如何在空間受限的設計中達到高效率電源控制

入耳式耳機、智慧型手錶、擴增實境 (AR)／虛擬實境 (VR) 眼鏡和助聽器等穿戴式裝置越來越小，也越獨立。在此同時，這些應用需要更強大的功能，包括人工智慧 (AI) 能力。這些趨勢為設計人員帶來熱管理問題。此外，更長的電池續航力能提供良好的使用者體驗，因此需要更高效率的設計。對設計人員而言，如何平衡經常相互衝突的設計要求是一大挑戰，需要重新選擇組件，將電路板空間縮到最小，同時將充電間隔時間拉最長。

為了協助設計人員，推出具有極低「導通」電阻的小型 MOSFET。這些元件還提供出色的導熱性，有助於控制散熱。有些元件甚至嵌入靜電放電 (ESD) 保護。

本文簡要討論小型智慧電池供電裝置的設計人員面臨的挑戰。然後展示如何使用 Nexperia 的小型封裝 MOSFET 解決這些挑戰，並且加強說明這些元件的特性，以及在小型穿戴式設計的適用性。

小型穿戴式裝置設計的挑戰

數位手錶、入耳式耳機、智慧珠寶等小型穿戴式裝置為設計人員帶來多項挑戰，尤其是在尺寸、功耗和熱管理方面。隨著裝置提供更高級的功能 (例如人工智慧) 以吸引最終使用者，挑戰只會越來越多。除了為微控制器、電池、藍牙收發器、揚聲器和顯示器電子裝置尋找空間之外，現在還必須添加神經處理能力。

功能越多，就越需要先進的方法降低功耗以延長電池續航力。功耗控制包括關閉不使用的電路元件，但必須隨時就緒，在需要時能快速開啟。開啟和關閉電源能提供效率，還需要開關元件具備低導通電阻，以減少功率損耗和產生熱量。這些裝置外型緊湊，因此對產生熱量的有效管理較複雜，故使用高效率、低損耗組件十分重要。

Nexperia 在離散半導體元件生產領域有數十年的經驗，能縮小其 MOSFET 的尺寸，以因應其離散扁平無引線 (DFN) 系列中常互相衝突的需求 (圖 1)。

圖 1：Nexperia 系列的 DFN 封裝 MOSFET 元件，強調尺寸和覆蓋區的縮減，小至 DFN0603。(圖片來源：Nexperia)

DFN0603 的封裝尺寸為 0.63 x 0.33 x 0.25 mm。與所示早期型號相比，最顯著的改變是高度降低至 0.25 mm，但功能不減。此外，該元件還具有比早期封裝低 74% 的汲極-源極導通電阻 (R_DS(on))。

此全新超薄型封裝系列包括五個 MOSFET 元件，含 N 通道和 P 通道，額定汲極-源極電壓 (V_DS) 為 20 至 60 V。

DFN0603 產品系列除了具有較低的導通電阻以降低功耗之外，還具有優異的導熱性，可使保持已安裝裝置的溫度較低。

溝槽式 MOSFET

元件的溝槽式 MOSFET 設計讓尺寸縮小以及 R_DS(on) 減少 (圖 2)。

圖 2：截面圖顯示溝槽式 MOSFET 的結構；元件處於導通狀態時，電流在源極和汲極之間垂直流動。虛線顯示通道區域。(圖片來源：Art Pini)

溝槽式 MOSFET 與其他 MOSFET 一樣，具有汲極、閘極、源極，但通道透過場效應垂直形成，平行於閘極溝槽。導致電流方向從源極到汲極為垂直。與水平展開並佔用大量表面積的平面元件相比，這種結構非常緊湊，允許矽晶片中有非常多的相鄰單元。所有電池並聯工作，以降低 R_DS(on) 的值並增加汲極電流。

Nexperia 的 DFN0603 MOSFET 系列

Nexperia 的 DFN0603 系列包括五個元件：四個 N 通道 MOSFET 和一個 P 通道 MOSFET (圖 3)，V_DS 限制為 20 至 60 V。所有這些都使用相同的實體封裝，總功耗限制為 300 mW。

圖 3：五個 DFN0603 超低功率 MOSFET 的規格，適用於行動和可攜式應用。(圖片來源：Nexperia)

此處：

V_DS = 最大汲極-源極電壓，以 V 為單位。

V_GS = 最大閘極-源極電壓，以 V 為單位。

I_D = 以 A 為單位的最大汲極電流。

V_GSth = 最小和最大閘極-源極閾值電壓。這是閘極和源極端子開始開啟 MOSFET 所需的電壓。最小值和最大值說明過程變化。

ESD = 如果包含 ESD，則以 kV 為單位的 ESD 保護級別。

R_DS(on) = 所列閘極-源極電壓下的汲極-源極電阻，單位為 mΩ。

PMX100UNEZ 和 PMX100UNZ 是類似的 20 V N 通道 MOSFET。主要區別在於 PMX100UNEZ 具有高達 2 kV 的 ESD 保護，而 PMX100UNZ 則沒有。後者具有更高的最大閘極-源極電壓。在 4.5 V 的閘極-源極電壓下達到 130 mΩ 和 122 mΩ 的汲極-源極電阻，最大漏電流分別為 1.4 A 和 1.3 A。

