Wydajne sterowanie zasilaniem w projektach z ograniczoną przestrzenią

© Wikipedia

Urządzenia ubieralne, takie jak wkładki douszne, smartwatche, okulary do rzeczywistości rozszerzonej i wirtualnej (AR/VR) oraz aparaty słuchowe są coraz mniejsze i bardziej dyskretne. Jednocześnie tego typu rozwiązania wymagają wdrażania coraz bardziej zaawansowanych funkcji, w tym sztucznej inteligencji (AI). Trendy te generują dla projektantów problemy z odprowadzaniem ciepła. Oprócz tego, aby zapewnić wyższy komfort obsługi urządzeń potrzebny jest dłuższy czas pracy baterii, w związku z czym koniecznością są projekty o wysokiej sprawności. Pogodzenie ze sobą tych różnych, często sprzecznych ze sobą wymagań projektowych wymaga od projektantów ponownego przemyślenia doboru komponentów w celu zminimalizowania przestrzeni zajmowanej na płytce przy jednoczesnym wydłużeniu czasu między ładowaniami.

Aby pomóc w tym projektantom, opracowano miniaturowe tranzystory MOSFET o bardzo niskiej rezystancji w stanie włączania. Urządzenia te zapewniają także doskonałą przewodność cieplną, ułatwiając kontrolę nad rozpraszaniem ciepła. Niektóre urządzenia posiadają nawet wbudowane zabezpieczenie przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD).

Niniejszy artykuł pokrótce omawia wyzwania, na które napotykają projektanci małych, inteligentnych urządzeń zasilanych bateryjnie. Dodatkowo pokazuje, w jaki sposób można sprostać tym wyzwaniom za pomocą miniaturowych, zamkniętych w obudowach tranzystorów MOSFET firmy Nexperia, i podkreśla charakterystykę tych urządzeń oraz ich wykorzystanie w projektowaniu mikrourządzeń ubieralnych.

Wyzwania w projektowaniu mikrourządzeń ubieralnych

Cyfrowe zegarki, wkładki douszne, inteligentna biżuteria i inne miniaturowe urządzenia ubieralne rzucają projektantom szereg wyzwań, w szczególności w odniesieniu do rozmiarów, poboru mocy i odprowadzania ciepła. Wyzwania stale rosną, ponieważ z myślą o przykuciu uwagi użytkowników końcowych oferowane są coraz bardziej zaawansowane funkcje, takie jak sztuczna inteligencja. Oprócz znalezienia miejsca na mikrokontrolery, baterie, nadajniki Bluetooth, głośniki i elektronikę wyświetlaczy, projektanci muszą teraz dodać funkcje przetwarzania neuronowego.

Wraz z postępem pojawia się potrzeba wdrożenia zaawansowanych metod minimalizacji poboru mocy w celu wydłużenia czasu pracy baterii. Kontrola poboru mocy obejmuje wyłączanie elementów obwodu, które nie są używane, choć obwody te muszą być gotowe do szybkiego włączenia w razie potrzeby. Włączanie i wyłączanie zasilania jest skuteczne, ale wymaga niskiej rezystancji w stanie włączenia w urządzeniach przełączających, aby zmniejszyć straty mocy i generowane ciepło. Efektywne zarządzanie generowanym ciepłem jest skomplikowane ze względu na kompaktową obudowę tych urządzeń, co tylko podkreśla znaczenie wysokosprawnych i niskostratnych komponentów.

Korzystając z wieloletniego doświadczenia w produkcji dyskretnych komponentów półprzewodnikowych, firma Nexperia była w stanie zmniejszyć rozmiary swoich tranzystorów MOSFET, aby spełnić te często sprzeczne wymagania. Zaprezentowała to w serii DFN (dyskretne, płaskie, bez wyprowadzeń) (ilustracja 1).

Ilustracja 1: Przedstawiono grupę tranzystorów MOSFET w obudowach DFN firmy Nexperia, która charakteryzuje się zmniejszonymi rozmiarem i zajmowaną powierzchnią - a najmniejszym spośród nich jest model DFN0603. (Źródło ilustracji: Nexperia)

Tranzystor MOSFET DFN0603 posiada obudowę o wymiarach 0,63 na 0,33 na 0,25mm. Najbardziej znaczącą zmianą w stosunku do wcześniejszego modelu jest zmniejszenie wysokości do 0,25mm - bez ograniczania funkcjonalności. Oprócz tego urządzenie to ma o 74% niższą rezystancję dren-źródło w stanie włączenia (RDS(on)) w stosunku do wcześniejszej obudowy.

Ta nowa seria w obudowach niskoprofilowych obejmuje pięć tranzystorów MOSFET, zarówno z kanałem N, jak i P, o napięciu dren-źródło (VDS) od 20 do 60V.

Oprócz niższej mocy rozpraszanej wynikającej z niższej rezystancji w stanie włączenia, linia produktów DFN0603 wykazuje doskonałe przewodnictwo cieplne, które pozwala utrzymać niską temperaturę zamontowanego urządzenia.