Come efficientare il controllo della potenza in progetti con vincoli di spazio

I dispositivi indossabili come auricolari, smartwatch, occhiali per la realtà aumentata (AR)/virtuale (VR) e protesi acustiche sono sempre più piccoli e discreti. Allo stesso tempo, richiedono maggiori funzionalità, compresa l'intelligenza artificiale (AI). Queste tendenze creano problemi di gestione termica ai progettisti. Inoltre, per garantire un'esperienza positiva all'utente, è necessaria una maggiore durata della batteria, per cui i progetti devono essere ad alta efficienza. Il bilanciamento di questo mix di requisiti di progettazione spesso in conflitto sta spingendo i progettisti a ripensare le scelte dei componenti per ridurre al minimo lo spazio sulla scheda e massimizzare il tempo tra una ricarica e l'altra.

Per aiutarli, sono nati MOSFET miniaturizzati con una resistenza nello stato On molto bassa. Questi dispositivi offrono anche un'eccellente conducibilità termica per aiutare nel controllo della dissipazione del calore. Alcuni dispositivi sono inoltre dotati di protezione contro le scariche elettrostatiche (ESD).

Questo articolo illustra brevemente le sfide che devono affrontare i progettisti di piccoli dispositivi intelligenti alimentati a batteria. Mostra come sia possibile superare queste sfide utilizzando i MOSFET miniaturizzati di Nexperia, evidenziando le caratteristiche dei dispositivi e la loro applicabilità nei progetti di indossabili miniaturizzati.

Le sfide della progettazione di dispositivi indossabili miniaturizzati

Gli orologi digitali, gli auricolari e i gioielli intelligenti, insieme ad altri dispositivi indossabili in miniatura, pongono diverse sfide ai progettisti, in particolare per quanto riguarda le dimensioni, il consumo energetico e la gestione termica. Le sfide non fanno che aumentare, dato che per coinvolgere gli utenti finali vengono offerti livelli sempre più elevati di funzionalità, come l'IA. Oltre a trovare spazio per i microcontroller, le batterie, i transceiver Bluetooth, gli altoparlanti e l'elettronica di visualizzazione, i progettisti devono ora aggiungere la capacità di elaborazione neurale.

L'aumento delle funzionalità comporta la necessità di approcci avanzati di riduzione al minimo del consumo energetico per prolungare la durata della batteria. Il controllo del consumo energetico comprende lo spegnimento degli elementi circuitali non utilizzati, ma che devono essere pronti ad accendersi rapidamente quando necessario. Seppur il controllo di accensione e spegnimento sia efficace, è necessaria una bassa resistenza nello stato On nei dispositivi di commutazione per ridurre le perdite di potenza e il calore generato. La gestione efficace del calore generato è complicata dal fattore di forma compatto di questi dispositivi, che sottolinea l'importanza di componenti ad alta efficienza e a bassa perdita.

Grazie alla sua decennale esperienza nella produzione di componenti a semiconduttore discreti, Nexperia è riuscita a ridurre le dimensioni dei suoi MOSFET per soddisfare queste esigenze spesso contrastanti nella serie DFN (discreti piatti senza conduttore) (Figura 1).

Figura 1: La famiglia di dispositivi MOSFET in contenitore DFN di Nexperia evidenzia la riduzione delle dimensioni e dell'ingombro fino a DFN0603. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

DFN0603 è disponibile in un contenitore di 0,63 x 0,33 x 0,25 mm. Il cambiamento più significativo rispetto al modello precedente è la riduzione dell'altezza a 0,25 mm, senza alcun impatto sulla funzionalità. Inoltre, il dispositivo offre una resistenza nello stato On drain-source (RDSon) inferiore del 74% rispetto al contenitore precedente.

Questa nuova serie di contenitori a profilo molto ribassato comprende cinque dispositivi MOSFET a canale N e P, con tensione drain-source (V_DS) da 20 a 60 V.

Oltre alla minore dissipazione di potenza data dalla minore resistenza nello stato On, la linea di prodotti DFN0603 offre un'eccellente conducibilità termica, che mantiene bassa la temperatura del dispositivo montato.

