Cómo lograr un control eficiente de la potencia en diseños con limitaciones de espacio

Dispositivos de vestir como auriculares, relojes inteligentes, gafas de realidad aumentada (RA)/realidad virtual (RV) y audífonos son cada vez más pequeños y discretos. Al mismo tiempo, estas aplicaciones exigen una mayor funcionalidad, incluidas las capacidades de inteligencia artificial (IA). Estas tendencias plantean problemas de gestión térmica a los diseñadores. Además, se necesita una mayor duración de las baterías para que la experiencia del usuario sea positiva, por lo que son necesarios diseños de alta eficiencia. Equilibrar esta mezcla de requisitos de diseño, a menudo contradictorios, está obligando a los diseñadores a replantearse la elección de componentes para minimizar el espacio en placa y maximizar el tiempo entre cargas.

Para ayudar a los diseñadores, se han desarrollado MOSFET en miniatura con una resistencia "encendida" muy baja. Estos dispositivos también ofrecen una excelente conductividad térmica para ayudar a controlar la disipación térmica. Algunos dispositivos llegan incluso a incorporar protección contra descargas electrostáticas (Descarga electrostática).

Este artículo analiza brevemente los retos a los que se enfrentan los diseñadores de pequeños dispositivos inteligentes alimentados por batería. A continuación, muestra cómo pueden resolverse estos problemas con los MOSFET empaquetados en miniatura de Nexperia, destacando las características de los dispositivos y su aplicabilidad en diseños de microportátiles.

Los retos del diseño de microdispositivos portátiles

Los relojes digitales, los auriculares y las joyas inteligentes, junto con otros dispositivos portátiles en miniatura, plantean varios retos a los diseñadores, sobre todo en lo que respecta al tamaño, el consumo de energía y la gestión térmica. Los retos no hacen más que crecer a medida que se ofrecen mayores niveles de funcionalidad, como la IA, para atraer a los usuarios finales. Además de encontrar espacio para microcontroladores, baterías, transceptores Bluetooth, altavoces y pantallas electrónicas, los diseñadores deben añadir ahora una capacidad de procesamiento neuronal.

Con el aumento de la funcionalidad surge la necesidad de enfoques avanzados de minimización del consumo de energía para prolongar la vida útil de la batería. El control del consumo de energía incluye el apagado de los elementos del circuito que no se están utilizando, pero esos circuitos deben estar preparados para encenderse rápidamente cuando sea necesario. Aunque el encendido y apagado es eficaz, requiere una baja resistencia de encendido en los dispositivos de conmutación para reducir las pérdidas de potencia y el calor generado. La gestión eficaz del calor generado se complica por el compacto factor de forma de estos dispositivos, lo que no hace sino subrayar la importancia de los componentes de alta eficiencia y bajas pérdidas.

Basándose en sus décadas de experiencia en la producción de componentes semiconductores discretos, Nexperia ha sido capaz de reducir el tamaño de sus MOSFET para satisfacer estas demandas a menudo contradictorias en su serie DFN (discretos planos sin terminal) (Figura 1).

Figura 1: Se muestra la familia Nexperia de dispositivos MOSFET con encapsulado DFN, destacando la reducción de tamaño y huella, hasta el DFN0603. (Fuente de la imagen: Nexperia)

El DFN0603 se presenta en un envase de 0.63 por 0.33 por 0.25 milímetros (mm). El cambio más significativo respecto al modelo anterior es la reducción de la altura a 0.25 mm, sin merma alguna de la funcionalidad. Además, el dispositivo presenta una resistencia de drenaje a fuente (RDS_(on)) un 74% inferior a la del encapsulado anterior.

Esta nueva serie de encapsulados de perfil ultrabajo incluye cinco dispositivos MOSFET, tanto de canal N como de canal P, con una tensión nominal de drenaje a fuente (V_DS) de 20 a 60 voltios.

Además de una menor disipación de potencia gracias a su menor resistencia de conexión, la línea de productos DFN0603 presenta una excelente conductividad térmica, que mantiene baja la temperatura del dispositivo montado.

MOSFET de trinchera

Esta reducción de tamaño, junto con la reducción de R_DS(on), es posible gracias al diseño MOSFET de trinchera del dispositivo (Figura 2).

