วิธีการควบคุมพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพในการออกแบบที่มีพื้นที่จำกัด

อุปกรณ์สวมใส่ เช่น หูฟังเอียร์บัด สมาร์ทวอทช์ แว่นตาความจริงเสริม (AR)/แว่นตาเสมือนจริง (VR) และอุปกรณ์ช่วยฟังนั้นมีขนาดเล็กลงและมีรูปแบบที่แตกต่างกันมากขึ้น ในขณะเดียวกัน อุปกรณ์เหล่านี้ต้องการฟังก์ชันการทำงานที่เหนือกว่า รวมถึงความสามารถของปัญญาประดิษฐ์ (AI) ซึ่งก่อให้เกิดปัญหาในการจัดการระบายความร้อนสำหรับนักออกแบบ นอกจากนี้ยังจำเป็นต้องมีอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานขึ้นสำหรับประสบการณ์การใช้งานที่ดี ดังนั้น การออกแบบที่มีประสิทธิภาพสูงจึงเป็นสิ่งจำเป็น การผสมผสานระหว่างความต้องการด้านการออกแบบที่มักจะขัดแย้งกันนี้เป็นสิ่งที่ท้าทายนักออกแบบในพิจารณาตัวเลือกส่วนประกอบที่ลดพื้นที่บอร์ดในขณะที่ให้เวลาระหว่างการชาร์จให้สูงสุด

เพื่อช่วยนักออกแบบ จึงมีการผลิตมอสเฟตขนาดเล็กที่มีความต้านทานขณะทำงานต่ำมาก อุปกรณ์เหล่านี้ยังมีคุณสมบัติการนำความร้อนที่ดีเยี่ยมเพื่อช่วยควบคุมการกระจายความร้อน อุปกรณ์บางอย่างไปไกลถึงการป้องกันการคายประจุไฟฟ้าสถิต (ESD) ในตัว

บทความนี้จะกล่าวโดยสังเขปถึงความท้าทายที่นักออกแบบอุปกรณ์ขนาดเล็กที่ชาญฉลาดและใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ต้องเผชิญ จากนั้นจะแสดงให้เห็นถึงวิธีการแก้ไขความท้าทายเหล่านี้โดยใช้มอสเฟตขนาดเล็กจาก Nexperia โดยเน้นคุณลักษณะของอุปกรณ์และการนำไปใช้ในการออกแบบอุปกรณ์สวมใส่ขนาดเล็ก

ความท้าทายในการออกแบบอุปกรณ์สวมใส่ขนาดเล็ก

นาฬิกาดิจิตอล หูฟังเอียร์บัด และเครื่องประดับอัจฉริยะ รวมถึงอุปกรณ์สวมใส่ขนาดเล็กอื่นๆ ก่อให้เกิดความท้าทายหลายประการสำหรับนักออกแบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านขนาด การใช้พลังงาน และการจัดการความร้อน โดยความท้าทายนั้นมีมากขึ้นเรื่อย ๆ เมื่อต้องการฟังก์ชันการทำงานในระดับที่สูงขึ้น เช่น AI เพื่อดึงดูดผู้ใช้ปลายทาง นอกเหนือจากการหาพื้นที่สำหรับไมโครคอนโทรลเลอร์ แบตเตอรี่ ตัวรับส่งสัญญาณบลูทูธ ลำโพง และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สำหรับจอแสดงผลแล้ว นักออกแบบต้องเพิ่มความสามารถในการประมวลผลแบบระบบประสาท

