Permettre un contrôle de l'alimentation efficace dans les conceptions à espace restreint

Les dispositifs corporels tels que les oreillettes, les montres connectées, les lunettes de réalité augmentée (AR)/réalité virtuelle (VR) et les appareils auditifs sont de plus en plus petits et discrets. Dans le même temps, ces applications exigent davantage de fonctionnalités, notamment des capacités d'intelligence artificielle (IA). Ces tendances créent des problèmes de gestion thermique pour les concepteurs. De plus, une autonomie batterie plus longue est nécessaire pour une expérience utilisateur positive, d'où la nécessité de concevoir des produits hautement efficaces. Équilibrer ce mélange d'exigences de conception souvent contradictoires oblige les concepteurs à repenser les choix en matière de composants afin de réduire l'espace carte tout en optimisant la durée entre les charges.

Pour aider les concepteurs, des MOSFET miniatures à très faible résistance à l'état passant ont vu le jour. Ces dispositifs offrent également une excellente conductivité thermique pour aider à contrôler la dissipation de la chaleur. Certains dispositifs vont jusqu'à embarquer une protection contre les décharges électrostatiques (DES).

Cet article aborde brièvement les défis auxquels sont confrontés les concepteurs de petits dispositifs intelligents alimentés par batterie. Il montre ensuite comment ces défis peuvent être résolus à l'aide de MOSFET en boîtiers miniatures de Nexperia, et présente les caractéristiques des dispositifs et leur applicabilité dans les micro-conceptions corporelles.

Les défis de la conception de micro-dispositifs corporels

Les montres numériques, les oreillettes et les bijoux connectés, ainsi que d'autres dispositifs corporels miniatures, posent plusieurs défis aux concepteurs, notamment en ce qui concerne la taille, la consommation d'énergie et la gestion thermique. Ces défis ne font que croître à mesure que des niveaux de fonctionnalité plus élevés, tels que l'intelligence artificielle, sont proposés pour séduire les utilisateurs finaux. Outre l'espace requis pour les microcontrôleurs, les batteries, les émetteurs-récepteurs Bluetooth, les haut-parleurs et l'électronique d'affichage, les concepteurs doivent désormais ajouter une capacité de traitement neuronal.

Avec l'augmentation des fonctionnalités, il est nécessaire d'adopter des approches avancées de minimisation de la consommation d'énergie pour étendre la durée de vie des batteries. Le contrôle de la consommation d'énergie inclut la désactivation des éléments de circuits qui ne sont pas utilisés, mais ces circuits doivent être prêts à s'activer rapidement en cas de besoin. Bien que la mise sous tension et hors tension soit efficace, elle nécessite une faible résistance à l'état passant dans les dispositifs de commutation pour réduire les pertes de puissance et la chaleur générée. La gestion efficace de toute chaleur générée est compliquée par le facteur de forme compact de ces dispositifs, ce qui ne fait que souligner l'importance des composants à haut rendement et à faible perte.

S'appuyant sur des décennies d'expérience dans la production de composants semi-conducteurs discrets, Nexperia a pu réduire la taille de ses MOSFET dans sa série DFN (discrete flat no lead) pour répondre à ces demandes souvent contradictoires (Figure 1).

Figure 1 : Dispositifs MOSFET en boîtier DFN de Nexperia, mettant en évidence la réduction de la taille et de l'empreinte, jusqu'au modèle DFN0603. (Source de l'image : Nexperia)

Le DFN0603 est fourni en boîtier de 0,63 millimètre (mm) x 0,33 mm x 0,25 mm. Le changement le plus important par rapport au modèle précédent est la réduction de la hauteur à 0,25 mm, sans pour autant affecter les fonctionnalités. De plus, le dispositif présente une résistance à l'état passant drain-source (R_DS(on)) 74 % inférieure à celle du boîtier précédent.

Cette nouvelle série de boîtiers ultra-plats comprend cinq dispositifs MOSFET, à canal N et à canal P, répertoriés à une tension de 20 à 60 volts drain-source (V_DS).

Outre une dissipation de puissance inférieure grâce à une faible résistance à l'état passant, la ligne de produits DFN0603 présente une excellente conduction thermique, ce qui maintient la température du dispositif monté à un niveau bas.

MOSFET à tranchées

La réduction de la taille et de la résistance R_DS(on) est possible grâce à la conception du MOSFET à tranchées du dispositif (Figure 2).

