如何在空間受限型設計中實現有效的功率控制

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

諸如耳塞、智能手表、增強現實 (AR)/虛擬現實 (VR) 眼鏡和助聽器之類可穿戴設備正變得越來越小，越來越獨立。與此同時，這些應用需要的功能也越來越多，包括人工智能 (AI)。這些趨勢給設計者帶來了熱管理問題。此外，為了獲得良好的用戶體驗，需要更長的電池續航時間，因此高能效設計是必不可少的。平衡這種經常相互沖突的混合設計要求，對設計者來說是一種挑戰，他們必須重新思考元器件的選擇，以便在最大限度地減少電路板空間的同時，最大限度地延長充電時間間隔。

為了幫助設計者克服挑戰，市場上出現了具有“導通”電阻非常低的的小型 MOSFET。這些器件還具有出色的導熱率，以幫助控制散熱。有些器件甚至嵌入了靜電放電 (ESD) 保護。

本文簡要討論了小型、智能、電池供電型設備設計者所面臨的挑戰。然后說明如何使用 [Nexperia] 的小型封裝 MOSFET 來解決這些挑戰，重點展示這些器件的特性及其在微型可穿戴設計中的適用性。

微型可穿戴設備設計的挑戰

數字手表、耳塞和智能珠寶以及其他微型可穿戴設備給設計者帶來了一些挑戰，特別是在尺寸、功耗和熱管理方面。為了吸引最終用戶，隨著像人工智能這樣的更高水平功能的提供，挑戰只會越來越大。除了為微控制器、電池、藍牙收發器、揚聲器和顯示電子裝置尋找空間外，設計師現在必須增加神經處理能力。

隨著功能的增加，需要先進的功耗最小化方法來延長電池續航。對電力消耗的控制包括關閉不使用的電路元件，但這些電路必須準備好能在需要時迅速打開。雖然打開和關閉電源是有效的，但它要求開關設備低導通電阻，以減少功率損失和產生的熱量。有效管理任何產生的熱量會因為這些設備的緊湊外形而變得復雜，因此使用高效率、低損耗元件就顯得更為重要。

憑借數十年在分立半導體元件生產方面的經驗，Nexperia 已經能夠縮小其 MOSFET 的尺寸，以滿足其 DFN（扁平無引線分立封裝）系列中這些經常發生沖突的要求（圖 1）。

圖 1：圖示為 Nexperia 系列采用 DFN 封裝的 MOSFET 器件，尺寸和封裝明顯減少，低至 DFN0603。（圖片來源：Nexperia）

DFN0603 的封裝尺寸為0.63 × 0.33 × 0.25 毫米(mm)。與以前展示的型號相比，最顯著的變化是將高度降至0.25 mm——功能沒有任何減少。此外，該器件的漏源導通電阻(R DS（開） ) 比早期封裝低了 74%。

這一新型超扁平封裝系列包括五個 MOSFET 器件，包括 N 溝道和 P 溝道，額定漏源電壓 ( 虛擬數字系統 ) 為 20 至 60 伏。

除了因其較低的導通電阻而實現了較低的功率耗散外，DFN0603 產品系列還表現出良好的熱傳導性，使得安裝后器件能夠保持較低的溫度。

溝槽式 MOSFET

這種尺寸縮小以及 R DS（開） 的降低是通過該器件的溝槽式 MOSFET 設計來實現的（圖 2）。

圖 2：剖面圖顯示了溝槽式 MOSFET 的結構，當器件處于開啟狀態時，電流在源極和漏極之間垂直流動。虛線表示通道區域。（圖片來源：Art Pini）

與其他 MOSFET 一樣，溝槽式 MOSFET 單元也有漏極、柵極和源極，但溝槽是垂直形成的，與柵槽平行，通過場效應來實現。因此，電流的流動方向是垂直的，從源極到漏極。與水平分布并占用大量表面積的平面裝置相比，這種結構非常緊湊，允許在硅片上有非常多的相鄰單元。所有的電池并聯工作，以減少 R DS（開） 的值，并增加漏極電流。

Nexperia DFN0603 MOSFET 系列

Nexperia DFN0603 系列包括五個器件——四個 N 溝道 MOSFET 和一個 P 溝道 MOSFET（圖 3），VDS限制為 20 至 60 伏。所有這些都使用相同的物理封裝，其總功率耗散限制為 300 毫瓦 (mW)。

| | 封裝 | DFN0603-3 |

圖 3：顯示的是用于移動和便攜式應用的五個 DFN0603 超低功耗 MOSFETS 的規格。（圖片來源：Nexperia）

其中：

V DS = 最大漏源電壓，單位為伏特。

V GS = 最大柵源電壓，單位為伏特。

我 D = 最大漏極電流，單位為安培。

V GSth = 最小和最大的柵源閾值電壓。這是在施加到柵極和源極兩端所需的電壓，以開始打開 MOSFET。最小值和最大值說明了工藝差異。

ESD = 千伏 (kV) 計的 ESD 保護等級，如果包括 ESD。

右 DS（開） = 所列門柵源電壓下的漏源電阻，單位為毫歐 (mΩ)。

[PMX100UNEZ]和 [PMX100UNZ]是類似的 20 伏 N 溝道 MOSFET。主要區別在于，PMX100UNEZ 的 ESD 保護高達 2kV，而 PMX100UNZ 則沒有。后者具有更高的最大柵源電壓。它們在 4.5 伏的柵源電壓下實現了 130 mΩ 和 122 mΩ 的漏源電阻，最大漏極電流分別為 1.4 安培 (A) 和 1.3A。

