Jó hatásfokú teljesítményszabályozás helyszűkében lévő készülékekben

Az olyan viselhető készülékek, mint a fülhallgatók, okosórák, kiterjesztett valósághoz (AR)/virtuális valósághoz (VR) való szemüvegek és hallókészülékek egyre kisebbek és diszkrétebbek. Ugyanakkor ezek a készülékek több funkciót követelnek meg, többek között mesterséges intelligenciás (MI vagy az artificial intelligence angol kifejezésből alkotott betűszóval AI) képességeket is. Ezek a trendek hűtési problémákat jelentenek a tervezők számára. Emellett a pozitív felhasználói élményhez elengedhetetlen a hosszabb akkumulátor-üzemidő, ezért jó hatásfokú készülékekre van szükség. A tervezők számára komoly feladatot jelent, hogy megtalálják az egyensúlyt ezek között a gyakran egymásnak ellentmondó tervezési követelmények között, és a nyomtatott áramköri lapon elfoglalt hely minimálisra csökkentése és a töltések közötti idő lehető leghosszabbra nyújtása érdekében olykor újra kell gondolniuk az alkatrészválasztást.

A tervezők segítésére megjelentek a nagyon kis nyitóirányú ellenállású miniatűr MOSFET-ek. Ezeknek az alkatrészeknek kiváló a hővezető képességük is, hogy segítsék a hűtés szabályozását. Egyes eszközök olyan messzire mennek, hogy elektrosztatikus kisülés (ESD) elleni védelemmel is el vannak látva.

Ez a cikk röviden tárgyalja azokat a kihívásokat, amelyekkel a kis méretű, intelligens akkumulátoros készülékek tervezői szembesülnek. Ezután bemutatja, hogyan oldhatók meg ezek a feladatok a Nexperia miniatűr tokozású MOSFET-jeivel, kiemelve ezen alkatrészek jellemzőit és a kis méretű viselhető eszközökben való használhatóságát.

A kis méretű viselhető eszközök tervezése jelentette kihívások

A digitális órák, fülhallgatók és intelligens ékszerek, valamint más kis méretű viselhető eszközök számos kihívást jelentenek a tervezők számára, különösen a méret, a fogyasztás és a hűtés tekintetében. A feladatok egyre csak nőnek, mivel ezek az eszközök a végfelhasználók bevonása érdekében egyre több funkciót, például mesterséges intelligenciát is kínálnak. A mikrovezérlők, akkumulátorok, Bluetooth adó-vevők, hangszórók és kijelzőelektronika elhelyezése mellett a tervezőknek most már neurális feldolgozási képességekkel is fel kell ruházniuk az eszközöket.

Az egyre több funkcióval együtt jár a fejlett fogyasztáscsökkentési megoldások iránti igény, hogy minél hosszabb legyen az akkumulátorok üzemideje. A fogyasztás szabályozása magában foglalja a nem használt áramköri elemek kikapcsolását, de ezeknek az áramköröknek készen kell állniuk arra, hogy szükség esetén gyorsan bekapcsoljanak. Bár az áramellátás be- és kikapcsolása javítja a hatásfokot, a kapcsolóeszközökön belül kis ellenállásra van szükség a teljesítményveszteségek és a keletkező hő csökkentése érdekében. A keletkező hő hatékony elvezetését megnehezíti ezeknek az eszközöknek a kis mérete, ami csak még inkább kiemeli a jó hatásfokú, kis veszteségű alkatrészek fontosságát.

A Nexperia a diszkrét félvezető alkatrészek gyártása terén szerzett több évtizedes tapasztalatára támaszkodva a DFN (discrete flat no lead – diszkrét, lapos, láb nélküli) termékcsaládjában (1. ábra) képes volt a MOSFET-ek méretének oly módon történő csökkentésére, hogy megfeleljen ezeknek a gyakran ellentmondásos követelményeknek.

