Como Obter um Controle de Energia Eficiente em Projetos com Restrição de Espaço

Dispositivos vestíveis como fones de ouvido, relógios inteligentes, óculos de realidade aumentada (AR)/realidade virtual (VR) e aparelhos auditivos estão ficando menores e mais discretos. Ao mesmo tempo, essas aplicações exigem maior funcionalidade, incluindo recursos de inteligência artificial (IA). Essas tendências criam problemas de gerenciamento térmico para os projetistas. Além disso, é necessária uma vida útil mais longa da bateria para que a experiência do usuário seja positiva, portanto, são necessários projetos de alta eficiência. Equilibrar essa combinação de requisitos de projeto, muitas vezes conflitantes, está desafiando os projetistas a repensar as escolhas de componentes para minimizar o espaço na placa e, ao mesmo tempo, maximizar o tempo entre as recargas.

Para ajudar os projetistas, surgiram os MOSFETs em miniatura com resistência "ligada" muito baixa. Esses dispositivos também oferecem excelente condutividade térmica para ajudar a controlar a dissipação de calor. Alguns dispositivos chegam ao ponto de incorporar proteção contra descarga eletrostática (ESD).

Este artigo discute brevemente os desafios enfrentados pelos projetistas de dispositivos pequenos, inteligentes e alimentados por bateria. Em seguida, mostra como esses desafios podem ser resolvidos com o uso de MOSFETs em invólucros em miniatura da Nexperia, destacando as características dos dispositivos e sua aplicabilidade em projetos microvestíveis.

Os desafios do projeto de dispositivos microvestíveis

Relógios digitais, fones de ouvido e joias inteligentes, além de outros dispositivos vestíveis em miniatura, representam vários desafios para os projetistas, principalmente no que diz respeito ao tamanho, consumo de energia e gerenciamento térmico. Os desafios só aumentam à medida que níveis mais altos de funcionalidade, como IA, são oferecidos para envolver os usuários finais. Além de encontrar espaço para microcontroladores, baterias, transceptores Bluetooth, alto-falantes e displays eletrônicos, os projetistas agora precisam adicionar um recurso de processamento neural.

Com o aumento da funcionalidade, surge a necessidade de abordagens avançadas de minimização do consumo de energia para aumentar a vida útil da bateria. O controle do consumo de energia inclui o desligamento dos elementos do circuito que não estão sendo usados, mas esses circuitos devem estar prontos para serem ligados rapidamente quando necessário. Embora seja eficaz ligar e desligar a energia, isso requer baixa resistência nos dispositivos de interrupção para reduzir as perdas de energia e o calor gerado. O gerenciamento eficaz de qualquer calor gerado é dificultado pelo formato compacto desses dispositivos, o que só reforça a importância de componentes de alta eficiência e baixa perda.

Com base em suas décadas de experiência na produção de componentes semicondutores discretos, a Nexperia conseguiu reduzir o tamanho de seus MOSFETs para atender a essas demandas frequentemente conflitantes em sua série DFN (sigla para discrete flat no lead) (Figura 1).

Figura 1: aqui é mostrada a família de dispositivos MOSFET com invólucro DFN da Nexperia, destacando a redução no tamanho e na área ocupada, até o DFN0603. (Fonte da imagem: Nexperia)

O DFN0603 vem em um invólucro de 0,63 por 0,33 por 0,25 milímetros (mm). A mudança mais significativa em relação ao modelo anterior mostrado é a redução da altura para 0,25 mm, sem nenhuma diminuição na funcionalidade. Além disso, o dispositivo apresenta uma resistência dreno-fonte “ligado” (R_DS(on)) que é 74% menor do que a do invólucro anterior.

Essa nova série de invólucros de perfil ultrabaixo inclui cinco dispositivos MOSFET, tanto de canal N quanto de canal P, com tensão nominal dreno-fonte (V_DS) de 20 a 60 volts.

Além da menor dissipação de energia possibilitada por sua menor resistência, a linha de produtos DFN0603 apresenta excelente condução térmica, o que mantém baixa a temperatura do dispositivo montado.

MOSFETs de trincheira

Essa redução de tamanho, juntamente com a redução de R_DS(on), é possibilitada pelo projeto do MOSFET de trincheira do dispositivo (Figura 2).

