來(lái)源：Digi-Key
作者：Art Pini
諸如耳塞、智能手表、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR)/虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 眼鏡和助聽(tīng)器之類(lèi)可穿戴設(shè)備正變得越來(lái)越小，越來(lái)越獨(dú)立。與此同時(shí)，這些應(yīng)用需要的功能也越來(lái)越多，包括人工智能 (AI)。這些趨勢(shì)給設(shè)計(jì)者帶來(lái)了熱管理問(wèn)題。此外，為了獲得良好的用戶(hù)體驗(yàn)，需要更長(zhǎng)的電池續(xù)航時(shí)間，因此高能效設(shè)計(jì)是必不可少的。平衡這種經(jīng)常相互沖突的混合設(shè)計(jì)要求，對(duì)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)是一種挑戰(zhàn)，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(shí)，最大限度地延長(zhǎng)充電時(shí)間間隔。
為了幫助設(shè)計(jì)者克服挑戰(zhàn)，市場(chǎng)上出現(xiàn)了具有“導(dǎo)通”電阻非常低的的小型 MOSFET。這些器件還具有出色的導(dǎo)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(hù)。
(資料圖片)
本文簡(jiǎn)要討論了小型、智能、電池供電型設(shè)備設(shè)計(jì)者所面臨的挑戰(zhàn)。然后說(shuō)明如何使用 Nexperia 的小型封裝 MOSFET 來(lái)解決這些挑戰(zhàn)，重點(diǎn)展示這些器件的特性及其在微型可穿戴設(shè)計(jì)中的適用性。
微型可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)
數(shù)字手表、耳塞和智能珠寶以及其他微型可穿戴設(shè)備給設(shè)計(jì)者帶來(lái)了一些挑戰(zhàn)，特別是在尺寸、功耗和熱管理方面。為了吸引最終用戶(hù)，隨著像人工智能這樣的更高水平功能的提供，挑戰(zhàn)只會(huì)越來(lái)越大。除了為微控制器、電池、藍(lán)牙收發(fā)器、揚(yáng)聲器和顯示電子裝置尋找空間外，設(shè)計(jì)師現(xiàn)在必須增加神經(jīng)處理能力。
隨著功能的增加，需要先進(jìn)的功耗最小化方法來(lái)延長(zhǎng)電池續(xù)航。對(duì)電力消耗的控制包括關(guān)閉不使用的電路元件，但這些電路必須準(zhǔn)備好能在需要時(shí)迅速打開(kāi)。雖然打開(kāi)和關(guān)閉電源是有效的，但它要求開(kāi)關(guān)設(shè)備低導(dǎo)通電阻，以減少功率損失和產(chǎn)生的熱量。有效管理任何產(chǎn)生的熱量會(huì)因?yàn)檫@些設(shè)備的緊湊外形而變得復(fù)雜，因此使用高效率、低損耗元件就顯得更為重要。
憑借數(shù)十年在分立半導(dǎo)體元件生產(chǎn)方面的經(jīng)驗(yàn)，Nexperia 已經(jīng)能夠縮小其 MOSFET 的尺寸，以滿(mǎn)足其 DFN（扁平無(wú)引線(xiàn)分立封裝）系列中這些經(jīng)常發(fā)生沖突的要求（圖 1）。
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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(lái)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(hào)相比，最顯著的變化是將高度降至 0.25 mm——功能沒(méi)有任何減少。此外，該器件的漏源導(dǎo)通電阻 (RDS(on)) 比早期封裝低了 74%。
這一新型超扁平封裝系列包括五個(gè) MOSFET 器件，包括 N 溝道和 P 溝道，額定漏源電壓 (VDS) 為 20 至 60 伏。
除了因其較低的導(dǎo)通電阻而實(shí)現(xiàn)了較低的功率耗散外，DFN0603 產(chǎn)品系列還表現(xiàn)出良好的熱傳導(dǎo)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 RDS(on) 的降低是通過(guò)該器件的溝槽式 MOSFET 設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的（圖 2）。
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圖 2：剖面圖顯示了溝槽式 MOSFET 的結(jié)構(gòu)，當(dāng)器件處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，電流在源極和漏極之間垂直流動(dòng)。虛線(xiàn)表示通道區(qū)域。（圖片來(lái)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(guò)場(chǎng)效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，電流的流動(dòng)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(jié)構(gòu)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(lián)工作，以減少 RDS(on) 的值，并增加漏極電流。
Nexperia DFN0603 MOSFET 系列
Nexperia DFN0603 系列包括五個(gè)器件——四個(gè) N 溝道 MOSFET 和一個(gè) 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)。
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圖 3：顯示的是用于移動(dòng)和便攜式應(yīng)用的五個(gè) DFN0603 超低功耗 MOSFETS 的規(guī)格。（圖片來(lái)源：Nexperia）
其中：
VDS = 最大漏源電壓，單位為伏特。
VGS = 最大柵源電壓，單位為伏特。
ID = 最大漏極電流，單位為安培。
VGSth = 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(kāi)始打開(kāi) MOSFET。最小值和最大值說(shuō)明了工藝差異。
ESD = 千伏 (kV) 計(jì)的 ESD 保護(hù)等級(jí)，如果包括 ESD。
