Effiziente Leistungssteuerung in räumlich begrenzten Anwendungen

Wearables wie Ohrhörer, Smartwatches, AR/VR-Brillen (Augmented Reality/Virtual Reality) und Hörgeräte werden immer kleiner und diskreter. Gleichzeitig erfordern diese Anwendungen eine größere Funktionalität, einschließlich der Fähigkeiten der künstlichen Intelligenz (KI). Diese Trends stellen die Entwickler vor Probleme beim Wärmemanagement. Darüber hinaus ist eine längere Akkulaufzeit für ein positives Nutzererlebnis erforderlich, so dass ein hocheffizientes Design notwendig ist. Diese Mischung aus oft widersprüchlichen Designanforderungen stellt die Designer vor die Herausforderung, die Auswahl der Komponenten zu überdenken, um den Platz auf der Leiterplatte zu minimieren und gleichzeitig die Zeit zwischen den Ladevorgängen zu maximieren.

Zur Unterstützung der Entwickler wurden Miniatur-MOSFETs mit sehr geringem Durchlasswiderstand entwickelt. Diese Komponenten bieten auch eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit, um die Wärmeverteilung zu kontrollieren. Einige Komponenten sind sogar mit einem Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD) ausgestattet.

In diesem Artikel wird kurz auf die Herausforderungen eingegangen, denen sich die Entwickler kleiner, intelligenter, batteriebetriebener Geräte gegenübersehen. Anschließend wird gezeigt, wie diese Herausforderungen mit Miniatur-MOSFETs von Nexperia gelöst werden können, wobei die Eigenschaften der Bauelemente und ihre Anwendbarkeit in Mikro-Wearables hervorgehoben werden.

Die Herausforderungen bei der Entwicklung von Mikro-Wearables

Digitale Uhren, Ohrhörer und intelligenter Schmuck sowie andere tragbare Miniaturgeräte stellen die Entwickler vor verschiedene Herausforderungen, insbesondere in Bezug auf Größe, Stromverbrauch und Wärmemanagement. Die Herausforderungen werden immer größer, da immer mehr Funktionen, wie z. B. KI, angeboten werden, um die Endnutzer zu begeistern. Neben der Unterbringung von Mikrocontrollern, Batterien, Bluetooth-Transceivern, Lautsprechern und Display-Elektronik müssen die Designer nun auch noch eine neuronale Verarbeitungsfunktion hinzufügen.

Mit zunehmender Funktionalität steigt auch der Bedarf an fortschrittlichen Ansätzen zur Minimierung des Stromverbrauchs, um die Batterielebensdauer zu verlängern. Zur Kontrolle des Stromverbrauchs gehört auch das Abschalten von Schaltkreisen, die nicht benutzt werden, aber diese Schaltkreise müssen bereit sein, sich bei Bedarf schnell wieder einzuschalten. Das Ein- und Ausschalten des Stroms ist zwar effektiv, erfordert aber einen geringen Durchgangswiderstand in den Schaltgeräten, um Leistungsverluste und die erzeugte Wärme zu reduzieren. Das effektive Management der entstehenden Wärme wird durch den kompakten Formfaktor dieser Geräte erschwert, was die Bedeutung hocheffizienter, verlustarmer Komponenten nur noch unterstreicht.

Dank seiner jahrzehntelangen Erfahrung in der Produktion von diskreten Halbleiterkomponenten ist es Nexperia gelungen, die Größe seiner MOSFETs zu verringern, um diese oft widersprüchlichen Anforderungen in seiner DFN-Serie (discrete flat no lead) zu erfüllen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Die Nexperia-Familie von MOSFET-Bauelementen im DFN-Gehäuse zeigt die Reduzierung der Größe und des Platzbedarfs bis hin zum DFN0603. (Bildquelle: Nexperia)

Der DFN0603 wird in einem Gehäuse mit den Abmessungen 0,63 x 0,33 x 0,25 Millimeter (mm) geliefert. Die bedeutendste Änderung gegenüber dem früheren Modell ist die Verringerung der Bauhöhe auf 0,25 mm, ohne dass die Funktionalität beeinträchtigt wird. Darüber hinaus weist der Baustein einen Drain-Source-Durchlasswiderstand (R_DS(on)) auf, der um 74 % geringer ist als bei dem früheren Gehäuse.

Diese neue ultraflache Gehäuseserie umfasst fünf MOSFET-Bauelemente, sowohl N-Kanal als auch P-Kanal, mit einer Drain-Source-Spannung (V_DS) von 20 bis 60 Volt.

Neben der geringeren Verlustleistung, die durch den niedrigeren Durchlasswiderstand ermöglicht wird, weist die DFN0603-Produktlinie eine ausgezeichnete Wärmeleitung auf, die die Temperatur des montierten Bauteils niedrig hält.

Trench-MOSFETs

Diese Größenreduzierung sowie die Verringerung des R_DS(on) wird durch das Trench-MOSFET-Design des Bauelements ermöglicht (Abbildung 2).