1. ábra: A képen a Nexperia DFN tokozású MOSFET-termékcsaládja látható, mutatva a méret és a helyigény csökkenését egészen a DFN0603 jelű alkatrészig (kép: Nexperia)

A DFN0603 egy 0,63 mm × 0,33 mm × 0,25 mm méretű tokban kerül forgalomba. A legjelentősebb változás a korábban bemutatott típushoz képest a magasság 0,25 mm-re történő csökkentése – a funkciók csökkenése nélkül. Ezen kívül az eszköznek 74%-kal kisebb a nyelő–forrás nyitóirányú ellenállása (R_DS(on)), mint a korábbi tokozású változatnak.

Ezt az új, rendkívül lapos sorozatot öt MOSFET alkotja. Vannak köztük n csatornás és p csatornás MOSFET-ek is, amelyek 20–60 V nyelő–forrás feszültségre (V_DS) vannak méretezve.

A DFN0603 termékcsaládnak a kisebb nyitóirányú ellenállásnak köszönhető kisebb fogyasztás mellett kiváló a hővezetése is, ami alacsonyan tartja a nyomtatott áramköri lapra szerelt eszköz hőmérsékletét.

Árkos MOSFET-ek

Ezt a méretcsökkentést, valamint az R_DS(on) nyitóirányú ellenállás csökkentését az eszköz árkos MOSFET-ként való kialakítása teszi lehetővé (2. ábra).

2. ábra: A keresztmetszeti nézet egy árkos MOSFET felépítését mutatja. Amikor az eszköz nyitva van, az áram függőlegesen folyik a forrás (source) és a nyelő (drain) között. A szaggatott vonal a csatornaterületeket mutatja (ábra: Art Pini)

A többi MOSFET-hez hasonlóan az árkos MOSFET-cellának is van nyelője (drain), kapuja (gate) és forrása (source), de a csatorna a térvezérlés következtében függőlegesen, a kapuárokkal párhuzamosan alakul ki. Ennek eredményeképpen az áramfolyás iránya függőleges, a forrástól a nyelő felé. A vízszintes elrendezésű és nagy területet elfoglaló sík MOSFET-ekkel összehasonlítva ez a felépítés nagyon kis méretű, és lehetővé teszi, hogy a szilíciumszeleten nagyon sok szomszédos cella legyen. Az összes cella párhuzamosan van összekapcsolva, hogy kisebb legyen az R_DS(on) nyitóirányú ellenállás és nagyobb a nyelőáram.

A Nexperia DFN0603 MOSFET termékcsalád

A Nexperia DFN0603 sorozatot öt alkatrész alkotja – négy n csatornás és egy p csatornás MOSFET (3. ábra), 20 V és 60 V közötti V_DS-határértékkel. Mindegyik ugyanazt a fizikai tokozást használja, amelynek 300 mW a teljes teljesítményleadási határértéke.

3. ábra: A táblázatban öt mobil és hordozható eszközökbe szánt DFN0603 rendkívül kis fogyasztású MOSFET műszaki adatai szerepelnek (táblázat: Nexperia)

Ahol:

V_DS = Legnagyobb nyelő–forrás feszültség, V.

V_GS = Legnagyobb kapu–forrás feszültség, V.

I_D = Legnagyobb nyelőáram, A.

V_GSth = A legkisebb és legnagyobb kapu–forrás küszöbfeszültség. Ez az a feszültség, amelyet a kapu és a forrás elektróda közé kell kapcsolni a MOSFET kinyitásához. A legkisebb és legnagyobb értékek felelősek a folyamatváltozásokért.

ESD = Az elektrosztatikus kisülések (ESD, electrostatic discharge) elleni védelmi szint kV-ban, ha a MOSFET el van látva elektrosztatikus kisülés elleni védelemmel.

R_DS(on) = A nyelő–forrás nyitóirányú ellenállás mΩ-ban a megadott kapu–forrás feszültség esetén.