Figura 2: uma vista em seção transversal mostra a estrutura de um MOSFET de trincheira com corrente fluindo verticalmente entre a fonte e o dreno quando o dispositivo está no estado ligado. A linha tracejada mostra as áreas do canal. (Fonte da imagem: Art Pini)

Como outros MOSFETs, uma célula MOSFET de trincheira tem um dreno, uma porta e uma fonte, mas o canal se forma verticalmente, paralelo à trincheira da porta, por meio do efeito de campo. Como resultado, a direção do fluxo de corrente é vertical, da fonte para o dreno. Em comparação com um dispositivo planar, que é espalhado horizontalmente e ocupa uma grande área de superfície, essa estrutura é muito compacta, permitindo um número muito grande de células adjacentes na matriz de silício. Todas as células são conectadas para trabalhar em paralelo a fim de reduzir o valor de R_DS(on) e aumentar a corrente de dreno.

A família de MOSFETs DFN0603 da Nexperia

A série DFN0603 da Nexperia inclui cinco dispositivos — quatro MOSFETs de canal N e um único MOSFET de canal P (Figura 3), com limites de V_DS de 20 a 60 volts. Todos usam o mesmo invólucro físico que tem um limite de dissipação de energia total de 300 miliwatts (mW).

Figura 3: aqui são mostradas as especificações de cinco MOSFETs DFN0603 de potência ultrabaixa destinados a aplicações móveis e portáteis. (Fonte da imagem: Nexperia)

Onde:

V_DS = A tensão máxima dreno-fonte, em volts.

V_GS = A tensão máxima porta-fonte, em volts.

I_D = A corrente máxima do dreno, em amperes.

V_GSth = As tensões limite mínima e máxima porta-fonte. Essa é a tensão necessária entre os terminais de porta e fonte para começar a ligar o MOSFET. Os valores mínimo e máximo levam em conta as variações do processo.

ESD = O nível de proteção ESD em quilovolts (kV), se o ESD estiver incluído.

R_DS(on) = A resistência dreno-fonte em miliohms (mΩ) na tensão porta-fonte listada.

O PMX100UNEZ e o PMX100UNZ são MOSFETs de canal N de 20 volts semelhantes. A principal diferença é que o PMX100UNEZ tem proteção contra ESD de até 2 kV, enquanto o PMX100UNZ não tem. O último tem uma tensão máxima porta-fonte mais alta. Eles atingem uma resistência dreno-fonte de 130 mΩ e 122 mΩ em uma tensão porta-fonte de 4,5 volts e correntes máximas de dreno de 1,4 amperes (A) e 1,3 A, respectivamente.

O PMX400UPZ é o dispositivo de canal P e é classificado com tensão máxima de dreno para fonte de 20 volts. Ele tem uma especificação de corrente máxima de dreno ligeiramente menor de 0,9 A e uma resistência dreno-fonte de 334 mΩ em uma tensão porta-fonte de 4,5 volts em comparação com os dispositivos de canal N.

O PMX300UNEZ de canal N tem tensão máxima nominal dreno-fonte de 30 volts. Como todos os MOSFETs DFN0603 têm uma potência máxima nominal de 300 mW, o aumento da tensão dreno-fonte significa que a corrente máxima de dreno é menor, 0,82 amperes nesse caso. A resistência dreno-fonte é de 190 mΩ em uma tensão porta-fonte de 4,5 volts.

O PMX700ENZ de canal N tem a tensão dreno-fonte mais alta, de 60 volts. A corrente máxima de dreno é de 0,3 A e sua resistência dreno-fonte é de 760 mΩ com uma tensão de acionamento porta-fonte de 4,5 volts.

Juntamente com sua dissipação de potência nominal máxima de 300 mW, todos os dispositivos DFN0603 têm uma faixa de temperatura operacional de -55 ˚C a +150 ˚C.

