如何在空间受限型设计中实现有效的功率控制

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美编辑

诸如耳塞、智能手表、增强现实 (AR)/虚拟现实 (VR) 眼镜和助听器之类可穿戴设备正变得越来越小，越来越独立。与此同时，这些应用需要的功能也越来越多，包括人工智能 (AI)。这些趋势给设计者带来了热管理问题。此外，为了获得良好的用户体验，需要更长的电池续航时间，因此高能效设计是必不可少的。平衡这种经常相互冲突的混合设计要求，对设计者来说是一种挑战，他们必须重新思考元器件的选择，以便在最大限度地减少电路板空间的同时，最大限度地延长充电时间间隔。

为了帮助设计者克服挑战，市场上出现了具有“导通”电阻非常低的的小型 MOSFET。这些器件还具有出色的导热率，以帮助控制散热。有些器件甚至嵌入了静电放电 (ESD) 保护。

本文简要讨论了小型、智能、电池供电型设备设计者所面临的挑战。然后说明如何使用 [Nexperia] 的小型封装 MOSFET 来解决这些挑战，重点展示这些器件的特性及其在微型可穿戴设计中的适用性。

微型可穿戴设备设计的挑战

数字手表、耳塞和智能珠宝以及其他微型可穿戴设备给设计者带来了一些挑战，特别是在尺寸、功耗和热管理方面。为了吸引最终用户，随着像人工智能这样的更高水平功能的提供，挑战只会越来越大。除了为微控制器、电池、蓝牙收发器、扬声器和显示电子装置寻找空间外，设计师现在必须增加神经处理能力。

随着功能的增加，需要先进的功耗最小化方法来延长电池续航。对电力消耗的控制包括关闭不使用的电路元件，但这些电路必须准备好能在需要时迅速打开。虽然打开和关闭电源是有效的，但它要求开关设备低导通电阻，以减少功率损失和产生的热量。有效管理任何产生的热量会因为这些设备的紧凑外形而变得复杂，因此使用高效率、低损耗元件就显得更为重要。

凭借数十年在分立半导体元件生产方面的经验，Nexperia 已经能够缩小其 MOSFET 的尺寸，以满足其 DFN（扁平无引线分立封装）系列中这些经常发生冲突的要求（图 1）。

图 1：图示为 Nexperia 系列采用 DFN 封装的 MOSFET 器件，尺寸和封装明显减少，低至 DFN0603。（图片来源：Nexperia）

DFN0603 的封装尺寸为0.63 × 0.33 × 0.25 毫米(mm)。与以前展示的型号相比，最显着的变化是将高度降至0.25 mm——功能没有任何减少。此外，该器件的漏源导通电阻(R DS（开） ) 比早期封装低了 74%。

这一新型超扁平封装系列包括五个 MOSFET 器件，包括 N 沟道和 P 沟道，额定漏源电压 ( 虚拟数字系统 ) 为 20 至 60 伏。

除了因其较低的导通电阻而实现了较低的功率耗散外，DFN0603 产品系列还表现出良好的热传导性，使得安装后器件能够保持较低的温度。

沟槽式 MOSFET

这种尺寸缩小以及 R DS（开） 的降低是通过该器件的沟槽式 MOSFET 设计来实现的（图 2）。

图 2：剖面图显示了沟槽式 MOSFET 的结构，当器件处于开启状态时，电流在源极和漏极之间垂直流动。虚线表示通道区域。（图片来源：Art Pini）

与其他 MOSFET 一样，沟槽式 MOSFET 单元也有漏极、栅极和源极，但沟槽是垂直形成的，与栅槽平行，通过场效应来实现。因此，电流的流动方向是垂直的，从源极到漏极。与水平分布并占用大量表面积的平面装置相比，这种结构非常紧凑，允许在硅片上有非常多的相邻单元。所有的电池并联工作，以减少 R DS（开） 的值，并增加漏极电流。

Nexperia DFN0603 MOSFET 系列

Nexperia DFN0603 系列包括五个器件——四个 N 沟道 MOSFET 和一个 P 沟道 MOSFET（图 3），VDS限制为 20 至 60 伏。所有这些都使用相同的物理封装，其总功率耗散限制为 300 毫瓦 (mW)。

| | 封装 | DFN0603-3 |

磷 直到 (兆瓦)	300
配置	波尔
10V	4.5V
单极	氮
12	1.3
30
60	20
磷	20

图 3：显示的是用于移动和便携式应用的五个 DFN0603 超低功耗 MOSFETS 的规格。（图片来源：Nexperia）

其中：

V DS = 最大漏源电压，单位为伏特。

V GS = 最大栅源电压，单位为伏特。

我 D = 最大漏极电流，单位为安培。

V GSth = 最小和最大的栅源阈值电压。这是在施加到栅极和源极两端所需的电压，以开始打开 MOSFET。最小值和最大值说明了工艺差异。

ESD = 千伏 (kV) 计的 ESD 保护等级，如果包括 ESD。

右 DS（开） = 所列门栅源电压下的漏源电阻，单位为毫欧 (mΩ)。

[PMX100UNEZ]和 [PMX100UNZ]是类似的 20 伏 N 沟道 MOSFET。主要区别在于，PMX100UNEZ 的 ESD 保护高达 2kV，而 PMX100UNZ 则没有。后者具有更高的最大栅源电压。它们在 4.5 伏的栅源电压下实现了 130 mΩ 和 122 mΩ 的漏源电阻，最大漏极电流分别为 1.4 安培 (A) 和 1.3A。