ด้วยฟังก์ชันการทำงานที่เพิ่มขึ้นทำให้วิธีการลดการใช้พลังงานขั้นสูงจึงเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อยืดอายุแบตเตอรี่ การควบคุมการใช้พลังงานรวมถึงการปิดส่วนประกอบของวงจรที่ไม่ได้ใช้งาน แต่วงจรเหล่านั้นต้องพร้อมที่จะเปิดได้อย่างรวดเร็วเมื่อจำเป็น ในขณะที่การเปิดและปิดอุปกรณ์มีประสิทธิภาพ ความต้านทานภายในอุปกรณ์สวิตชิ่งจะต้องมีค่าน้อยเพื่อลดการสูญเสียพลังงานและความร้อนที่เกิดขึ้น โดยการจัดการความร้อนที่เกิดขึ้นอย่างมีประสิทธิภาพนั้นซับซ้อนเนื่องจากรูปแบบที่กะทัดรัดของอุปกรณ์เหล่านี้ ซึ่งเน้นย้ำถึงความสำคัญของส่วนประกอบที่มีประสิทธิภาพสูงและมีการสูญเสียต่ำ

จากประสบการณ์หลายสิบปีในการผลิตชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์แบบแยกส่วน Nexperia สามารถลดขนาดของมอสเฟต เพื่อตอบสนองความต้องการที่มักจะขัดแย้งกันเหล่านี้โดยใช้อุปกรณ์ซีรีส์ DFN (Discrete Flat No-lead) (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: แสดงอุปกรณ์มอสเฟตของ Nexperia ตระกูลแพ็คเกจแบบ DFN โดยเน้นที่การลดขนาดและฟุตปริ้นไปจนถึงรุ่น DFN0603 (แหล่งที่มาภาพ: Nexperia)

DFN0603 มาในแพ็คเกจขนาด 0.63 x 0.33 x 0.25 มิลลิเมตร (มม.) การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญที่สุดจากรุ่นก่อนหน้าที่แสดงคือการลดความสูงลงเหลือ 0.25 มม. โดยที่ฟังก์ชันการทำงานไม่ลดลงแต่อย่างใด นอกจากนี้ อุปกรณ์ยังมีคุณสมบัติที่มีความต้านทานระหว่างเดรนกับแหล่งจ่ายรีเลย์ขณะทำงาน (R_DS(on)) น้อยกว่าแพ็คเกจก่อนหน้าถึง 74%

ซีรีส์แพ็คเกจรูปทรงต่ำพิเศษใหม่นี้ประกอบด้วยอุปกรณ์ MOSFET ห้าตัว ทั้ง N-channel และ P-channel ที่พิกัดแรงดันระหว่างเดรนกับแหล่งจ่าย (V_DS) 20 ถึง 60 โวลต์

นอกเหนือจากการสูญเสียกำลังไฟฟ้าที่ลดลงเนื่องจากความต้านทานที่ลดลงแล้ว ผลิตภัณฑ์ DFN0603 ยังแสดงมีการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม ซึ่งช่วยรักษาอุณหภูมิของอุปกรณ์ที่ติดตั้งให้มีค่าต่ำ

มอสเฟตแบบเทรนช์

ขนาดที่ลดลงนี้มาพร้อมกับ R_DS(on) ที่ลดลงนั้นเป็นผลมาจากการออกแบบ MOSFET แบบเทรนช์ของอุปกรณ์ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: มุมมองภาคตัดขวางแสดงโครงสร้างของมอสเฟตแบบเทรนช์ที่มีกระแสไหลในแนวตั้งระหว่างแหล่งจ่ายและเดรนเมื่ออุปกรณ์อยู่ในสถานะเปิด เส้นประแสดงพื้นที่ชาแนล (แหล่งที่มาภาพ: Art Pini)

เซลล์มอสเฟตแบบเทรนช์มีทางเดรน (Drain) เกต (Gate) และแหล่งจ่าย (Source) เช่นเดียวกับมอสเฟตอื่น ๆ แต่ชาแนลจะอยู่ในแนวตั้งขนานไปกับเทรนช์ของเกตด้วยสนามไฟฟ้า เป็นผลให้ทิศทางของการไหลของกระแสเป็นแนวตั้งจากแหล่งจ่ายไปยังเดรน เมื่อเทียบกับอุปกรณ์แบบระนาบซึ่งกระจายในแนวนอนและใช้พื้นที่ผิวมาก โครงสร้างนี้มีขนาดเล็กมาก ทำให้สามารถมีเซลล์ที่อยู่ติดกันจำนวนมากในแผ่นซิลิกอน ทุกเซลล์เชื่อมต่อกันทำงานแบบขนานเพื่อลดค่า R_DS(on) และเพิ่มกระแสเดรน