Figure 2 : Vue en coupe montrant la structure d'un MOSFET à tranchées avec un courant circulant verticalement entre la source et le drain lorsque le dispositif est à l'état passant. La ligne en pointillés montre les zones de canaux. (Source de l'image : Art Pini)

Comme les autres MOSFET, une cellule MOSFET à tranchées a un drain, une grille et une source, mais le canal se forme verticalement, parallèlement à la tranchée de grille, au moyen de l'effet de champ. Par conséquent, la direction du flux de courant est verticale, de la source au drain. Par rapport à un dispositif planar, qui s'étend horizontalement et occupe une grande surface, cette structure est très compacte, autorisant un très grand nombre de cellules adjacentes dans la puce silicium. Toutes les cellules sont connectées pour fonctionner en parallèle afin de réduire la valeur de résistance R_DS(on) et augmenter le courant de drain.

Gamme de MOSFET DFN0603 de Nexperia

La série DFN0603 de Nexperia inclut cinq dispositifs — quatre MOSFET à canal N et un seul MOSFET à canal P (Figure 3), avec limites V_DS de 20 V à 60 V. Tous utilisent le même boîtier physique qui a une limite de dissipation de puissance totale de 300 milliwatts (mW).

Figure 3 : Spécifications de cinq MOSFET ultrabasse consommation DFN0603 destinés aux applications mobiles et portables. (Source de l'image : Nexperia)

Où :

V_DS = La tension drain-source maximum, en volts.

V_GS = La tension grille-source maximum, en volts.

I_D = Le courant de drain maximum en ampères.

V_GSth = Les tensions de seuil grille-source minimum et maximum. Il s'agit de la tension requise aux bornes de grille et de source pour activer le MOSFET. Les valeurs minimum et maximum tiennent compte des variations du processus.

DES = Le niveau de protection DES en kilovolts (kV), si la protection DES est incluse.

R_DS(on) = La résistance drain-source en milliohms (mΩ) à la tension grille-source homologuée.

Les dispositifs PMX100UNEZ et PMX100UNZ sont des MOSFET à canal N de 20 V similaires. La principale différence est que le PMX100UNEZ est protégé contre les décharges électrostatiques jusqu'à 2 kV, alors que le PMX100UNZ ne l'est pas. Ce dernier a une tension grille-source maximum plus élevée. Ils atteignent une résistance drain-source de 130 mΩ et 122 mΩ à une tension grille-source de 4,5 V et des courants de drain maximum de 1,4 ampère (A) et 1,3 A, respectivement.

Le PMX400UPZ est un dispositif à canal P et il est répertorié à une tension drain-source maximum de 20 V. Il a une spécification de courant de drain maximum légèrement inférieure de 0,9 A et une résistance drain-source de 334 mΩ à une tension grille-source de 4,5 V par rapport aux dispositifs à canal N.

Le dispositif à canal N PMX300UNEZ est répertorié à une tension drain-source maximum de 30 V. Étant donné que tous les MOSFET DFN0603 ont une puissance nominale maximum de 300 mW, l'augmentation de la tension drain-source signifie que le courant de drain maximum est inférieur, 0,82 A dans ce cas. La résistance drain-source est de 190 mΩ à une tension grille-source de 4,5 V.

Le PMX700ENZ à canal N a la tension drain-source la plus élevée de 60 V. Le courant de drain maximum est de 0,3 A et sa résistance drain-source est de 760 mΩ avec une tension de commande grille-source de 4,5 V.

Avec leur dissipation de puissance nominale maximum de 300 mW, tous les dispositifs DFN0603 offrent une plage de températures de fonctionnement de -55°C à +150°C.

Alimentation MOSFET et commutation de charge

Les micro-dispositifs corporels sont le plus souvent alimentés par batterie. Pour réduire la consommation d'énergie afin de garantir de longs intervalles de charge, les éléments des circuits doivent être activés et désactivés lorsqu'ils ne sont pas utilisés. Ces commutateurs doivent présenter de faibles pertes lorsqu'ils sont activés pour garantir une faible dissipation de puissance et présenter une faible fuite lorsqu'ils sont désactivés. Les commutateurs de charge peuvent être implémentés avec des MOSFET comme dispositifs de commutation. Ils sont facilement contrôlés en appliquant une tension appropriée au circuit de commande de grille. Les commutateurs de charge peuvent être configurés à l'aide de MOSFET à canal P ou à canal N (Figure 4).

