Miten saavutetaan tehokas virranhallinta laitteissa, joissa tila on rajallinen

Puettavat laitteet, kuten nappikuulokkeet, älykellot, lisättyä todellisuutta ja virtuaalitodellisuutta tarjoavat AR- ja VR-lasit sekä kuulokojeet ovat yhä pienempiä ja huomaamattomampia. Samaan aikaan näiltä sovelluksilta vaaditaan enemmän toiminnallisuutta, kuten tekoälyominaisuuksia (AI). Nämä trendit aiheuttavat suunnittelijoille lämmönhallintaongelmia. Lisäksi positiivinen käyttökokemus vaatii pidemmän akun kestoajan, joten näiden laitteiden hyötysuhteen pitää olla korkea. Näiden usein ristiriitaisten suunnitteluvaatimusten tasapainottaminen vaatii suunnittelijoita pohtimaan komponenttivalintojaan, jotta ne vievät mahdollisimman vähän tilaa piirilevyltä ja mahdollistavat pitkän ajan latausten välillä.

Tätä helpottamaan markkinoille on tullut erittäin pienikokoisia MOSFET-transistoreita, joiden johtotilan resistanssi on erittäin alhainen. Näiden komponenttien lämmönjohtokyky on myös erinomainen, mikä auttaa kontrolloimaan lämmön poistoa. Jotkin laitteet on jopa suojattu staattisilta purkauksilta (ESD).

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti pienten älykkäiden akkukäyttöisten laitteiden suunnitteluhaasteita. Sen jälkeen artikkelissa esitellään, miten nämä haasteet voidaan ratkaista käyttämällä Nexperian miniatyyrikokoisia MOSFET-transistoreita, keskittyen niiden ominaisuuksiin ja soveltuvuuteen mikrokokoisiin puettaviin ratkaisuihin.

Mikrokokoisen puettavan laitteen suunnittelun haasteet

Digitaaliset kellot, nappikuulokkeet ja älykorut sekä muut miniatyyrikokoiset puettavat laitteet aiheuttavat useita suunnitteluhaasteita erityisesti koon, virrankulutuksen ja lämmönhallinnan suhteen. Haasteet kasvavat edelleen, kun loppukäyttäjien sitouttamiseksi tarjotaan AI:n kaltaista korkeamman tason toiminnallisuutta. Sen lisäksi, että on löydettävä tila mikrokontrollereille, akuille, Bluetooth-lähetin-vastaanottimille, kaiuttimille ja näyttöelektroniikalle, suunnittelijoiden on nyt lisättävä neuroverkkoprosessointikyky.

Toiminnallisuuden lisääntyessä tarvitaan edistyneitä keinoja virrankulutuksen minimointiin akun keston pidentämiseksi. Virrankulutuksen hallintaan sisältyy sellaisten virtapiirin elementtien kytkeminen pois päältä, jotka eivät ole käytössä, mutta ne täytyy tarvittaessa voida kytkeä nopeasti takaisin päälle. Vaikka virran kytkeminen päälle ja pois onkin tehokasta, se vaatii kytkentäkomponenteilta alhaisen johtotilan resistanssin, jotta virtahäviöitä ja lämmön syntymistä voidaan vähentää. Muodostuneen lämmön tehokasta hallintaa monimutkaistaa näiden laitteiden kompakti rakenne, joka entisestään korostaa erittäin korkean hyötysuhteen ja pienihäviöisten komponenttien tärkeyttä.

Nexperialla on vuosikymmenten kokemus erillispuolijohdekomponenttien valmistamisesta, minkä ansiosta se on kyennyt kutistamaan MOSFET-transistoreidensa koon täyttämään nämä usein ristiriitaiset vaatimukset DFN-sarjassaan (kuva 1).

Kuva 1: Kuvassa on Nexperian DFN-koteloitujen MOSFET-komponenttien tuoteperhe, ja siinä näkyy koon ja tarvittavan pinta-alan pieneneminen aina DFN0603-komponenttiin asti. (Kuvan lähde: Nexperia)

DFN0603-kotelon koko on 0,63 x 0,33 x 0,25 mm. Merkittävin muutos kuvassa näkyvään aikaisempaan malliin on korkeuden pienentäminen 0,25 millimetriin toiminnallisuudesta tinkimättä. Lisäksi komponentin johtotilan nielu-lähde-resistanssi (R_DS(on)) on 74 % pienempi kuin aikaisemman version.

Tämä uusi erittäin matalaprofiilinen kotelosarja sisältää viisi MOSFET-komponenttia, sekä N- että P-kanavalla, joiden nielu-lähdejännitteen jänniteluokitus on 20–60 V_DS.

Alhaisemman johtotilan resistanssin mahdollistaman pienemmän tehohäviön lisäksi DFN0603-tuotelinjassa on erinomainen lämmönjohtavuus, joka pitää asennetun komponentin lämpötilan alhaisena.

Trench MOSFET ‑transistorit

Pienempi koko ja matalampi R_DS(on) ovat mahdollisia komponentin trench MOSFET ‑rakenteen ansiosta (kuva 2).