A PMX100UNEZ és a PMX100UNZ hasonló 20 V-os n csatornás MOSFET. A fő különbség az, hogy a PMX100UNEZ 2 kV-ig védett az elektrosztatikus kisülések ellen, míg a PMX100UNZ nem védett. Ez utóbbinak nagyobb a legnagyobb kapu–forrás feszültsége. A két alkatrész nyitóirányú nyelő–forrás ellenállása 4,5 V-os kapu–forrás feszültség esetén 130 mΩ, illetve 122 mΩ, legnagyobb nyelőárama 1,4 A, illetve 1,3 A.

A PMX400UPZ az egyetlen p csatornás alkatrész, és 20 V a legnagyobb névleges nyelő–forrás feszültsége. Az n csatornás alkatrészekhez képest valamivel kisebb, 0,9 A a legnagyobb nyelőárama, és 4,5 V-os kapu–forrás feszültség esetén 334 mΩ a nyitóirányú nyelő–forrás ellenállása.

Az n csatornás PMX300UNEZ alkatrésznek 30 V a névleges legnagyobb nyelő–forrás feszültsége. Mivel az összes DFN0603 MOSFET legnagyobb teljesítménye 300 mW, a nyelő–forrás feszültség növelése azt jelenti, hogy a legnagyobb nyelőáram kisebb lesz, ebben az esetben 0,82 A. A nyelő–forrás nyitóirányú ellenállás 4,5 V-os kapu–forrás feszültség esetén 190 mΩ.

Az n csatornás PMX700ENZ nyelő–forrás feszültsége a legmagasabb, 60 V. A legnagyobb nyelőáram 0,3 A, a nyelő–forrás nyitóirányú ellenállás 4,5 V-os kapu–forrás feszültség esetén 760 mΩ.

A 300 mW legnagyobb névleges teljesítmény mellett a DFN0603-as eszközök üzemi hőmérséklet-tartománya –55 ˚C – +150 ˚C.

MOSFET-es áramellátás- és terheléskapcsolás

A kis méretű viselhető eszközök leggyakrabban akkumulátorról működnek. A hosszú töltések közti időközök eléréséhez a fogyasztás csökkentése érdekében az áramköri elemeket ki kell kapcsolni, amikor nem használják őket, használat esetén pedig bekapcsolni. Ezeknek a kapcsolóüzemű alkatrészeknek nyitott (bekapcsolt) állapotban kis veszteségűeknek kell lenniük, hogy zárt (kikapcsolt) állapotban kis fogyasztást és kis áramszivárgást tegyenek lehetővé. A terheléskapcsolók kapcsolóeszközként MOSFET-eket használva valósíthatók meg. A MOSFET-eket könnyű vezérelni, ehhez csak megfelelő feszültséget kell adni a kapuvezérlő áramkörre. A terheléskapcsolókat p csatornás és n csatornás MOSFET-ek segítségével is ki lehet alakítani (4. ábra).

4. ábra: Az áram forrás és a terhelés között elhelyezett magasoldali terheléskapcsolók p csatornás és n csatornás MOSFET-ekkel is megvalósíthatók, megfelelő kapuvezérlő jeleket használva (ábra: Nexperia)

Ha p csatornás MOSFET-et használunk, a kapu alacsonyra húzása nyitja (kapcsolja be) a kapcsolót, és teszi lehetővé, hogy az áram a terhelésre folyjon. N csatornás áramkör esetében a bemeneti feszültségnél nagyobb feszültséget kell a kapura adni a MOSFET teljes kinyitásához. Ha nem áll rendelkezésre nagyfeszültségű jel, akkor töltésszivattyút használva lehet vezérelni az n csatornás alkatrész kapuját. Ez növeli az áramkör bonyolultságát, de mivel az n csatornás MOSFET-ek R_DS(on) nyitóirányú ellenállása adott méret mellett kisebb, mint a p csatornás eszközöké, ez megéri a kompromisszumot. Egy másik alternatíva, ha az n csatornás MOSFET-et a terhelés és a test közötti alacsonyoldali kapcsolóként használjuk, ami csökkenti a szükséges kapufeszültséget.