มอสเฟตตระกูล Nexperia DFN0603

อุปกรณ์ซีรีส์ Nexperia DFN0603 ประกอบด้วยอุปกรณ์ 5 ตัว ได้แก่ มอสเฟต N-channel สี่ตัว และมอสเฟต P-channel หนึ่งตัว (รูปที่ 3) พร้อมด้วย V_DS พิกัด 20 ถึง 60 โวลต์ ทั้งหมดใช้แพ็คเกจทางกายภาพเดียวกันที่มีขีดจำกัดการสูญเสียกำลังไฟฟ้ารวมที่ 300 มิลลิวัตต์ (mW)

รูปที่ 3: แสดงข้อมูลจำเพาะของมอสเฟตพลังงานต่ำพิเศษ DFN0603 ห้าตัวสำหรับการใช้งานเคลื่อนที่และแบบพกพา (แหล่งที่มาภาพ: Nexperia)

เมื่อ:

V_DS = แรงดันไฟระหว่างเดรนและแหล่งจ่ายสูงสุด หน่วยเป็นโวลต์

V_GS = แรงดันระหว่างเกตและแหล่งจ่ายสูงสุด หน่วยเป็นโวลต์

I_D = กระแสเดรนสูงสุด หน่วยเป็นแอมแปร์

V_GSth = แรงดันเกณฑ์ขั้นต่ำและค่าสูงสุดระหว่างเกตและแหล่งจ่าย ซึ่งเป็นแรงดันไฟฟ้าที่ต้องการระหว่างเกตและแหล่งจ่ายเพื่อเริ่มเปิดมอสเฟต ค่าต่ำสุดและค่าสูงสุดสำหรับการเปลี่ยนแปลงของกระบวนการ

ESD = ระดับการป้องกัน ESD ในหน่วยกิโลโวลต์ (kV) หากมี ESD

R_DS(on) = ความต้านทานระหว่างเดรนและแหล่งจ่ายเป็นมิลลิโอห์ม (mΩ) ที่แรงดันระหว่างเกตและแหล่งจ่ายที่ระบุไว้

PMX100UNEZ และ PMX100UNZ เป็นมอสเฟต N-channel 20 โวลต์ที่คล้ายกัน ข้อแตกต่างที่สำคัญคือ PMX100UNEZ ป้องกัน ESD ได้ถึง 2 kV ในขณะที่ PMX100UNZ นั้นไม่มีการป้องกัน แต่มีแรงดันระหว่างเกตและแหล่งจ่ายสูงสุดที่สูงกว่า มีความต้านทานระว่างเดรนและแหล่งจ่าย 130 mΩ และ 122 mΩ ที่แรงดันระหว่างเกตและแหล่งจ่าย 4.5 โวลต์ และกระแสเดรนสูงสุด 1.4 แอมแปร์ (A) และ 1.3 A ตามลำดับ

PMX400UPZ เป็นอุปกรณ์ P-channel และมีพิกัดแรงดันไฟฟ้าระหว่างเดรนและแหล่งจ่ายสูงสุดที่ 20 โวลต์ มีข้อกำหนดกระแสเดรนสูงสุดที่ต่ำกว่าเล็กน้อยที่ 0.9 A และความต้านทานระหว่างเดรนและแหล่งจ่าย 334 mΩ ที่แรงดันระหว่างเกตและแหล่งจ่าย 4.5 โวลต์ เมื่อเทียบกับอุปกรณ์ N-channel

N-channel PMX300UNEZ มีพิกัดแรงดันไฟฟ้าสูงสุดระหว่างเดรนถึงแหล่งจ่ายที่ 30 โวลต์ เนื่องจากมอสเฟต DFN0603 ทั้งหมดมีอัตราพลังงานสูงสุด 300 mW การเพิ่มแรงดันระหว่างเดรนจากแหล่งจ่ายหมายความว่ากระแสเดรนสูงสุดจะต่ำกว่า ซึ่งเท่ากับ 0.82 แอมแปร์ในกรณีนี้ ความต้านทานระหว่างเดรนและแหล่งจ่ายคือ 190 mΩ ที่แรงดันระกว่างเกตและแหล่งจ่ายที่ 4.5 โวลต์