Potência do MOSFET e interrupção de carga

Os microvestíveis são mais comumente alimentados por bateria. A redução do uso de energia para garantir longos intervalos entre recargas requer a ativação e desativação dos elementos do circuito quando não estiverem em uso. Esses interruptores precisam ter baixa perda quando estão no estado ligado para garantir baixa dissipação de energia e ter baixa fuga no estado desligado. Os interruptores de carga podem ser implementados com MOSFETs como dispositivos de comutação. Eles são facilmente controlados pela aplicação de uma tensão apropriada ao circuito acionador de porta. Os interruptores de carga podem ser configurados usando MOSFETs de canal P ou de canal N (Figura 4).

Figura 4: os interruptores de carga do lado de alta, posicionados entre a fonte de alimentação e a carga, podem ser implementados com MOSFETs de canal P ou de canal N usando sinais acionadores de porta apropriados. (Fonte da imagem: Nexperia)

Se for usado um MOSFET de canal P, diminuindo o sinal na porta ligará o interruptor e permitirá o fluxo de corrente para a carga. O circuito para canal N requer a aplicação de uma tensão maior do que a tensão de entrada para ligar totalmente o MOSFET. Se um sinal de alta tensão não estiver disponível, uma bomba de carga pode ser implementada para acionar a porta do canal N. Isso aumenta a complexidade do circuito, mas como os MOSFETs de canal N têm R_DS(on) mais baixo para um determinado tamanho do que um dispositivo de canal P, esse tradeoff talvez valha a pena. Outra alternativa seria usar o MOSFET de canal N como um interruptor do lado de baixa entre a carga e o terra, reduzindo a tensão de porta necessária.

Independentemente de como o interruptor de carga é implementado, a queda de tensão no MOSFET é igual ao produto da corrente de dreno vezes o R_DS(on). A perda de potência é o produto da corrente de dreno ao quadrado vezes o R_DS(on). Assim, um PMX100UNE operando com uma corrente de dreno máxima de 0,7 A teria uma perda de energia de apenas 58 mW devido à sua resistência de canal de 120 mΩ. É por isso que alcançar o menor valor possível de R_DS(on) é tão importante no projeto de dispositivos portáteis e vestíveis. Menor perda de energia significa menor aumento de temperatura e maior vida útil da bateria.

Os interruptores de carga MOSFET também podem ser usados para bloquear as correntes reversas que podem ocorrer durante uma condição de falha, como um curto-circuito na entrada de carregamento. Isso é feito colocando-se dois MOSFETs em série com polaridade reversa (Figura 5).

Figura 5: aqui é mostrado um interruptor de carga protegido contra corrente reversa usando uma configuração de circuito comum-dreno e MOSFETs de canal P. (Fonte da imagem: Nexperia)

A proteção contra corrente reversa em um interruptor de carga também pode ser implementada usando um arranjo comum-fonte. Esse arranjo requer acesso ao ponto comum-fonte para efetuar uma descarga da porta após a ativação.

Aplicações em produtos

Bons exemplos de dispositivos vestíveis emergentes são os óculos de AR e VR. Esses dispositivos precisam de componentes altamente eficientes com baixa dissipação de energia e tamanho físico pequeno. Eles usam vários dispositivos MOSFET como interruptores e na conversão de energia (Figura 6).

Figura 6: os MOSFETs desempenham funções essenciais no projeto de óculos de AR/VR como interruptores de carga, conversores boost e interruptores de bateria (marcados nos quadrados laranja). (Fonte da imagem: Nexperia)

Esse tipo de dispositivo vestível precisa equilibrar intervalos de recarga extremamente longos com a funcionalidade "sempre ativa" esperada pelos usuários. As chaves MOSFET são usadas para desligar seções do dispositivo quando não estão sendo usadas. Observe os interruptores: eles são implementados com MOSFETs que conectam e desconectam o front-end de RF e o alto-falante. No lado do controle de energia, os MOSFETs são usados como um interruptor de bateria e para conectar a uma fonte de energia externa para carregamento com fio. Eles também são usados em um conversor de energia boost chaveado para a tela.

Conclusão

Para os projetistas de microvestíveis e outros dispositivos com restrições de espaço e energia, os MOSFETs Nexperia com invólucro DFN0603 oferecem os tamanhos de invólucros em miniatura e o melhor R_DS(on) da categoria, necessários para implementar projetos de última geração. São componentes ideais para uso como interruptores de carga, interruptores de bateria e em conversores de energia chaveados.