[PMX400UPZ]是 P 沟道器件，最大漏源电压为 20 伏。与 N 沟道器件相比，其最大漏极电流规格略低，为 0.9A，在栅源电压为 4.5 伏时，漏源电阻为 334 mΩ。

N 沟道 [PMX300UNEZ]的额定最大漏源电压为 30 伏。由于所有 DFN0603 MOSFET 的最大额定功率为 300 mW，增加漏源电压意味着最大漏极电流降低，在这种情况下为 0.82 安培。在栅源电压为 4.5 伏时，漏源电阻为 190 mΩ。

N 沟道 [PMX700ENZ] 的漏源电压最高，达 60 伏。最大漏极电流为 0.3A，其漏源电阻为 760 mΩ，栅源驱动电压为 4.5 伏。

除了最大额定功率耗散为 300 mW 之外，所有 DFN0603 器件的工作温度范围为 -55˚C 至 +150˚C。

MOSFET 电源和负载开关

微型可穿戴设备是最常见的电池供电型设备。需要减少电力使用以确保实现长充电间隔，因此需要在不使用时打开和关闭电路元件。这些开关在开启状态下需要低损耗，以确保低功率耗散，并在关闭状态下低漏电。负载开关可以用 MOSFET 作为开关器件来实现。通过向栅极驱动电路施加适当的电压，它们很容易被控制。负载开关可以使用 P 沟道或 N 沟道 MOSFET 进行配置（图 4）。

图 4：位于电源和负载之间的高压侧负载开关，可以用 P 沟道或 N 沟道 MOSFET 实现，使用适当的栅极驱动信号。（图片来源：Nexperia）

如果使用 P 沟道 MOSFET，拉低栅极将打开开关并使电流流入负载。如果使用 N 沟道，电路则需要施加一个高于输入电压的电压，以使 MOSFET 完全导通。如果没有高压信号，可以采用充电泵来驱动 N 沟道栅极。这增加了电路的复杂性，但由于在一定的尺寸下，N 沟道 MOSFET 的 R DS（开） 比 P 沟道器件更低，因此可能值得作出这样的折衷。另一个选择是，使用 N 沟道 MOSFET 作为负载和地之间的低压侧开关，减少所需的栅极电压。

无论如何实现负载开关，MOSFET 上的压降都等于漏极电流与 R DS（开） 的乘积。功率损耗是漏极电流的平方与 R DS（开） 的乘积。因此，工作在 0.7 A 最大漏极电流时，PMX100UNE 由于其 120 mΩ 的通道电阻，其功率损失仅为 58 mW。这就是为什么在便携式和可穿戴设备的设计中，实现尽可能低的 R DS（开） 值如此重要的原因。更低的功率损耗意味着更低的温升和更长的电池续航。

MOSFET 负载开关也可用于阻断在故障情况下可能出现的反向电流，如充电输入端短路。这是通过将两个 MOSFET 以极性相反方式串联在一起来实现的（图 5）。

图 5：图示是一个使用共漏极电路配置和 P 沟道 MOSFET 实现的反向电流保护负载开关。（图片来源：Nexperia）

负载开关中的反向电流保护也可以使用共源布局来实现。这种布局需要接入共源点，以便在开启后实现栅极放电。

产品内应用

新兴可穿戴设备绝佳样板就是 AR 和 VR 眼镜。这些设备需要高效的组件，功率耗散要低和物理尺寸要小。它们使用很多 MOSFET 器件作为开关，并用于功率转换（图 6）。

图 6：MOSFET 在 AR/VR 眼镜设计中作为负载开关、升压转换器和电池开关发挥着关键作用（以橙色方块标记）。（图片来源：Nexperia）

此类可穿戴设备必须在极长的充电间隔和用户所期望的“永远在线”功能之间取得平衡。MOSFET 开关用于在不使用时关闭设备的部分电源。注意这些开关：这些形状是用 MOSFET 实现的，用于连接和断开射频前端和扬声器。在电源控制方面，MOSFET 则用作电池开关并连接到外部电源进行有线充电。它们还用于显示器的开关模式升压电源转换器。

结语

对于微型可穿戴设备和其他空间和功率受限型设备的设计者来说，Nexperia DFN0603 封装 MOSFET 提供了实现下一代设计所需的微型封装尺寸和最佳 R DS（开） 。它们是用作负载开关、电池开关和开关模式电源转换器的理想元件。