MOSFET Trench

La riduzione delle dimensioni e la riduzione della RDSon sono il risultato del design a MOSFET Trench del dispositivo (Figura 2).

Figura 2: Una vista in sezione mostra la struttura di un MOSFET Trench con corrente che scorre verticalmente tra source e drain quando il dispositivo è acceso. La linea tratteggiata indica le aree del canale. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

Come gli altri MOSFET, una cella MOSFET Trench ha un drain, un gate e un source, ma il canale si forma verticalmente, parallelamente al gate trench, per effetto di campo. Di conseguenza, la direzione del flusso di corrente è verticale, da source a drain. Rispetto a un dispositivo planare, che si sviluppa orizzontalmente e occupa una buona parte della superficie, questa struttura è molto compatta e consente un numero molto elevato di celle adiacenti nel die di silicio. Tutte le celle sono collegate in parallelo per ridurre la RDSon e aumentare la corrente di drain.

La famiglia di MOSFET DFN0603 di Nexperia

La serie DFN0603 di Nexperia comprende cinque dispositivi, quattro MOSFET a canale N e uno a canale P (Figura 3), con limiti di V_DS compresi tra 20 e 60 V. Tutti utilizzano lo stesso contenitore fisico, che ha un limite di dissipazione di potenza totale di 300 mW.

Figura 3: Le specifiche di cinque MOSFET DFN0603 a bassissima potenza destinati ad applicazioni mobili e portatili. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Dove:

V_DS = Tensione massima source-drain, in volt.

V_GS = Tensione massima gate-source, in volt.

I_D = Corrente di drain massima, in ampere.

V_GSth = Tensioni di soglia minima e massima tra gate e source. Questa è la tensione necessaria tra i terminali di gate e source per iniziare ad accendere il MOSFET. I valori minimo e massimo tengono conto delle variazioni di processo.

ESD = Livello di protezione ESD in kilovolt, se incluso.

RDSon = Resistenza drain-source in milliohm alla tensione gate-source indicata.

I modelli PMX100UNEZ e PMX100UNZ sono MOSFET a canale N da 20 V simili. La differenza principale è che PMX100UNEZ integra la protezione ESD fino a 2 kV, mentre PMX100UNZ non la prevede. Quest'ultimo ha una tensione massima gate-source più elevata. Raggiungono una resistenza drain-source di 130 mΩ e 122 mΩ a una tensione gate-source di 4,5 V e correnti di drain massime rispettivamente di 1,4 A e 1,3 A.

PMX400UPZ è un dispositivo a canale P con una tensione massima di drain-source di 20 V. Rispetto ai dispositivi a canale N, offre una specifica di corrente di drain massima leggermente inferiore, pari a 0,9 A, e una resistenza drain-source di 334 mΩ a una tensione gate-source di 4,5 V.

PMX300UNEZ a canale N ha una tensione massima drain-source di 30 V. Poiché tutti i MOSFET DFN0603 hanno una potenza massima di 300 mW, l'aumento della tensione drain-source comporta una riduzione della corrente di drain massima, in questo caso 0,82 A. La resistenza drain-source è di 190 mΩ con una tensione gate-source di 4,5 V.

PMX700ENZ a canale N presenta la tensione di drain-source più elevata, pari a 60 V. La corrente di drain massima è di 0,3 A e la resistenza drain-source è di 760 mΩ con una tensione di comando gate-source di 4,5 V.

Oltre a una dissipazione di potenza nominale massima di 300 mW, tutti i dispositivi DFN0603 hanno un intervallo della temperatura di funzionamento tra -55 e +150 °C.

Commutazione di potenza e di carico del MOSFET

I dispositivi indossabili miniaturizzati sono per lo più alimentati a batteria. Per ridurre il consumo energetico e garantire lunghi intervalli di carica, è necessario accendere e spegnere gli elementi circuitali quando non sono utilizzati. Questi interruttori devono essere a bassa perdita quando sono attivi, per garantire una bassa dissipazione di potenza, e devono avere una bassa perdita nello stato off. Gli interruttori di carico possono essere implementati con MOSFET come dispositivi di commutazione. Sono facili da controllare applicando una tensione appropriata al circuito di pilotaggio del gate. Gli interruttori di carico possono essere configurati utilizzando MOSFET a canale P o a canale N (Figura 4).

