Realizowanie wydajnego sterowania zasilaniem w projektach z ograniczoną przestrzenią

Urządzenia ubieralne, takie jak wkładki douszne, smartwatche, okulary do rzeczywistości rozszerzonej i wirtualnej (AR/VR) oraz aparaty słuchowe są coraz mniejsze i bardziej dyskretne. Jednocześnie tego typu rozwiązania wymagają wdrażania coraz bardziej zaawansowanych funkcji, w tym sztucznej inteligencji (AI). Trendy te generują dla projektantów problemy z odprowadzaniem ciepła. Oprócz tego, aby zapewnić wyższy komfort obsługi urządzeń potrzebny jest dłuższy czas pracy baterii, w związku z tym koniecznością są projekty o wysokiej sprawności. Pogodzenie ze sobą tych różnych, często sprzecznych ze sobą wymagań projektowych wymaga od projektantów ponownego przemyślenia doboru komponentów w celu zminimalizowania przestrzeni zajmowanej na płytce przy jednoczesnym wydłużeniu czasu między ładowaniami.

Aby pomóc w tym projektantom, opracowano miniaturowe tranzystory MOSFET o bardzo niskiej rezystancji w stanie włączania. Urządzenia te zapewniają także doskonałą przewodność cieplną, ułatwiając kontrolę nad rozpraszaniem ciepła. Niektóre urządzenia posiadają nawet wbudowane zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD).

Niniejszy artykuł pokrótce omawia wyzwania, na które napotykają projektanci małych, inteligentnych urządzeń zasilanych bateryjnie. Dodatkowo pokazuje, w jaki sposób można sprostać tym wyzwaniom za pomocą miniaturowych, zamkniętych w obudowach tranzystorów MOSFET firmy Nexperia, i podkreśla charakterystykę tych urządzeń oraz ich wykorzystanie w projektowaniu mikrourządzeń ubieralnych.

Wyzwania w projektowaniu mikrourządzeń ubieralnych

Cyfrowe zegarki, wkładki douszne, inteligentna biżuteria i inne miniaturowe urządzenia ubieralne rzucają projektantom szereg wyzwań, w szczególności w odniesieniu do rozmiarów, poboru mocy i odprowadzania ciepła. Wyzwania stale rosną, ponieważ z myślą o przykuciu uwagi użytkowników końcowych oferowane są coraz bardziej zaawansowane funkcje, takie jak sztuczna inteligencja. Oprócz znalezienia miejsca na mikrokontrolery, baterie, nadajniki Bluetooth, głośniki i elektronikę wyświetlaczy, projektanci muszą teraz dodać funkcje przetwarzania neuronowego.

Wraz z postępem pojawia się potrzeba wdrożenia zaawansowanych metod minimalizacji poboru mocy w celu wydłużenia czasu pracy baterii. Kontrola poboru mocy obejmuje wyłączanie elementów obwodu, które nie są używane, choć obwody te muszą być gotowe do szybkiego włączenia w razie potrzeby. Włączanie i wyłączanie zasilania jest skuteczne, ale wymaga niskiej rezystancji w stanie włączenia w urządzeniach przełączających, aby zmniejszyć straty mocy i generowane ciepło. Efektywne zarządzanie generowanym ciepłem jest skomplikowane ze względu na kompaktową obudowę tych urządzeń, co tylko podkreśla znaczenie wysokosprawnych i niskostratnych komponentów.

Korzystając z wieloletniego doświadczenia w produkcji dyskretnych komponentów półprzewodnikowych, firma Nexperia była w stanie zmniejszyć rozmiary swoich tranzystorów MOSFET, aby spełnić te często sprzeczne wymagania. Zaprezentowała to w serii DFN (dyskretne, płaskie, bez wyprowadzeń) (ilustracja 1).