Figura 2: Una vista transversal muestra la estructura de un MOSFET de trinchera con corriente que fluye verticalmente entre la fuente y el drenaje cuando el dispositivo está en estado encendido. La línea discontinua muestra las zonas del canal. (Fuente de la imagen: Art Pini)

Al igual que otros MOSFET, una celda MOSFET de trinchera tiene drenaje, compuerta y fuente, pero el canal se forma verticalmente, paralelo a la compuerta de trinchera, mediante el efecto de campo. Como resultado, la dirección del flujo de corriente es vertical, de la fuente al drenaje. En comparación con un dispositivo plano, que se extiende horizontalmente y ocupa mucha superficie, esta estructura es muy compacta, lo que permite un gran número de células adyacentes en el molde de silicio. Todas las células están conectadas para trabajar en paralelo con el fin de reducir el valor de RDS_(on) y aumentar la corriente de drenaje.

La familia de MOSFET DFN0603 de Nexperia

La serie DFN0603 de Nexperia incluye cinco dispositivos: cuatro MOSFET de canal N y un único MOSFET de canal P (Figura 3), con límites V_DS de 20 a 60 voltios. Todos utilizan el mismo encapsulado físico que tiene un límite de disipación de potencia total de 300 milivatios (mW).

Figura 3: Especificaciones de cinco MOSFETS DFN0603 de consumo ultrabajo para aplicaciones móviles y portátiles. (Fuente de la imagen: Nexperia)

Donde:

V_DS = Voltaje de drenaje a fuente máximo, en voltios.

V_GS = El voltaje puerta-fuente máximo, en voltios.

I_D = La corriente de drenaje máxima en amperios.

V_GSth = Los voltajes umbral puerta-fuente mínimo y máximo. Este es el voltaje requerido a través de los terminales de compuerta y fuente para comenzar a encender el MOSFET. Los valores mínimo y máximo tienen en cuenta las variaciones del proceso.

Descarga electrostática = El nivel de protección contra descarga electrostática en kilovoltios (kV), si se incluye descarga electrostática.

R_DS(on) = La resistencia de drenaje a fuente en miliohmios (mΩ) a la tensión de puerta a fuente indicada.

Los PMX100UNEZ y PMX100UNZ son MOSFET de canal N de 20 voltios similares. La principal diferencia es que la PMX100UNEZ está protegida contra descargas electrostáticas de hasta 2 kV, mientras que la PMX100UNZ no lo está. Este último tiene una tensión máxima compuerta a fuente más alta. Alcanzan una resistencia de drenaje a fuente de 130 mΩ y 122 mΩ a una tensión de puerta a fuente de 4.5 voltios, y unas corrientes de drenaje máximas de 1.4 amperios (A) y 1.3 A, respectivamente.

El PMX400UPZ es el dispositivo de canal P y tiene una tensión nominal máxima de drenaje a fuente de 20 voltios. Tiene una especificación de corriente de drenaje máxima ligeramente inferior de 0.9 A y una resistencia de drenaje a fuente de 334 mΩ a una tensión de puerta a fuente de 4.5 voltios en comparación con los dispositivos de canal N.

El canal N PMX300UNEZ tiene una tensión máxima de drenaje a fuente de 30 voltios. Dado que todos los MOSFET DFN0603 tienen una potencia máxima de 300 mW, el aumento de la tensión de drenaje a fuente significa que la corriente de drenaje máxima es menor, 0.82 amperios en este caso. La resistencia de drenaje a fuente es de 190 mΩ a un voltaje de puerta a fuente de 4.5 voltios.

El canal N PMX700ENZ tiene la tensión de drenaje a fuente más alta, de 60 voltios. La corriente de drenaje máxima es de 0.3 A, y su resistencia de drenaje a fuente es de 760 mΩ con una tensión de accionamiento de compuerta a fuente de 4.5 voltios.

Además de su disipación de potencia nominal máxima de 300 mW, todos los dispositivos DFN0603 tienen un rango de temperatura de funcionamiento de -55 ˚C a +150 ˚C.