Abbildung 2: Ein Querschnitt zeigt die Struktur eines Trench-MOSFET, bei dem der Strom im eingeschalteten Zustand vertikal zwischen Source und Drain fließt. Die gestrichelte Linie zeigt die Kanalbereiche. (Bildquelle: Art Pini)

Wie andere MOSFETs hat eine Trench-MOSFET-Zelle einen Drain-, einen Gate- und einen Source-Kontakt, aber der Kanal bildet sich vertikal, parallel zum Gate-Graben, durch den Feldeffekt. Daher ist die Stromflussrichtung vertikal, von Source zu Drain. Im Vergleich zu einem planaren Bauelement, das sich horizontal ausbreitet und viel Fläche beansprucht, ist diese Struktur sehr kompakt und ermöglicht eine sehr große Anzahl nebeneinander liegender Zellen auf dem Siliziumchip. Alle Zellen werden parallel geschaltet, um den Wert von R_DS(on) zu verringern und den Drainstrom zu erhöhen.

MOSFET-Familie DFN0603 von Nexperia

Die Serie DFN0603 von Nexperia umfasst fünf Bausteine - vier N-Kanal-MOSFETs und einen einzigen P-Kanal-MOSFET (Abbildung 3) - mit _{VDS-Grenzwerten} von 20 bis 60 Volt. Alle verwenden dasselbe Gehäuse, das eine Gesamtverlustleistung von 300 Milliwatt (mW) aufweist.

Abbildung 3: Abgebildet sind die Spezifikationen von fünf DFN0603-MOSFETs mit ultraniedriger Leistungsaufnahme, die für mobile und tragbare Anwendungen bestimmt sind. (Bildquelle: Nexperia)

Dabei gilt:

V_DS = Die maximale Drain-Source-Spannung in Volt.

V_GS = Die maximale Gate-Source-Spannung in Volt.

I_D = Der maximale Drainstrom in Ampere.

V_GSth = Die minimale und maximale Gate-Source-Schwellenspannung. Dies ist die Spannung, die an den Gate- und Source-Anschlüssen erforderlich ist, um den MOSFET einzuschalten. Die Minimum- und Maximumwerte tragen den Prozessschwankungen Rechnung.

ESD = Der ESD-Schutzpegel in Kilovolt (kV), wenn ESD enthalten ist.

R_DS(on) = Der Drain-Source-Widerstand in Milliohm (mΩ) bei der angegebenen Gate-Source-Spannung.

Der PMX100UNEZ und der PMX100UNZ sind ähnliche 20-Volt-N-Kanal-MOSFETs. Der Hauptunterschied besteht darin, dass der PMX100UNEZ bis zu 2 kV ESD-geschützt ist, während der PMX100UNZ nicht geschützt ist. Letzterer hat eine höhere maximale Gate-Source-Spannung. Sie erreichen einen Drain-Source-Widerstand von 130 mΩ und 122 mΩ bei einer Gate-Source-Spannung von 4,5 Volt und maximale Drain-Ströme von 1,4 Ampere (A) bzw. 1,3 A.

Der PMX400UPZ ist ein P-Kanal-Baustein und für eine maximale Drain-Source-Spannung von 20 Volt ausgelegt. Im Vergleich zu den N-Kanal-Bauelementen hat er einen etwas niedrigeren maximalen Drainstrom von 0,9 A und einen Drain-Source-Widerstand von 334 mΩ bei einer Gate-Source-Spannung von 4,5 Volt.

Der N-Kanal-Baustein PMX300UNEZ ist für eine maximale Drain-Source-Spannung von 30 Volt ausgelegt. Da alle DFN0603-MOSFETs eine maximale Nennleistung von 300 mW haben, bedeutet eine Erhöhung der Drain-Source-Spannung, dass der maximale Drain-Strom niedriger ist, in diesem Fall 0,82 Ampere. Der Drain-Source-Widerstand beträgt 190 mΩ bei einer Gate-Source-Spannung von 4,5 Volt.

Der N-Kanal-Baustein PMX700ENZ hat die höchste Drain-Source-Spannung von 60 Volt. Der maximale Drain-Strom beträgt 0,3 A, und der Drain-Source-Widerstand beträgt 760 mΩ bei einer Gate-Source-Treiberspannung von 4,5 V.

Neben der maximalen Nennverlustleistung von 300 mW haben alle DFN0603-Bauteile einen Betriebstemperaturbereich von -55˚C bis +150˚C.

MOSFET-Leistungs- und -Lastumschaltung

Mikro-Wearables sind in der Regel batteriebetrieben. Um den Stromverbrauch zu reduzieren und so lange Ladeintervalle zu gewährleisten, müssen Schaltkreiselemente ausgeschaltet werden, wenn sie nicht gebraucht werden. Diese Schalter müssen im eingeschalteten Zustand verlustarm sein, um eine geringe Verlustleistung zu gewährleisten, und im ausgeschalteten Zustand einen geringen Leckstrom aufweisen. Lastschalter können mit MOSFETs als Schaltkomponenten realisiert werden. Sie lassen sich leicht durch Anlegen einer geeigneten Spannung an die Gate-Betriebsschaltung steuern. Die Lastschalter können entweder mit P-Kanal- oder N-Kanal-MOSFETs konfiguriert werden (Abbildung 4).