Kuva 2: Poikkileikkauskuva esittää trench MOSFET ‑transistorin rakenteen, jossa virta kulkee pystysuunnassa lähteen ja nielun välillä komponentin ollessa johtotilassa. Katkoviiva osoittaa kanava-alueet. (Kuvan lähde: Art Pini)

Kuten muissakin MOSFET-transistoreissa, trench MOSFET ‑transistorin soluissa on nielu, hila ja lähde, mutta kanava muodostuu pystysuunnassa trench-hilarakenteen suuntaisesti kenttäilmiön ansiosta. Tämän seurauksena virta kulkee pystysuunnassa lähteestä nieluun. Verrattuna planaariseen komponenttiin, joka levittäytyy vaakasuunnassa ja vie varsin paljon pinta-alaa, tämä rakenne on erittäin kompakti, minkä ansiosta piisirussa voi olla erittäin suuri määrä vierekkäisiä soluja. Kaikki solut on kytketty toimimaan rinnakkain, jotta R_DS(on)-arvoa voidaan pienentää ja nieluvirtaa suurentaa.

Nexperia DFN0603 MOSFET ‑perhe

Nexperia DFN0603 ‑sarja sisältää viisi komponenttia: neljä N-kanavan MOSFET-transistoria ja yhden P-kanavan MOSFET-transistorin (kuva 3), joiden V_DS-raja-arvot ovat 20–60 volttia. Kaikki käyttävät samaa fyysistä kotelointia, jonka kokonaistehohäviön raja on 300 mW.

Kuva 3: Kuvassa on viiden erittäin vähävirtaisen DFN0603-MOSFET-transistorin spesifikaatiot. Ne on tarkoitettu kannettaviin ja mobiilisovelluksiin. (Kuvan lähde: Nexperia)

Missä

V_DS = suurin nielu-lähdejännite volteissa.

V_GS = suurin hila-lähdejännite volteissa.

I_D = suurin nieluvirta ampeereissa.

V_GSth = pienin ja suurin hila-lähde-kynnysjännite. Tämä on jännite, joka tarvitaan hilan ja lähteen liittimien välillä aloittamaan MOSFET-transistorin siirtymisen johtotilaan. Vähimmäis- ja enimmäisarvoilla otetaan huomioon prosessivariaatiot.

ESD = ESD-suojaustaso kilovolteissa (kV), jos komponenttiin sisältyy ESD-suojaus.

R_DS(on) = nielu-lähderesistanssi milliohmeissa (mΩ) annetulla hila-lähdejännitteellä.

PMX100UNEZ ja PMX100UNZ ovat samankaltaisia kuin 20 voltin N-kanavan MOSFET-transistorit. Suurin ero on se, että PMX100UNEZ tarjoaa 2 kV:n ESD-suojauksen, kun taas PMX100UNZ ei sisällä suojausta. Jälkimmäisessä on korkeampi hila-lähde-enimmäisjännite. Ne saavuttavat 130 mΩ:n ja 122 mΩ:n hila-lähderesistanssin 4,5 voltin hila-lähdejännitteellä sekä 1,4 ampeerin ja 1,3 ampeerin enimmäisnieluvirran.

PMX400UPZ on P-kanavan komponentti, jolla on 20 voltin nielu-lähde-enimmäisjänniteluokitus. Sen nieluvirran enimmäisspesifikaatio on hieman matalampi, 0,9 A, ja sen nielu-lähde-resistanssi on 334 mΩ 4,5 voltin hila-lähdejännitteellä N-kanavan komponentteihin verrattuna.

N-kanavan PMX300UNEZ-komponentilla on 30 voltin nielu-lähde-enimmäisjänniteluokitus. Koska kaikkien DFN0603 MOSFET-transistoreiden enimmäisteholuokitus on 300 mW, nielu-lähdejännitteen nostaminen tarkoittaa, että enimmäisnieluvirta on matalampi, tässä tapauksessa 0,82 ampeeria. Nielu-lähderesistanssi on 190 mΩ 4,5 voltin hila-lähdejännitteellä.

N-kanavan PMX700ENZ tarjoaa korkeimman nielu-lähdejännitteen, 60 volttia. Enimmäisnieluvirta on 0,3 A, ja sen nielu-lähderesistanssi on 760 mΩ 4,5 voltin hila-lähde-ohjausjännitteellä.

300 mW:n luokitellun enimmäistehohäviön lisäksi kaikilla DFN0603-komponenteilla on käyttölämpötila-alue –55 °C ... +150 °C.

MOSFET-transistorin tehon ja kuorman kytkentä

Mikrokokoiset puettavat laitteet ovat yleisimmin akku- tai paristokäyttöisiä. Virrankäytön vähentäminen pitkien latausvälien mahdollistamiseksi edellyttää virtapiirin osien kytkemistä päälle ja pois päältä, kun ne eivät ole käytössä. Näillä kytkimillä pitää olla alhainen tehohäviö, kun ne ovat johtotilassa, ja alhainen vuotovirta ei-johtotilassa, jotta voidaan mahdollistaa mahdollisimman alhainen virrankulutus. Kuormakytkimet voidaan toteuttaa käyttämällä MOSFET-transistoreita kytkinlaitteina. Niitä on helppo ohjata syöttämällä tarvittava jännite hilanohjauspiiriin. Kuormakytkiminä voidaan käyttää joko P-kanavan tai N-kanavan MOSFET-transistoreita (kuva 4).