MOSFET de potencia y conmutación de carga

Los microprendas de vestir suelen funcionar con baterías. Reducir el consumo de energía para garantizar intervalos de carga prolongados requiere encender y apagar los elementos del circuito cuando no se utilizan. Estos interruptores tienen que ser de baja pérdida cuando están encendidos para garantizar una disipación de potencia baja y tener pocas fugas cuando están apagados. Los interruptores de carga pueden implementarse con MOSFET como dispositivos de conmutación. Se controlan fácilmente aplicando una tensión adecuada al circuito de accionamiento de la puerta. Los interruptores de carga pueden configurarse utilizando MOSFET de canal P o de canal N (Figura 4).

Figura 4: Los interruptores de carga de lado alto, situados entre la fuente de alimentación y la carga, pueden implementarse con MOSFET de canal P o canal N utilizando señales de accionamiento de puerta adecuadas. (Fuente de la imagen: Nexperia)

Si se utiliza un MOSFET de canal P, al bajar la puerta se enciende el interruptor y se permite el paso de corriente a la carga. El circuito de canal N requiere que se aplique un voltaje superior al de entrada para que el MOSFET se encienda completamente. Si no se dispone de una señal de alto voltaje, se puede implementar una bomba de carga para accionar la puerta del canal N. Esto aumenta la complejidad del circuito, pero como los MOSFET de canal N tienen una R_DS(on) menor para un tamaño dado que un dispositivo de canal P, puede merecer la pena. Otra alternativa sería utilizar el MOSFET de canal N como interruptor de lado bajo entre la carga y tierra, reduciendo la tensión de puerta necesaria.

Independientemente de cómo se implemente el interruptor de carga, la caída de voltaje a través del MOSFET es igual al producto de la corriente de drenaje y R_DS(on). La pérdida de potencia es el producto de la corriente de drenaje al cuadrado y R_DS(on). Así, un PMX100UNE que funcione con una corriente de drenaje máxima de 0.7 A tendría una pérdida de potencia de sólo 58 mW debido a su resistencia de canal de 120 mΩ. Por eso es tan importante lograr el valor más bajo posible de R_DS(on) en el diseño de dispositivos portátiles y para vestir. Una menor pérdida de potencia se traduce en un menor aumento de la temperatura y una mayor duración de las baterías.

Los interruptores de carga MOSFET también pueden utilizarse para bloquear corrientes inversas que puedan producirse durante una condición de fallo, como un cortocircuito en la entrada de carga. Para ello, se colocan dos MOSFET en serie con polaridad inversa (Figura 5).

Figura 5: Se muestra un interruptor de carga con protección contra corriente inversa utilizando una configuración de circuito de drenaje común y MOSFET de canal P. (Fuente de la imagen: Nexperia)

La protección contra corriente inversa en un interruptor de carga también puede implementarse utilizando una disposición de fuente común. Esta disposición requiere el acceso al punto de fuente común para efectuar una descarga de la puerta después del encendido.

Aplicaciones en el producto

Las gafas de realidad aumentada y realidad virtual son un buen ejemplo de los dispositivos que se pueden llevar puestos. Estos dispositivos necesitan componentes muy eficientes con baja disipación de potencia y pequeño tamaño físico. Utilizan varios dispositivos MOSFET como interruptores y en la conversión de potencia (Figura 6).

Figura 6: Los MOSFET desempeñan un papel fundamental en el diseño de las gafas AR/VR como interruptores de carga, convertidores elevadores e interruptores de batería (marcados dentro de los cuadrados naranjas). (Fuente de la imagen: Nexperia)

Este tipo de dispositivos para llevar puestos tienen que equilibrar intervalos de recarga extremadamente largos con la funcionalidad "siempre activa" que esperan los usuarios. Los interruptores MOSFET se utilizan para apagar secciones del dispositivo cuando no se están utilizando. Tenga en cuenta los interruptores porque son MOSFET que conectan y desconectan el front-end de RF y el altavoz. En el lado de control de potencia, los MOSFET se utilizan como interruptor de batería y para conectarse a una fuente de alimentación externa para la carga cableada. También se utilizan en un convertidor elevador conmutado para pantallas.

Conclusión:

Los MOSFET en encapsulado DFN0603 de Nexperia ofrecen a los diseñadores de microdispositivos para vestir y otros dispositivos con limitaciones de espacio y potencia los tamaños de encapsulado en miniatura y el mejor R_DS(on ) de su clase necesarios para implementar diseños de próxima generación. Son componentes ideales para su uso como interruptores de carga, interruptores de batería y en convertidores de potencia conmutados.