
Indiferent de modul în care este implementat comutatorul (switch-ul) de sarcină, căderea de tensiune pe MOSFET este egală cu produsul dintre curentul de drenă și RDS(on). Pierderea de putere este produsul dintre curentul de drenă la pătrat și RDS(on). Astfel, un PMX100UNE care operează la un curent de drenă maxim de 0,7 A ar avea o pierdere de putere de numai 58 mW datorită rezistenței canalului său de 120 mΩ. Acesta este motivul pentru care obținerea celei mai mici valori posibile a valorii RDS(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.
Figura 5: 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)
Comutatoarele de sarcină bazate pe MOSFET pot fi utilizate, de asemenea, 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 execută prin plasarea a două MOSFET-uri în serie cu polaritate inversă (Figura 5).
Protecția împotriva curentului invers într-un comutator de sarcină poate fi, de asemenea, implementată folosind o configurație cu sursă comună. Acest aranjament necesită accesul la punctul de sursă comună pentru a efectua o descărcare a porții după pornire.
Aplicații ale acestor dispozitive
Exemple bune de dispozitive purtabile în curs de apariție sunt ochelarii AR și VR, care au nevoie de componente foarte eficiente, cu disipare de putere redusă și dimensiuni fizice mici. Sunt utilizate o serie de dispozitive MOSFET atât pentru comutație, cât și pentru conversia de putere (Figura 6).
Figura 6: MOSFET-urile joacă roluri critice în proiectarea ochelarilor AR/VR pe post de comutatoare de sarcină, amplificatoare și comutatoare de baterie (marcate în interiorul pătratelor portocalii). (Sursa imaginii: Nexperia)
Acest tip de dispozitive purtabile trebuie să găsească un echilibru între intervalele de reîncărcare extrem de lungi și funcționalitatea “mereu activă” (always-on) așteptată de utilizatori. Cu ajutorul comutatoarelor MOSFET se deconectează secțiunile dispozitivului atunci când acestea nu sunt utilizate. Observați comutatoarele: acestea sunt implementate cu MOSFET-uri care conectează și deconectează front-end-ul RF și difuzorul. Pentru controlul alimentării, MOSFET-urile sunt utilizate drept comutatoare de baterie și/sau pentru conectarea la o sursă de alimentare externă pentru încărcarea prin cablu. De asemenea, acestea sunt utilizate într-un convertor de putere cu comutație pentru afișaj.
Concluzie
Pentru proiectanții de dispozitive purtabile mici și de alte dispozitive cu restricții de spațiu și de putere, MOSFET-urile DFN0603 de la Nexperia oferă cele mai bune dimensiuni ale capsulei și cel mai bun RDS(on) din clasa lor, necesare pentru a implementa proiecte de generație viitoare. Acestea sunt componente ideale pentru utilizarea ca switch-uri de sarcină, de baterie și în convertoare de putere cu comutație.
Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf face parte din grupul European de Asistență Tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la întrebările venite din partea clienților finali din EMEA referitoare la Dezvoltare și Inginerie. Înainte de Digi-Key, el a lucrat la mai mulți producători din zona semiconductorilor, cu accent pe sistemele embedded ce conțin FPGA-uri, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf este licențiat în inginerie electrică și electronică la Universitatea de Științe Aplicate din Munchen, Bavaria.
DigiKey | https://www.digikey.ro