[PMX400UPZ]是 P 溝道器件，最大漏源電壓為 20 伏。與 N 溝道器件相比，其最大漏極電流規格略低，為 0.9A，在柵源電壓為 4.5 伏時，漏源電阻為 334 mΩ。

N 溝道 [PMX300UNEZ]的額定最大漏源電壓為 30 伏。由于所有 DFN0603 MOSFET 的最大額定功率為 300 mW，增加漏源電壓意味著最大漏極電流降低，在這種情況下為 0.82 安培。在柵源電壓為 4.5 伏時，漏源電阻為 190 mΩ。

N 溝道 [PMX700ENZ] 的漏源電壓最高，達 60 伏。最大漏極電流為 0.3A，其漏源電阻為 760 mΩ，柵源驅動電壓為 4.5 伏。

除了最大額定功率耗散為 300 mW 之外，所有 DFN0603 器件的工作溫度范圍為 -55?C 至 +150?C。

MOSFET 電源和負載開關

微型可穿戴設備是最常見的電池供電型設備。需要減少電力使用以確保實現長充電間隔，因此需要在不使用時打開和關閉電路元件。這些開關在開啟狀態下需要低損耗，以確保低功率耗散，并在關閉狀態下低漏電。負載開關可以用 MOSFET 作為開關器件來實現。通過向柵極驅動電路施加適當的電壓，它們很容易被控制。負載開關可以使用 P 溝道或 N 溝道 MOSFET 進行配置（圖 4）。

圖 4：位于電源和負載之間的高壓側負載開關，可以用 P 溝道或 N 溝道 MOSFET 實現，使用適當的柵極驅動信號。（圖片來源：Nexperia）

如果使用 P 溝道 MOSFET，拉低柵極將打開開關并使電流流入負載。如果使用 N 溝道，電路則需要施加一個高于輸入電壓的電壓，以使 MOSFET 完全導通。如果沒有高壓信號，可以采用充電泵來驅動 N 溝道柵極。這增加了電路的復雜性，但由于在一定的尺寸下，N 溝道 MOSFET 的 R DS（開） 比 P 溝道器件更低，因此可能值得作出這樣的折衷。另一個選擇是，使用 N 溝道 MOSFET 作為負載和地之間的低壓側開關，減少所需的柵極電壓。

無論如何實現負載開關，MOSFET 上的壓降都等于漏極電流與 R DS（開） 的乘積。功率損耗是漏極電流的平方與 R DS（開） 的乘積。因此，工作在 0.7 A 最大漏極電流時，PMX100UNE 由于其 120 mΩ 的通道電阻，其功率損失僅為 58 mW。這就是為什么在便攜式和可穿戴設備的設計中，實現盡可能低的 R DS（開） 值如此重要的原因。更低的功率損耗意味著更低的溫升和更長的電池續航。

MOSFET 負載開關也可用于阻斷在故障情況下可能出現的反向電流，如充電輸入端短路。這是通過將兩個 MOSFET 以極性相反方式串聯在一起來實現的（圖 5）。

圖 5：圖示是一個使用共漏極電路配置和 P 溝道 MOSFET 實現的反向電流保護負載開關。（圖片來源：Nexperia）

負載開關中的反向電流保護也可以使用共源布局來實現。這種布局需要接入共源點，以便在開啟后實現柵極放電。

產品內應用

新興可穿戴設備絕佳樣板就是 AR 和 VR 眼鏡。這些設備需要高效的組件，功率耗散要低和物理尺寸要小。它們使用很多 MOSFET 器件作為開關，并用于功率轉換（圖 6）。

圖 6：MOSFET 在 AR/VR 眼鏡設計中作為負載開關、升壓轉換器和電池開關發揮著關鍵作用（以橙色方塊標記）。（圖片來源：Nexperia）

此類可穿戴設備必須在極長的充電間隔和用戶所期望的“永遠在線”功能之間取得平衡。MOSFET 開關用于在不使用時關閉設備的部分電源。注意這些開關：這些形狀是用 MOSFET 實現的，用于連接和斷開射頻前端和揚聲器。在電源控制方面，MOSFET 則用作電池開關并連接到外部電源進行有線充電。它們還用于顯示器的開關模式升壓電源轉換器。

結語

對于微型可穿戴設備和其他空間和功率受限型設備的設計者來說，Nexperia DFN0603 封裝 MOSFET 提供了實現下一代設計所需的微型封裝尺寸和最佳 R DS（開） 。它們是用作負載開關、電池開關和開關模式電源轉換器的理想元件。