Abbildung 4: High-Side-Lastschalter, die zwischen der Stromquelle und der Last angeordnet sind, können entweder mit P-Kanal- oder N-Kanal-MOSFETs unter Verwendung geeigneter Gate-Ansteuersignale implementiert werden. (Bildquelle: Nexperia)

Wenn ein P-Kanal-MOSFET verwendet wird, schaltet das Ziehen des Gates nach unten den Schalter ein und ermöglicht den Stromfluss in die Last. Die N-Kanal-Schaltung benötigt eine höhere Spannung als die Eingangsspannung, um den MOSFET vollständig einzuschalten. Steht kein Hochspannungssignal zur Verfügung, kann eine Ladungspumpe zur Ansteuerung des N-Kanal-Gates eingesetzt werden. Dies erhöht zwar die Komplexität der Schaltung, aber da N-Kanal-MOSFETs bei gleicher Größe einen geringeren R_DS(on) aufweisen als P-Kanal-Bauteile, kann sich dieser Kompromiss lohnen. Eine weitere Alternative wäre die Verwendung des N-Kanal-MOSFETs als Low-Side-Schalter zwischen Last und Masse, wodurch die erforderliche Gate-Spannung reduziert würde.

Unabhängig davon, wie der Lastschalter implementiert ist, ist der Spannungsabfall über dem MOSFET gleich dem Produkt aus dem Drain-Strom und R_DS(on). Die Verlustleistung ist das Produkt aus dem Quadrat des Drain-Stroms und R_DS(on). Ein PMX100UNE, der mit einem maximalen Drain-Strom von 0,7 A betrieben wird, hat also aufgrund seines 120mΩ-Kanalwiderstands eine Verlustleistung von nur 58 mW. Aus diesem Grund ist ein möglichst niedriger R_DS(on) bei der Entwicklung von tragbaren und Wearable-Geräten so wichtig. Geringere Verlustleistung bedeutet einen geringeren Temperaturanstieg und längere Batterielebensdauer.

MOSFET-Lastschalter können auch verwendet werden, um Rückströme zu blockieren, die während eines Fehlerzustands auftreten können, z. B. bei einem Kurzschluss am Ladeeingang. Dazu werden zwei MOSFETs mit umgekehrter Polarität in Reihe geschaltet (Abbildung 5).

Abbildung 5: Gezeigt wird ein rückstromsicherer Lastschalter mit einem gemeinsamen Drain-Anschluss und P-Kanal-MOSFETs. (Bildquelle: Nexperia)

Der Rückstromschutz in einem Lastschalter kann auch mit einem gemeinsamen Source-Anschluss realisiert werden. Diese Anordnung erfordert den Zugang zur gemeinsamen Source-Verbindung, um eine Entladung des Gates nach dem Einschalten zu bewirken.

Produktinterne Anwendungen

Gute Beispiele für immer beliebter werdende tragbare Geräte sind AR- und VR-Brillen. Diese Geräte benötigen hocheffiziente Komponenten mit geringer Verlustleistung und kleiner Baugröße. Sie verwenden eine Reihe von MOSFET-Bauelementen als Schalter und zur Leistungsumwandlung (Abbildung 6).

Abbildung 6: MOSFETs spielen beim Design von AR/VR-Brillen eine entscheidende Rolle als Lastschalter, Aufwärtswandler und Batterieschalter (in den orangefarbenen Quadraten markiert). (Bildquelle: Nexperia)

Diese Art von tragbaren Geräten muss ein Gleichgewicht zwischen extrem langen Aufladungsintervallen und der von den Nutzern erwarteten „Immer Aktiv“-Funktionalität herstellen. Die MOSFET-Schalter werden verwendet, um Teile des Geräts abzuschalten, wenn sie nicht benutzt werden. Beachten Sie die Schalter: Diese sind mit MOSFETs realisiert, die das HF-Frontend und den Lautsprecher verbinden und trennen. Auf der Seite der Stromversorgungssteuerung werden MOSFETs als Batterieschalter und zum Anschluss an eine externe Stromquelle für kabelgebundenes Laden verwendet. Sie werden auch in einem getakteten Aufwärtswandler für das Display verwendet.

Fazit

Entwicklern von Mikro-Wearables und anderen Geräten mit eingeschränktem Platz- und Leistungsbedarf bieten die Nexperia-MOSFETs im DFN0603-Gehäuse die für die Umsetzung von Designs der nächsten Generation erforderlichen Miniatur-Gehäusegrößen und einen erstklassigen R_DS(on). Sie sind ideale Bauelemente für den Einsatz als Lastschalter, Batterieschalter und in getakteten Leistungswandlern.