Kuva 4: Yläpuolen kuormakytkimet, jotka on sijoitettu virtalähteen ja kuorman väliin, voidaan toteuttaa joko P-kanavan tai N-kanavan MOSFET-transistoreilla käyttämällä tarvittavia hilanohjaussignaaleja. (Kuvan lähde: Nexperia)

Jos käytetään P-kanavan MOSFET-transistoria, hilajännitteen laskeminen alas vaihtaa kytkimen johtotilaan ja sallii virran pääsyn kuormaan. N-kanavan piiri vaatii syöttöjännitettä korkeamman jännitteen, jotta MOSFET-transistori kytkeytyy täysin johtotilaan. Jos korkeajännitesignaalia ei ole saatavilla, N-kanavan hilan ohjaus voidaan toteuttaa varauspumpulla. Tämä lisää piirin kompleksisuutta, mutta koska N-kanavan MOSFET-transistorien R_DS(on) on alhaisempi verrattuna samankokoiseen P-kanavan komponenttiin, tämä kompromissi voi olla sen arvoinen. Toinen vaihtoehto on käyttää N-kanavan MOSFET-transistoria alapuolen kytkimenä kuorman ja maan välillä, mikä vähentää tarvittavaa hilajännitettä.

Riippumatta siitä, miten kuormakytkin toteutetaan, MOSFET-transistorin aiheuttama jännitehäviö on yhtä suuri kuin nieluvirran ja R_DS(on)-resistanssin tulo. Tehohäviö on nieluvirran neliön ja R_DS(on)-resistanssin tulo. Täten 0,7 A:n enimmäisnieluvirralla toimivan PMX100UNE-komponentin tehohäviö olisi vain 58 mW sen 120 mΩ:n kanavaresistanssin ansiosta. Tämän vuoksi mahdollisimman pienen R_DS(on)-arvon saavuttaminen on niin tärkeää kannettavien ja puettavien laitteiden suunnittelussa. Alhaisempi tehohäviö tarkoittaa pienempää lämpötilan nousua ja pidempää akun kestoa.

MOSFET-kuormakytkimiä voidaan käyttää myös estämään käänteisvirrat, joita saattaa ilmetä lataustulon oikosulun kaltaisissa vikatiloissa. Tämä saavutetaan asettamalla kaksi MOSFET-transistoria sarjaan päinvastaisilla napaisuuksilla (kuva 5).

Kuva 5: Kuvassa on käänteisvirtasuojattu kuormakytkin, jossa käytetään yhteisnieluvirtapiiriä ja P-kanavan MOSFET-transistoreita. (Kuvan lähde: Nexperia)

Käänteisvirtasuojaus voidaan toteuttaa kuormakytkimessä myös käyttäen yhteislähdekytkentää. Tämä edellyttää, että käytössä on yhteislähdepiste, jotta hilan varaus voidaan purkaa johtotilaan kytkeytymisen jälkeen.

Tuotesovellukset

AR- ja VR-lasit ovat hyviä esimerkkejä tulollaan olevista puettavista laitteista. Nämä laitteet tarvitsevat erittäin korkean hyötysuhteen komponentteja, joiden tehonkulutus on alhainen ja fyysinen koko pieni. Niissä käytetään useita MOSFET-komponentteja kytkiminä ja tehonmuunnoksessa (kuva 6).

Kuva 6: MOSFET-komponentit ovat tärkeässä roolissa AR-/VR-lasien suunnittelussa kuormakytkiminä, jännitteenkorotusmuuntimina ja akkukytkiminä (merkitty oransseilla neliöillä). (Kuvan lähde: Nexperia)

Tämäntyyppisen puettavan laitteen on tasapainotettava erittäin pitkät latausvälit käyttäjien odottaman ”aina päällä” -toiminnallisuuden kanssa. MOSFET-kytkimiä käytetään kytkemään virta pois niistä laitteen osista, jotka eivät ole käytössä. Huomaa kytkimet: nämä on toteutettu MOSFET-transistoreilla, jotka yhdistävät ja erottavat RF-etuasteen ja kaiuttimen. MOSFET-transistoreita käytetään virranhallintapuolella akkukytkimenä ja kytkimenä ulkoiseen teholähteeseen johdollista latausta varten. Niitä käytetään myös näytön hakkuritehomuuntimessa.

Yhteenveto

Nexperian DFN0603-koteloidut MOSFET-transistorit tarjoavat mikrokokoisten puettavien laitteiden suunnittelijoille ja muihin tilan ja tehon suhteen rajallisiin laitteisiin miniatyyrikokoisen koteloinnin sekä luokkansa parhaan R_DS(on)-arvon, jota tarvitaan uuden sukupolven ratkaisuiden toteuttamiseen. Ne ovat ihanteellisia komponentteja käytettäväksi kuormakytkiminä, akkukytkiminä ja hakkuritehomuuntimissa.