Figure 4 : Les commutateurs de charge haut potentiel, positionnés entre la source d'alimentation et la charge, peuvent être implémentés à l'aide de MOSFET à canal P ou à canal N avec les signaux de commande de grille appropriés. (Source de l'image : Nexperia)

Si un MOSFET à canal P est utilisé, placer la grille à l'état bas activera le commutateur et permettra le flux de courant dans la charge. Le circuit à canal N requiert une tension supérieure à la tension d'entrée à appliquer afin d'activer complètement le MOSFET. Si aucun signal haute tension n'est disponible, une pompe à charge peut être utilisée pour commander la grille de canal N. Cela ajoute à la complexité du circuit, mais comme les MOSFET à canal N ont une résistance R_DS(on) inférieure à celle d'un dispositif à canal P pour une taille donnée, cela peut s'avérer bénéfique. Une autre alternative consiste à utiliser le MOSFET à canal N comme commutateur bas potentiel entre la charge et la terre, réduisant ainsi la tension de grille requise.

Quelle que soit la manière dont le commutateur de charge est implémenté, la chute de tension dans le MOSFET est égale au produit du courant de drain et de la résistance R_DS(on). La perte de puissance est le produit du courant de drain au carré et de la résistance R_DS(on). Ainsi, un PMX100UNE fonctionnant à un courant de drain maximum de 0,7 A aurait une perte de puissance de seulement 58 mW en raison de sa résistance de canal de 120 mΩ. C'est pourquoi atteindre la valeur R_DS(on) la plus faible possible est crucial dans la conception de dispositifs corporels et portables. Une perte de puissance inférieure implique une élévation de température plus faible et une durée de vie des batteries plus étendue.

Les commutateurs de charge MOSFET peuvent également être utilisés pour bloquer les courants inverses qui peuvent se produire lors d'une condition de défaut, comme un court-circuit à l'entrée de charge. Pour ce faire, deux MOSFET à polarité inverse sont connectés en série (Figure 5).

Figure 5 : Commutateur de charge protégé contre les courants inverses en utilisant une configuration de circuit à drain commun et des MOSFET à canal P. (Source de l'image : Nexperia)

La protection contre les courants inverses dans un commutateur de charge peut également être mise en œuvre à l'aide d'une disposition de source commune. Cette disposition nécessite l'accès au point de source commun pour effectuer une décharge de la grille après activation.

Applications dans les produits

Les lunettes AR et VR sont de bons exemples de dispositifs corporels en plein essor. Ces dispositifs requièrent des composants hautement efficaces avec une faible dissipation de puissance et un format physique compact. Ils utilisent un certain nombre de MOSFET comme commutateurs et dans la conversion de puissance (Figure 6).

Figure 6 : Les MOSFET jouent un rôle essentiel dans la conception des lunettes AR/VR en tant que commutateurs de charge, convertisseurs élévateurs et commutateurs de batterie (carrés orange). (Source de l'image : Nexperia)

Ce type de dispositif corporel doit concilier des intervalles de recharge extrêmement longs avec la fonctionnalité « toujours active » attendue par les utilisateurs. Les commutateurs MOSFET sont utilisés pour désactiver les sections du dispositif lorsqu'elles ne sont pas utilisées. Notez que les commutateurs sont implémentés avec des MOSFET qui connectent et déconnectent le circuit d'entrée RF et le haut-parleur. Du côté du contrôle de l'alimentation, les MOSFET sont utilisés comme commutateur de batterie et pour se connecter à une source d'alimentation externe pour la charge par câble. Ils sont également utilisés dans un convertisseur de puissance élévateur à découpage pour l'affichage.

Conclusion

Pour les concepteurs de micro-dispositifs corporels et d'autres dispositifs soumis à des contraintes d'espace et d'alimentation, les MOSFET DFN0603 de Nexperia offrent les meilleures valeurs R_DS(on) de leur catégorie en boîtier miniature, nécessaires à la mise en œuvre des conceptions nouvelle génération. Ces composants conviennent parfaitement à une utilisation comme commutateurs de charge, commutateurs de batterie et dans les convertisseurs de puissance à découpage.