공간이 제약된 설계에서 효율적인 전력 제어를 실현하는 방법

이어버드, 스마트 워치, 증강 현실(AR)/가상 현실(VR) 안경, 보청기와 같은 웨어러블 장치는 점점 더 작아지고 개별화되고 있습니다. 이와 동시에 이러한 응용 분야에서는 인공 지능(AI) 기능을 비롯한 향상된 기능을 요구합니다. 설계자의 경우 이러한 추세에 따라 열 관리 문제가 야기됩니다. 긍정적인 사용자 경험을 위해 배터리 수명도 연장해야 하며 이에 따라 고효율 설계가 필요합니다. 이러한 상충하는 설계 요구 사항의 균형을 맞추는 것은 설계자가 충전 간격을 최대화하면서 기판 공간을 최소화하기 위해 부품 선택을 재고하는 것을 어렵게 합니다.

설계자를 돕기 위해 '온스테이트' 저항이 매우 낮은 소형 MOSFET이 등장했습니다. 또한 이러한 장치는 우수한 열 전도율을 제공하여 열 방출을 제어하는 데 도움이 됩니다. 심지어 일부 장치에는 정전기 방전(ESD) 보호 기능이 내장되어 있습니다.

이 기사에서는 소형 스마트 배터리 구동 장치 설계자가 직면하고 있는 과제를 간략하게 설명합니다. 그런 다음 Nexperia의 소형 패키지 MOSFET을 사용하여 마이크로 웨어러블 설계의 장치 특성과 적용 가능성을 강조함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있는 방법을 알아봅니다.

마이크로 웨어러블 장치 설계 관련 문제

다른 소형 웨어러블 장치와 함께 디지털 워치, 이어버드 및 스마트 주얼리는 설계자에게 특히 크기, 전력 소비, 열 관리와 관련한 다양한 문제를 야기합니다. 최종 사용자의 주목을 끌기 위해 AI와 같은 더 높은 수준의 기능이 제공되고 있으므로 이러한 도전 과제의 부담은 점점 커지고 있습니다. 마이크로 컨트롤러, 배터리, Bluetooth 트랜시버, 스피커, 디스플레이 전자 부품을 위한 공간을 마련하는 것과 함께 설계자는 이제 신경 처리 기능을 추가해야 합니다.

기능이 증가함에 따라 배터리 수명을 연장하기 위한 고급 전력 소비 최소화 방식이 필요해졌습니다. 전력 소비를 제어하기 위해서는 사용하고 있지 않은 회로 소자를 꺼두되 필요할 때 신속하게 켤 수 있도록 준비가 되어 있어야 합니다. 전원을 켜고 끄는 것이 효과적이지만 전력 손실과 발생하는 열을 줄이기 위해 스위칭 장치 내 온스테이트 저항이 낮아야 합니다. 이러한 장치의 콤팩트한 폼 팩터는 고효율 저손실 부품의 중요성만 강조하므로 발생하는 열을 효과적으로 관리하기 어렵게 만듭니다.

Nexperia는 수십 년에 걸친 이산 소자 반도체 부품 생산 경험을 바탕으로 MOSFET의 크기를 축소하여 DFN(Discrete Flat No lead) 계열에서 자주 충돌하는 요구를 충족할 수 있었습니다(그림 1).

그림 1: 여기에서는 DFN0603까지 Nexperia의 DFN 패키지 MOSFET 장치 제품군을 통해 크기 및 실장 면적의 감소를 보여줍니다. (이미지 출처: Nexperia)

DFN0603은 0.63mm x 0.33mm x 0.25mm 패키지로 제공됩니다. 표시된 이전 모델과 비교하여 가장 중요한 변화는 기능 저하 없이 높이를 0.25mm로 축소했다는 것입니다. 또한 이 장치는 이전 패키지보다 74% 더 작은 드레인-소스 온스테이트 저항(R_DS(on))을 제공합니다.

이 새로운 초저높이 패키지 계열에는 20V ~ 60V 드레인-소스 정격 전압(V_DS)의 5개 MOSFET 장치(N 채널 및 P 채널 모두)가 포함되어 있습니다.

낮은 온스테이트 저항에 의해 지원되는 낮은 내전력 이외에 DFN0603 제품 라인은 우수한 열 전도율을 나타내 실장된 장치의 온도를 낮게 유지합니다.