Függetlenül attól, hogy a terheléskapcsoló hogyan van megvalósítva, a MOSFET-en keresztüli feszültségesés a nyelőáram és az R_DS(on) nyitóirányú ellenállás szorzatával egyenlő. A teljesítményveszteség a nyelőáram négyzetének és az R_DS(on) nyitóirányú ellenállásnak szorzata. Így egy 0,7 A legnagyobb nyelőáramú PMX100UNE teljesítményvesztesége a 120 mΩ csatorna-ellenállás miatt mindössze 58 mW. Ezért olyan fontos a hordozható és viselhető eszközök tervezésénél, hogy az R_DS(on) nyitóirányú ellenállás a lehető legalacsonyabb értékű legyen. A kisebb energiaveszteség kisebb hőmérséklet-emelkedést és hosszabb akkumulátor-üzemidőt jelent.

A MOSFET-es terheléskapcsolók arra is használhatók, hogy blokkolják a visszáramokat, amelyek meghibásodás, például rövidzárlat esetén jelentkezhetnek a töltő bemeneténél. Ez két MOSFET fordított polaritással való sorba kapcsolásával történik (5. ábra).

5. ábra: A rajzon egy visszáramvédett terheléskapcsoló látható, amely közös nyelőjű kapcsolást és p csatornás MOSFET-eket használ (ábra: Nexperia)

A terheléskapcsoló visszáramvédelme közös forrású kapcsolással is megvalósítható. Ez az elrendezés megköveteli a közös forrásponthoz való hozzáférést, hogy a kapu a kinyitás után kisüljön.

Termékekben való felhasználás

Jó példák a feltörekvő viselhető eszközökre az AR- és VR-szemüvegek. Ezekhez az eszközökhöz rendkívül jó hatásfokú, kis fogyasztású és kis fizikai méretű alkatrészekre van szükség. Számos MOSFET-et használnak kapcsolóként és az áramátalakítókban (6. ábra).

6. ábra: A MOSFET-ek nélkülözhetetlen szerepet játszanak az AR- és VR-szemüvegekben mint terheléskapcsolók, feszültségnövelő áramátalakítók és akkumulátorkapcsolók (a narancssárga négyzetekben jelölve) (ábra: Nexperia)

Az ilyen típusú viselhető eszközök esetében meg kell találni az egyensúlyt a töltések közti rendkívül hosszú időközök és felhasználók azon elvárása között, hogy a funkciók mindig be legyenek kapcsolva. A MOSFET-es kapcsolók az eszköz éppen nem használt részeinek kikapcsolására szolgálnak. Figyelje meg a kapcsolókat: ezek MOSFET-ekkel vannak megvalósítva, amelyek a rádiófrekvenciás bemenet és a hangszóró összekapcsolására, illetve leválasztására szolgálnak. Az áramellátási oldalon a MOSFET-eket akkumulátorkapcsolóként és vezetékes töltés esetén a külső áramforráshoz való csatlakoztatásra használják. A kijelzőhöz tartozó kapcsolóüzemű feszültségnövelő áramátalakítóban is használnak MOSFET-eket.

Összegzés

A Nexperia DFN0603 tokba épített MOSFET-jei a kis méretű viselhető eszközök és más hely- és teljesítményszűkében lévő eszközök tervezői számára a következő generációs készülékek megvalósításához szükséges miniatűr tokméretek mellett a legkisebb R_DS(on) nyitóirányú ellenállást kínálják. Ideális alkatrészek terheléskapcsolóként, akkumulátorkapcsolóként és kapcsolóüzemű áramátalakítókban való használatra.