Ilustracja 1: przedstawiono grupę tranzystorów MOSFET w obudowach DFN firmy Nexperia, która charakteryzuje się zmniejszonymi rozmiarem i zajmowaną powierzchnią - a najmniejszym spośród nich jest model DFN0603. (Źródło ilustracji: Nexperia)

Tranzystor MOSFET DFN0603 posiada obudowę o wymiarach 0,63 na 0,33 na 0,25mm. Najbardziej znaczącą zmianą w stosunku do wcześniejszego modelu jest zmniejszenie wysokości do 0,25mm - bez ograniczania funkcjonalności. Oprócz tego urządzenie to ma o 74% niższą rezystancję dren-źródło w stanie włączenia (R_DS(on)) w stosunku do wcześniejszej obudowy.

Ta nowa seria w obudowach niskoprofilowych obejmuje pięć tranzystorów MOSFET, zarówno z kanałem N, jak i P, o napięciu dren-źródło (V_DS) od 20 do 60V.

Oprócz niższej mocy rozpraszanej wynikającej z niższej rezystancji w stanie włączenia, linia produktów DFN0603 wykazuje doskonałe przewodnictwo cieplne, które pozwala utrzymać niską temperaturę zamontowanego urządzenia.

Tranzystory Trench MOSFET

Wspomniana wcześniej redukcja rozmiaru oraz redukcja wartości R_DS(on) są możliwe dzięki budowie tranzystora Trench MOSFET (ilustracja 2).

Ilustracja 2: przekrój przedstawia strukturę tranzystora Trench MOSFET z prądem płynącym pionowo między źródłem a drenem, gdy urządzenie jest w stanie włączonym. Linią przerywaną zaznaczono obszar kanału. (Źródło ilustracji: Art Pini)

Podobnie jak inne tranzystory MOSFET, tranzystory Trench MOSFET posiadają dren, bramkę i źródło, z tym że na skutek efektu pola rowek (trench) tworzy się w pionie, równolegle do rowka bramki. W rezultacie prąd płynie w kierunku pionowym, od źródła do drenu. W porównaniu do płaskiego urządzenia, które jest rozłożone poziomo i zajmuje dużą powierzchnię, ta konstrukcja jest bardzo zwarta, co umożliwia uzyskanie bardzo dużej liczby przyległych komórek w matrycy krzemowej. Wszystkie one są połączone równolegle w celu zmniejszenia wartości R_DS(on) i zwiększenia prądu drenu.

Grupa tranzystorów MOSFET DFN0603 firmy Nexperia

W serii DFN0603 firmy Nexperia znajduje się pięć urządzeń - cztery tranzystory MOSFET z kanałem N i jeden tranzystor MOSFET z kanałem P (ilustracja 3), których wartości graniczne V_DS wynoszą od 20 do 60V. We wszystkich zastosowano tę samą obudowę fizyczną, dla której maksymalna moc rozpraszana wynosi 300mW.

Ilustracja 3: specyfikacje pięciu tranzystorów MOSFET DFN0603 o ultraniskim poborze mocy, przeznaczonych do zastosowań mobilnych i przenośnych. (Źródło ilustracji: Nexperia)

Gdzie:

V_DS = maksymalne napięcie dren-źródło, w woltach.

V_GS = maksymalne napięcie bramka-źródło, w woltach.

I_D = maksymalne natężenie prądu w amperach.

V_GSth = minimalne i maksymalne napięcie progowe bramka-źródło. Jest to napięcie wymagane na zaciskach bramki i źródła, aby rozpocząć włączanie tranzystora MOSFET. Wartości minimalne i maksymalne uwzględniają zmienność procesu.

ESD = poziom zabezpieczenia przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD) w kilowoltach (kV), o ile takowe zostało przewidziane.

R_DS(on) = rezystancja dren-źródło w miliomach (mΩ) przy wskazanym napięciu bramka-źródło.