트렌치 MOSFET

이 크기 축소와 R_DS(on) 감소는 장치의 트렌치 MOSFET 설계에 의해 이루어졌습니다(그림 2).

그림 2: 단면 뷰에서는 장치를 켠 상태에서 소스와 드레인 사이에서 전류가 세로로 흐르는 트렌치 MOSFET의 구조를 보여줍니다. 점선은 채널 영역을 나타냅니다. (이미지 출처: Art Pini)

다른 MOSFET과 마찬가지로 트렌치 MOSFET 셀에는 드레인, 게이트, 소스가 있지만 채널은 필드 효과에 의해 게이트 트렌치와 평행하게 세로로 형성됩니다. 따라서 소스에서 드레인까지 전류 흐름 방향이 세로입니다. 가로로 펼쳐지고 많은 표면적을 차지하는 평면 장치에 비해 이 구조는 매우 콤팩트하여 실리콘 다이에 많은 인전합 셀을 실장할 수 있습니다. R_DS(on) 값을 줄이고 드레인 전류를 높이기 위해 모든 셀은 병렬로 연결됩니다.

Nexperia DFN0603 MOSFET 제품군

Nexperia DFN0603 계열에는 V_DS 제한이 20V ~ 60V인 5개 장치(N 채널 MOSFET 4개, P 채널 MOSFET 1개)가 포함되어 있습니다(그림 3). 모든 장치는 총 내전력 제한이 300mW인 동일한 물리적 패키지를 사용합니다.

그림 3: 모바일 및 휴대용 응용 분야를 위한 5개 DFN0603 초저전력 MOSFETS의 사양. (이미지 출처: Nexperia)

여기서,

V_DS = 최대 드레인-소스 전압(V)

V_GS = 최대 게이트-소스 전압(V)

I_D = 최대 드레인 전류(A)

V_GSth = 최소 및 최대 게이트-소스 임계 전압. 이 전압은 게이트 및 소스 단자에서 MOSFET 켜기를 시작하는 데 필요한 전압입니다. 최소값과 최대값은 공정 변화를 설명합니다.

ESD = ESD 보호 수준(kV, ESD가 포함되는 경우)

R_DS(on) = 나열된 게이트-소스 전압에서 드레인-소스 저항(mΩ).

PMX100UNEZ 및 PMX100UNZ는 유사한 20V N 채널 MOSFET입니다. 주요 차이점은 PMX100UNEZ는 최대 2kV까지 ESD 보호되고, PMX100UNZ는 보호되지 않는다는 점입니다. PMX100UNZ의 최대 게이트-소스 전압이 더 높습니다. 두 장치는 4.5V 게이트-소스 전압에서 130mΩ 및 122mΩ 드레인-소스 저항을 실현하며, 최대 드레인 전류는 각각 1.4A 및 1.3A입니다.

PMX400UPZ는 P 채널 장치이며 최대 드레인-소스 정격 전압이 20V입니다. N 채널 장치에 비해 4.5V 게이트-소스 전압에서 드레인 전류는 0.9A이고 드레인-소스 저항은 334mΩ로 약간 낮은 사양을 나타냅니다.

N 채널 PMX300UNEZ의 최대 드레인-소스 정격 전압은 30V입니다. 모든 DFN0603 MOSFET은 최대 전력 정격이 300mW이므로 드레인-소스 전압을 높이면 최대 드레인 전류가 낮아집니다(이 경우 0.82A). 드레인 소스 저항은 4.5V 게이트-소스 전압에서 190mΩ입니다.

N 채널 PMX700ENZ의 최대 드레인-소스 전압은 60V입니다. 최대 드레인 전류는 0.3A이고, 4.5V 게이트-소스 구동 전압에서 드레인-소스 저항은 760mΩ입니다.

300mW 최대 정격 내전력과 함께 모든 DFN0603 장치의 작동 온도 범위는 -55˚C ~ +150˚C입니다.