PMX400UPZ 是 P 通道元件，額定最大汲極-源極電壓為 20 V。與 N 通道元件相比，在 4.5 V 的閘極-源極電壓下，其最大汲極電流規格略低，為 0.9 A，汲極-源極電阻為 334 mΩ。

N 通道 PMX300UNEZ 的額定最大汲極-源極電壓為 30 V。由於所有 DFN0603 MOSFET 的最大額定功率均為 300 mW，因此增加汲極-源極電壓代表最大汲極電流更低，在本例中為 0.82 A。在 4.5 V 的閘極-源極電壓下，汲極-源極電阻為 190 mΩ。

N 通道 PMX700ENZ 具有 60 V 的最高汲極-源極電壓。最大汲極電流為 0.3 A，其汲極-源極電阻為 760 mΩ，閘極-源極驅動電壓為 4.5 V。

所有 DFN0603 元件最大額定功耗為 300 mW，工作溫度範圍為 -55˚C 至 +150˚C。

MOSFET 功率和負載切換

小型穿戴式裝置通常由電池供電。減少用電量可確保充電間隔較長，必須在不使用時切換電路元件開啟和關閉。這些開關在導通狀態下需要低損耗，以確保低功耗並在關斷狀態下具有低漏電流。負載開關可以用 MOSFET 作為切換元件。向閘極驅動電路施加適當的電壓，即可輕鬆進行控制。可以使用 P 通道或 N 通道 MOSFET 配置負載開關 (圖 4)。

圖 4：位於電源和負載之間的高側負載開關可以使用適當的閘極驅動訊號，透過 P 通道或 N 通道 MOSFET 達成。(圖片來源：Nexperia)

如果使用 P 通道 MOSFET，將閘極位準拉低將打開開關並使電流流入負載。N 通道電路需要一個高於輸入電壓的電壓才能使 MOSFET 完全導通。如果沒有高壓訊號，可以使用充電幫浦驅動 N 通道閘。這會增加電路的複雜性，但由於 N 通道 MOSFET 在給定尺寸下，具有比 P 通道元件更低的 R_DS(on)，因此可能值得權衡。另一種選擇是使用 N 通道 MOSFET 作為負載和接地之間的低側開關，降低所需的閘極電壓。

無論如何實作負載開關，MOSFET 兩端的電壓降都等於汲極電流與 R_DS(on) 的乘積。功率損耗是汲極電流平方與 R_DS(on) 的乘積。因此，由於 PMX100UNE 的通道電阻為 120 mΩ ，以 0.7 A 的最大汲極電流運作下，功率損耗僅為 58 mW。這就是為何在可攜式和穿戴式裝置的設計中，強調將 R_DS(on) 降至最低的原因。更低的功率損耗表示更低的溫升和更長的電池續航力。

MOSFET 負載開關還可用於阻斷故障 (如充電輸入的短路) 時的逆電流。使用兩個反轉極性串聯的 MOSFET (圖 5)。

圖 5：使用共汲極電路配置和 P 通道 MOSFET 的逆電流保護負載開關。(圖片來源：Nexperia)

也可以使用共源極配置達到負載開關的逆電流保護。這種配置需要進入共源極點，才能在導通後有效進行閘極放電。

產品內應用

擴增實境和虛擬實境眼鏡是新興穿戴式裝置的良好實例。這些裝置需要高效率的組件，以提供低功耗和小尺寸。使用許多 MOSFET 元件作為開關和電源轉換 (圖 6)。

圖 6：MOSFET 在擴增實境／虛擬實境眼鏡的設計中作為負載開關、升壓轉換器和電池開關 (以橘色方塊標記) 扮演關鍵角色。(圖片來源：Nexperia)

此類型穿戴式裝置必須在極長的充電間隔與使用者期望的「常開」功能之間取得平衡。MOSFET 開關在裝置不使用時關閉各個部分。請注意：這些開關透過 MOSFET 連接和斷開 RF 前端和揚聲器。在電源控制端，MOSFET 作為電池開關並連接到外部電源，進行有線充電。還可用於顯示器的切換式升壓電源轉換器。

結論

針對小型穿戴式裝置等裝置的空間和功率受限的設計人員而言，Nexperia 的 DFN0603 封裝 MOSFET 提供新一代設計所需的同級最佳 R_DS(on) 小型封裝尺寸。此元件非常適合作為負載開關、電池開關和切換式電源轉換器。