Podobnymi tranzystorami 20V MOSFET z kanałem N są tranzystory PMX100UNEZ i PMX100UNZ. Główną różnicą jest to, że tranzystor MOSFET PMX100UNEZ, w przeciwieństwie do PMX100UNZ, posiada zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi do 2kV. Drugi z wymienionych modeli charakteryzuje się wyższym maksymalnym napięciem bramka-źródło. Osiągają one rezystancję dren-źródło na poziomie 130mΩ i 122mΩ przy napięciu bramka-źródło wynoszącym 4,5V i maksymalnym prądzie drenu wynoszącym odpowiednio 1,4A i 1,3A.

Tranzystor MOSFET z kanałem P PMX400UPZ charakteryzuje się maksymalnym napięciem dren-źródło na poziomie 20V. W porównaniu do tranzystorów z kanałem N, charakteryzuje się on nieco niższymi maksymalnym prądem drenu wynoszącym 0,9A i rezystancją dren-źródło wynoszącą 334mΩ przy napięciu bramka-źródło 4,5V.

Tranzystor MOSFET z kanałem N PMX300UNEZ ma maksymalne znamionowe napięcie dren-źródło 30V. Ponieważ wszystkie tranzystory MOSFET DFN0603 mają maksymalną moc znamionową 300mW, zwiększenie napięcia dren-źródło oznacza, że maksymalny prąd drenu jest niższy, i wynosi w tym przypadku 0,82A. Rezystancja dren-źródło przy napięciu bramka-źródło równym 4,5V wynosi 190mΩ.

Tranzystor MOSFET z kanałem N PMX700ENZ charakteryzuje się wyższym napięciem dren-źródło równym 60V. Jego maksymalny prąd drenu wynosi 0,3 A, a rezystancja dren-źródło przy napięciu sterującym bramka-źródło równym 4,5V wynosi 760mΩ.

Wszystkie tranzystory DFN0603 charakteryzują się maksymalną znamionową mocą rozpraszaną wynoszącą 300mW oraz zakresem temperatur roboczych od -55˚C do +150˚C.

Moc tranzystora MOSFET i przełączanie obciążenia

Mikrourządzenia ubieralne są najczęściej zasilane z baterii. Zmniejszenie poboru mocy w celu zapewnienia długich odstępów między ładowaniami wymaga włączania i wyłączania elementów obwodu w zależności od ich aktywności. Służące do tego przełączniki muszą charakteryzować się niskimi stratami w stanie włączonym, aby zapewnić niską moc rozpraszaną oraz niskim upływem w stanie wyłączonym. Przełączniki obciążeń można wdrożyć do projektu w postaci tranzystorów MOSFET pełniących rolę urządzeń przełączających. Można nimi łatwo sterować poprzez przyłożenie odpowiedniego napięcia do obwodu sterowania bramkami. Konfigurację przełączników obciążenia można zrealizować przy użyciu tranzystorów MOSFET z kanałem P lub N (ilustracja 4).

Ilustracja 4: przełączniki obciążenia po stronie wysokiej, umieszczone między źródłem zasilania a obciążeniem, mogą być realizowane za pomocą tranzystorów MOSFET z kanałem P lub N, wykorzystujących odpowiednie sygnały sterujące bramką. (Źródło ilustracji: Nexperia)

W przypadku użycia tranzystora MOSFET z kanałem P, przełączenie bramki w stan niski spowoduje ustawienie przełącznika w stan włączenia i umożliwi przepływ prądu do odbiornika. Obwód kanału N wymaga przyłożenia napięcia wyższego niż napięcie wejściowe w celu pełnego włączenia tranzystora MOSFET. Jeśli sygnał wysokiego napięcia nie jest dostępny, do sterowania bramką kanału N można wykorzystać pompę ładunku. Zwiększa to złożoność obwodu, ale z racji tego, że przy danym rozmiarze urządzenia tranzystory MOSFET z kanałem N mają niższą wartość R_DS(on) w porównaniu do tranzystorów MOSFET z kanałem P, może to być warte kompromisu. Inną opcją byłoby wykorzystanie tranzystora MOSFET z kanałem N jako przełącznika po stronie niskiej między odbiornikiem a masą, co zmniejszyłoby wymagane napięcie bramki.