Figura 4: Gli interruttori di carico high-side, posizionati tra la fonte di alimentazione e il carico, possono essere implementati con MOSFET a canale P o a canale N utilizzando segnali di pilotaggio appropriati. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Se si utilizza un MOSFET a canale P, abbassando il gate si accende l'interruttore e si abilita il flusso di corrente nel carico. Il circuito a canale N richiede l'applicazione di una tensione superiore a quella di ingresso per attivare completamente il MOSFET. Se non è disponibile un segnale ad alta tensione, è possibile implementare una pompa di carica per pilotare il gate a canale N. Ciò aumenta la complessità del circuito, ma poiché i MOSFET a canale N hanno una RDSon più bassa per una data dimensione rispetto a un dispositivo a canale P, il compromesso può valere la pena. Un'alternativa sarebbe l'uso del MOSFET a canale N come interruttore low-side tra il carico e la massa, riducendo la tensione di gate richiesta.

Indipendentemente dal modo in cui è implementato l'interruttore di carico, la caduta di tensione attraverso il MOSFET è uguale al prodotto della corrente di drain e della RDSon. La perdita di potenza è il prodotto della corrente di drain al quadrato e della RDSon. Pertanto, un PMX100UNE funzionante con una corrente di drain massima di 0,7 A avrebbe una perdita di potenza di soli 58 mW a causa della resistenza del canale di 120 mΩ. Ecco perché ottenere il valore più basso possibile di RDSon è così importante nella progettazione di dispositivi portatili e indossabili. Una minore perdita di potenza significa un minore aumento della temperatura e una maggiore durata della batteria.

Gli interruttori di carico a MOSFET possono essere utilizzati anche per bloccare l'inversione di corrente che può verificarsi durante una condizione di guasto, ad esempio durante un cortocircuito dell'ingresso di carica. Ciò avviene ponendo due MOSFET in serie con polarità inversa (Figura 5).

Figura 5: Un interruttore di carico protetto da inversione di corrente utilizza una configurazione circuitale a drain comune e MOSFET a canale P. (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

La protezione da inversione di corrente in un interruttore di carico può anche essere implementata utilizzando una disposizione a sorgente comune. Questa disposizione richiede l'accesso al punto di sorgente comune per scaricare il gate dopo l'accensione.

Applicazioni nel prodotto

Un buon esempio di dispositivi indossabili emergenti sono gli occhiali AR e VR. Questi dispositivi necessitano di componenti molto efficienti, con bassa dissipazione di potenza e dimensioni fisiche compatte. Utilizzano una serie di dispositivi MOSFET come interruttori e per la conversione di potenza (Figura 6).

Figura 6: I MOSFET svolgono un ruolo critico nella progettazione di occhiali AR/VR, come interruttori di carico, convertitori boost e interruttori per batteria (contrassegnati dai quadrati arancioni). (Immagine per gentile concessione di Nexperia)

Questo tipo di dispositivi indossabili deve bilanciare intervalli di ricarica estremamente lunghi con la funzionalità "sempre acceso" attesa dagli utenti. Gli interruttori MOSFET servono per spegnere le sezioni del dispositivo quando non sono in uso. Si notino gli interruttori: sono implementati con MOSFET che collegano e scollegano il front-end RF e l'altoparlante. Sul lato di controllo dell'alimentazione, i MOSFET fungono da interruttore della batteria e si collegano a una fonte di alimentazione esterna per la ricarica via cavo. Sono utilizzati anche in un convertitore di potenza boost a modalità commutata per il display.

Conclusione

Per i progettisti di indossabili miniaturizzati e altri dispositivi con vincoli di spazio e di potenza, i MOSFET in contenitore DFN0603 di Nexperia offrono dimensioni miniaturizzate e la migliore RDSon della categoria necessarie per realizzare progetti di prossima generazione. Sono componenti ideali per l'impiego come interruttori di carico, interruttori di batteria e nei convertitori di potenza a commutazione.