RDS(on) = 所列門(mén)柵源電壓下的漏源電阻，單位為毫歐 (mΩ)。
PMX100UNEZ 和 PMX100UNZ 是類(lèi)似的 20 伏 N 溝道 MOSFET。主要區(qū)別在于，PMX100UNEZ 的 ESD 保護(hù)高達(dá) 2kV，而 PMX100UNZ 則沒(méi)有。后者具有更高的最大柵源電壓。它們?cè)?4.5 伏的柵源電壓下實(shí)現(xiàn)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(guī)格略低，為 0.9A，在柵源電壓為 4.5 伏時(shí)，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(shí)，漏源電阻為 190 mΩ。
N 溝道 PMX700ENZ 的漏源電壓最高，達(dá) 60 伏。最大漏極電流為 0.3A，其漏源電阻為 760 mΩ，柵源驅(qū)動(dòng)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(fù)載開(kāi)關(guān)
微型可穿戴設(shè)備是最常見(jiàn)的電池供電型設(shè)備。需要減少電力使用以確保實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)充電間隔，因此需要在不使用時(shí)打開(kāi)和關(guān)閉電路元件。這些開(kāi)關(guān)在開(kāi)啟狀態(tài)下需要低損耗，以確保低功率耗散，并在關(guān)閉狀態(tài)下低漏電。負(fù)載開(kāi)關(guān)可以用 MOSFET 作為開(kāi)關(guān)器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)向柵極驅(qū)動(dòng)電路施加適當(dāng)?shù)碾妷海鼈兒苋菀妆豢刂?。?fù)載開(kāi)關(guān)可以使用 P 溝道或 N 溝道 MOSFET 進(jìn)行配置（圖 4）。
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圖 4：位于電源和負(fù)載之間的高壓側(cè)負(fù)載開(kāi)關(guān)，可以用 P 溝道或 N 溝道 MOSFET 實(shí)現(xiàn)，使用適當(dāng)?shù)臇艠O驅(qū)動(dòng)信號(hào)。（圖片來(lái)源：Nexperia）
如果使用 P 溝道 MOSFET，拉低柵極將打開(kāi)開(kāi)關(guān)并使電流流入負(fù)載。如果使用 N 溝道，電路則需要施加一個(gè)高于輸入電壓的電壓，以使 MOSFET 完全導(dǎo)通。如果沒(méi)有高壓信號(hào)，可以采用充電泵來(lái)驅(qū)動(dòng) N 溝道柵極。這增加了電路的復(fù)雜性，但由于在一定的尺寸下，N 溝道 MOSFET 的 RDS(on) 比 P 溝道器件更低，因此可能值得作出這樣的折衷。另一個(gè)選擇是，使用 N 溝道 MOSFET 作為負(fù)載和地之間的低壓側(cè)開(kāi)關(guān)，減少所需的柵極電壓。
無(wú)論如何實(shí)現(xiàn)負(fù)載開(kāi)關(guān)，MOSFET 上的壓降都等于漏極電流與 RDS(on) 的乘積。功率損耗是漏極電流的平方與 RDS(on) 的乘積。因此，工作在 0.7 A 最大漏極電流時(shí)，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(shè)備的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)盡可能低的 RDS(on) 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(zhǎng)的電池續(xù)航。
MOSFET 負(fù)載開(kāi)關(guān)也可用于阻斷在故障情況下可能出現(xiàn)的反向電流，如充電輸入端短路。這是通過(guò)將兩個(gè) MOSFET 以極性相反方式串聯(lián)在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)的（圖 5）。
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圖 5：圖示是一個(gè)使用共漏極電路配置和 P 溝道 MOSFET 實(shí)現(xiàn)的反向電流保護(hù)負(fù)載開(kāi)關(guān)。（圖片來(lái)源：Nexperia）
負(fù)載開(kāi)關(guān)中的反向電流保護(hù)也可以使用共源布局來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種布局需要接入共源點(diǎn)，以便在開(kāi)啟后實(shí)現(xiàn)柵極放電。
產(chǎn)品內(nèi)應(yīng)用
新興可穿戴設(shè)備絕佳樣板就是 AR 和 VR 眼鏡。這些設(shè)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(kāi)關(guān)，并用于功率轉(zhuǎn)換（圖 6）。
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圖 6：MOSFET 在 AR/VR 眼鏡設(shè)計(jì)中作為負(fù)載開(kāi)關(guān)、升壓轉(zhuǎn)換器和電池開(kāi)關(guān)發(fā)揮著關(guān)鍵作用（以橙色方塊標(biāo)記）。（圖片來(lái)源：Nexperia）
此類(lèi)可穿戴設(shè)備必須在極長(zhǎng)的充電間隔和用戶(hù)所期望的“永遠(yuǎn)在線(xiàn)”功能之間取得平衡。MOSFET 開(kāi)關(guān)用于在不使用時(shí)關(guān)閉設(shè)備的部分電源。注意這些開(kāi)關(guān)：這些形狀是用 MOSFET 實(shí)現(xiàn)的，用于連接和斷開(kāi)射頻前端和揚(yáng)聲器。在電源控制方面，MOSFET 則用作電池開(kāi)關(guān)并連接到外部電源進(jìn)行有線(xiàn)充電。它們還用于顯示器的開(kāi)關(guān)模式升壓電源轉(zhuǎn)換器。
結(jié)語(yǔ)
對(duì)于微型可穿戴設(shè)備和其他空間和功率受限型設(shè)備的設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，Nexperia DFN0603 封裝 MOSFET 提供了實(shí)現(xiàn)下一代設(shè)計(jì)所需的微型封裝尺寸和最佳 RDS(on)。它們是用作負(fù)載開(kāi)關(guān)、電池開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器的理想元件。
關(guān)鍵詞：