N-channel PMX700ENZ มีแรงดันระหว่างเดรนและแหล่งจ่ายสูงสุด 60 โวลท์ กระแสเดรนสูงสุดเท่ากับ 0.3 A และความต้านทานระหว่างเดรนและแหล่งจ่ายคือ 760 mΩ ด้วยแรงดันไดร์ฟระหว่างเกตและแหล่งจ่าย 4.5 โวลต์

นอกเหนือจากพิกัดการสูญเสียกำลังไฟฟ้าสูงสุดที่ 300 mW แล้ว อุปกรณ์ DFN0603 ทั้งหมดยังมีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ -55˚C ถึง +150˚C

การสวิชต์กำลังและโหลดของมอสเฟต

อุปกรณ์สวมใส่ขนาดเล็กมักใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ โดยการลดการใช้พลังงานจะเป็นการทำให้แน่ใจว่ามีช่วงเวลาระหว่างรอบการชาร์จที่ยาวนานจำเป็นต้องเปิดและปิดองค์ประกอบวงจรเมื่อไม่ได้ใช้งาน สวิตช์เหล่านี้ต้องมีการสูญเสียต่ำเมื่ออยู่ในสถานะเปิดเพื่อให้แน่ใจว่ามีการสูญเสียกำลังไฟฟ้าต่ำและมีการรั่วไหลต่ำในสถานะปิด สามารถใช้สวิตช์โหลดโดยใช้มอสเฟตเป็นอุปกรณ์สวิตชิ่ง ควบคุมได้ง่ายโดยใช้แรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมกับวงจรขับเกท สามารถกำหนดรูปแบบสวิตช์โหลดได้โดยใช้มอสเฟตแบบ P-channel หรือ N-channel (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: สวิตช์โหลดด้านไฮไซด์ที่อยู่ระหว่างแหล่งพลังงานและโหลด สามารถนำไปใช้กับมอสเฟตแบบ P-channel หรือ N-channel โดยใช้สัญญาณเกทไดรฟ์ที่เหมาะสม (แหล่งที่มาภาพ: Nexperia)

หากใช้มอสเฟตแบบ P-channel การดึงเกทให้ต่ำจะเป็นการเปิดสวิตช์และทำให้กระแสไหลเข้าสู่โหลด โดยวงจร N-channel ต้องการแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าขาเข้าเพื่อเปิดมอสเฟตให้สุด หากไม่มีสัญญาณไฟฟ้าแรงสูง สามารถใช้วงจรอัดประจุเพื่อขับเกท N-channel ได้ สิ่งนี้จะเพิ่มความซับซ้อนของวงจร แต่เนื่องจากมอสเฟตแบบ N-channel มี R_DS(on) ต่ำกว่าอุปกรณ์ P-channel ในขนาดที่กำหนด ซึ่งอาจคุ้มค่ากับการแลกเปลี่ยน อีกทางเลือกหนึ่งคือการใช้มอสเฟตแบบ N-channel เป็นสวิตช์ด้านโลวไซด์ระหว่างโหลดและกราวด์ ซึ่งช่วยลดแรงดันเกทที่ต้องการ

ไม่ว่าจะใช้สวิตช์โหลดอย่างไร แรงดันตกคร่อมมอสเฟตจะเท่ากับผลคูณของกระแสเดรนและ R_DS(on) โดยการสูญเสียพลังงานเป็นผลคูณของกระแสเดรนกำลังสองและ R_DS(on) ดังนั้น PMX100UNE ที่ทำงานที่กระแสเดรนสูงสุด 0.7 A จะมีการสูญเสียพลังงานเพียง 58 mW เนื่องจากมีความต้านทานชาเนล 120 mΩ นี่คือเหตุผลที่ทำให้ได้ค่า R_DS(on) ที่ต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ มีความสำคัญอย่างยิ่งในการออกแบบอุปกรณ์พกพาและสวมใส่ได้ การสูญเสียพลังงานที่ลดลงหมายถึงการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่ลดลงและอายุการใช้งานแบตเตอรี่ที่ยาวนานขึ้น