Niezależnie od sposobu implementacji przełącznika obciążenia, spadek napięcia na tranzystorze MOSFET jest równy iloczynowi prądu drenu i wartości R_DS(on). Straty mocy stanowią iloczyn prądu drenu podniesionego do kwadratu oraz wartości R_DS(on). Wobec tego, dzięki rezystancji kanału równej 120mΩ, straty mocy dla tranzystora PMX100UNE działającego przy maksymalnym prądzie drenu wynoszącym 0,7A wynosiłyby zaledwie 58mW. Dlatego właśnie tak ważne w projektowaniu urządzeń przenośnych i ubieralnych jest osiągnięcie najniższej możliwej wartości R_DS(on). Niższe straty mocy oznaczają mniejszy wzrost temperatury i dłuższy czas pracy baterii.

Przełączniki obciążenia w formie tranzystorów MOSFET mogą być również używane do blokowania prądów wstecznych, które mogą występować w warunkach awarii, np. w przypadku zwarcia na wejściu ładowania. Robi się to poprzez szeregowe połączenie dwóch tranzystorów MOSFET z odwrotną polaryzacją (ilustracja 5).

Ilustracja 5: przełącznik obciążenia zabezpieczony przed prądem wstecznym wykorzystujący konfigurację obwodu ze wspólnym drenem i tranzystory MOSFET z kanałem P. (Źródło ilustracji: Nexperia)

Zabezpieczenie przed prądem wstecznym w przełączniku obciążenia można także zaimplementować poprzez zastosowanie układu ze wspólnym źródłem. Taki układ wymaga dostępu do wspólnego punktu źródła w celu rozładowania bramki po załączeniu.

Zastosowanie w produktach

Dobrymi przykładami popularnych urządzeń ubieralnych są okulary rzeczywistości rozszerzonej i wirtualnej (AR/VR). Urządzenia te wymagają wysokosprawnych komponentów o niskiej mocy rozpraszanej oraz o niewielkich rozmiarach fizycznych. Stosuje się w nich wiele tranzystorów MOSFET w roli przełączników oraz do konwersji mocy (ilustracja 6).

Ilustracja 6: tranzystory MOSFET odgrywają kluczową rolę w projektach okularów AR/VR, służąc jako przełączniki obciążenia, przetwornice podwyższające i przełączniki baterii (zaznaczone na ilustracji pomarańczowymi kwadratami). (Źródło ilustracji: Nexperia)

W tego typu urządzeniach ubieralnych trzeba określić kompromis między jak najdłuższym czasem pomiędzy kolejnymi ładowaniami oraz oczekiwaną przez użytkowników stałą dostępnością funkcji. Przełączniki MOSFET służą właśnie do wyłączania określonych sekcji urządzenia, gdy te nie są w użyciu. Uwaga dotycząca przełączników: są one wdrażane przy użyciu tranzystorów MOSFET, które łączą układ front-end o częstotliwości radiowej z głośnikiem i rozłączają go od niego. Jeśli chodzi sterowanie zasilaniem, tranzystory MOSFET pełnią rolę przełączników baterii oraz umożliwiają podłączenie zewnętrznego źródła zasilania na potrzeby ładowania przewodowego. Są także używane w impulsowych podwyższających przetwornicach mocy do wyświetlaczy.

Podsumowanie

Dla projektantów mikrourządzeń ubieralnych oraz innych urządzeń charakteryzujących się ograniczoną wielkością i mocą, zamknięte w obudowach DFN0603 tranzystory MOSFET firmy Nexperia oferują miniaturowe rozmiary obudowy i najlepsze w swojej klasie wartości R_DS(on) niezbędne do wdrażania projektów nowej generacji. Stanowią one idealne komponenty, które mogą pełnić rolę przełączników obciążenia, przełączników baterii oraz mogą być używane w impulsowych podwyższających przetwornicach mocy.