MOSFET 전력 및 부하 스위칭

마이크로 웨어러블은 일반적으로 배터리로 구동됩니다. 긴 충전 간격을 보장하기 위해 전력 사용량을 줄이려면 사용하지 않을 때 회로 소자를 꺼야 합니다. 이러한 스위치는 낮은 내전력을 보장하기 위해 켜진 상태에서 손실이 적고 꺼진 상태에서 누출이 작아야 합니다. MOSFET을 스위칭 장치로 사용하여 부하 스위치를 구현할 수 있습니다. 게이트 구동 회로에 적절한 전압을 적용하여 부하 스위치를 쉽게 제어할 수 있습니다. P 채널 또는 N 채널 MOSFET을 사용하여 부하 스위치를 구성할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: 전원과 부하 사이에 배치되는 하이사이드 부하 스위치는 P 채널 또는 N 채널 MOSFET에서 적절한 게이트 구동 신호를 사용하여 구현할 수 있습니다. (이미지 출처: Nexperia)

P 채널 MOSFET을 사용할 경우 게이트를 Low로 당기면 스위치가 켜지고 전류가 부하로 흐를 수 있습니다. N 채널 회로에서 MOSFET을 완전히 켜려면 입력 전압보다 높은 전압을 적용해야 합니다. 고전압 신호를 사용할 수 없는 경우 충전 펌프를 구현하여 N 채널 게이트를 구동할 수 있습니다. 그러면 회로의 복잡도가 증가하지만 N 채널 MOSFET은 주어진 크기에서 P 채널 장치보다 R_DS(on)가 더 낮으므로 충분한 가치가 있습니다. 다른 대안은 부하와 지면 사이에서 N 채널 MOSFET을 로우사이드 스위치로 사용하여 필요한 게이트 전압을 줄이는 것입니다.

부하 스위치를 구현하는 방법에 상관없이 MOSFET 전체 전압 강하는 드레인 전류와 R_DS(on)를 곱한 값과 같습니다. 전력 손실은 드레인 전류 제곱과 R_DS(on)의 곱입니다. 따라서 0.7A 최대 드레인 전류에서 작동하는 PMX100UNE는 120mΩ 채널 저항으로 인해 전력 손실이 58mW에 불과합니다. 휴대용 장치 및 웨어러블 장치 설계에서 R_DS(on)의 최소값을 실현하는 것이 그렇게 중요한 이유가 여기에 있습니다. 낮은 전력 손실은 낮은 온도 상승과 긴 배터리 수명을 의미합니다.

MOSFET 부하 스위치를 사용하여 충전 입력 단선과 같은 결함 조건에서 발생할 수 있는 역전류를 차단할 수도 있습니다. 이렇게 하려면 두 MOSFET을 역극성과 직렬로 배치합니다(그림 5).

그림 5: 일반 드레인 회로 구성과 P 채널 MOSFET을 사용하는 역전류 보호 부하 스위치를 보여줍니다. (이미지 출처: Nexperia)

부하 스위치에서 일반 소스 배열을 사용하여 역전류 보호를 구현할 수도 있습니다. 이 배열을 사용하려면 전원을 켠 후 게이트 방전을 위해 일반 소스 지점에 접근해야 합니다.

제품 내 응용 분야

전도 유망한 웨어러블 장치의 좋은 예로 AR 및 VR 안경이 있습니다. 이러한 장치는 내전력이 낮고 물리적 크기가 작은 고효율 부품이 필요합니다. 또한 전환 변환에서 많은 MOSFET 장치를 스위치로 사용합니다(그림 6).

그림 6: MOSFET은 AR/VR 안경 설계에서 부하 스위치, 부스트 컨버터, 배터리 스위치(주황색 정사각형 안에 표시됨)로 중요한 역할을 합니다. (이미지 출처: Nexperia)

이러한 유형의 웨어러블 장치에서는 매우 긴 충전 간격과 사용자가 기대하는 ‘상시 작동’ 기능을 조율해야 합니다. MOSFET 스위치는 장치를 사용하지 않을 때 장치 섹션의 전력을 차단하는 데 사용됩니다. 이 스위치는 RF 프런트 엔드와 스피커를 연결 및 분리하는 MOSFET과 함께 사용됩니다. 전력 제어의 측면에서 MOSFET은 배터리 스위치로 사용되며 유선 충전을 위해 외부 전원에 연결하는 데 사용됩니다. 또한 디스플레이를 위한 스위치 모드 부스트 전력 컨버터에 사용됩니다.

결론

마이크로 웨어러블 장치와 기타 공간 및 전력 제약이 있는 장치 설계자를 위해 Nexperia DFN0603 패키지 MOSFET은 차세대 설계를 구현하는 데 필요한 동급 최강의 소형 패키지 크기 R_DS(on)를 제공합니다. 이 장치는 부하 스위치, 배터리 스위치, 스위치 모드 전력 컨버터로 사용하는 데 이상적인 부품입니다.