นอกจากนี้ยังสามารถใช้สวิตช์โหลดมอสเฟต เพื่อป้องกันกระแสย้อนกลับที่อาจเกิดขึ้นระหว่างสภาวะความผิดปกติ เช่น การลัดวงจรที่อินพุตการชาร์จ ซึ่งสามารถทำได้โดยการวางมอสเฟตสองตัวแบบอนุกรมที่มีขั้วกลับกัน (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: แสดงเป็นสวิตช์โหลดที่มีการป้องกันกระแสย้อนกลับโดยใช้รูปแบบวงจรเดรนร่วมและมอสเฟตแบบ P-channel (แหล่งที่มาภาพ: Nexperia)

การป้องกันกระแสย้อนกลับในสวิตช์โหลดยังสามารถดำเนินการได้โดยใช้รูปแบบแหล่งจ่ายร่วม รูปแบบนี้จำเป็นต้องเข้าถึงจุดแหล่งจ่ายร่วมเพื่อให้มีการระบายของเกตหลังจากเปิดวงจร

การใช้งานในผลิตภัณฑ์

ตัวอย่างที่ดีของอุปกรณ์สวมใส่ที่กำลังมาแรงคือแว่น AR และ VR อุปกรณ์เหล่านี้ต้องการส่วนประกอบที่มีประสิทธิภาพสูงพร้อมการสูญเสียกำลังไฟฟ้าต่ำและขนาดตัวเครื่องที่เล็ก พวกเขาใช้อุปกรณ์มอสเฟตจำนวนหนึ่งเป็นสวิตช์และในการแปลงพลังงาน (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: มอสเฟตมีบทบาทสำคัญในการออกแบบแว่นตา AR/VR เช่น สวิตช์โหลด บูสต์คอนเวอร์เตอร์ และสวิตช์แบตเตอรี่ (ทำเครื่องหมายในช่องสี่เหลี่ยมสีส้ม) (แหล่งที่มาภาพ: Nexperia)

อุปกรณ์สวมใส่ประเภทนี้ต้องสร้างความสมดุลระหว่างช่วงเวลาระหว่างรอบการชาร์จที่ยาวนานมากกับฟังก์ชัน "เปิดตลอดเวลา" ที่ผู้ใช้คาดหวัง โดยใช้สวิตช์มอสเฟตเพื่อปิดการทำงานของอุปกรณ์ส่วนใดส่วนหนึ่งเมื่อไม่ได้ใช้งาน ข้อสังเกตคือสวิตช์เหล่านี้ใช้กับมอสเฟตที่เชื่อมต่อและตัดการเชื่อมต่อส่วนหน้าของ RF และลำโพง ในด้านการควบคุมพลังงาน มอสเฟตใช้เป็นสวิตช์แบตเตอรี่และเชื่อมต่อกับแหล่งพลังงานภายนอกสำหรับการชาร์จแบบมีสาย พวกเขายังใช้ในตัวแปลงพลังงานเพิ่มโหมดสวิตช์สำหรับจอแสดงผล

สรุป

สำหรับนักออกแบบอุปกรณ์สวมใส่ขนาดเล็กและอุปกรณ์จำกัดพื้นที่และพลังงานอื่น ๆ มอสเฟตแพ็คเกจ DFN0603 ของ Nexperia นำเสนอแพ็คเกจขนาดเล็กที่มีค่า R_DS(on) ที่ดีที่สุดในระดับเดียวกัน จำเป็นต้องใช้การออกแบบรุ่นต่อไป ซึ่งเป็นส่วนประกอบที่เหมาะสำหรับใช้เป็นสวิตช์โหลด สวิตช์แบตเตอรี่ และตัวแปลงพลังงานในโหมดสวิตช์