スペースに制約のある設計で効率的な電力制御を実現する方法

イヤホン、スマートウォッチ、AR（拡張現実）/VR（仮想現実）メガネ、補聴器などのウェアラブルデバイスは、より小さく、より個別化しています。同時に、これらのアプリケーションは、人工知能（AI）機能を含む、より高い機能性を要求しています。こうした傾向は、設計者にとって熱管理上の問題を引き起こします。また、ユーザーエクスペリエンスを高めるためには、より長い電池寿命が必要であり、高効率な設計が必要です。このような相反する設計要件のバランスを取るために、設計者は基板面積を最小化しながら電池を長持ちさせるために、部品の選択を見直す必要があります。

そのため、オン抵抗が非常に小さい小型のMOSFETが登場しました。このデバイスは熱伝導性にも優れ、放熱もコントロールしやすいデバイスです。デバイスによっては、静電気放電（ESD）保護機能までも内蔵しているものがあります。

この記事では、小型でスマートな電池駆動デバイスの設計者が直面する課題について簡単に説明します。それから、これらの課題を Nexperiaの小型パッケージMOSFETを使用して解決する方法を紹介し、デバイスの特性とマイクロウェアラブル設計への適用について焦点を当てて説明します。

マイクロウエアラブルデバイスの設計の課題

デジタルウォッチ、イヤホン、スマートジュエリなどの小型ウェアラブルデバイスは、特にサイズ、消費電力、熱管理に関して、設計者にいくつかの課題を突きつけています。エンドユーザーの関心を引くために、AIなどのより高度な機能が提供されるようになり、課題は増え続ける一方です。マイクロコントローラ、電池、Bluetoothトランシーバ、スピーカ、ディスプレイなどの搭載スペースに加え、ニューラルプロセッシング機能を追加する必要があります。

高機能化に伴い、電池寿命を延長させるために、消費電力を最小限に抑える高度なアプローチが必要になっています。消費電力のコントロールには、使っていない回路素子をオフにすることも含まれますが、その回路は必要なときにすぐにオンにできる状態にしておく必要があります。電源のON/OFFは有効ですが、電力損失や発熱を抑えるためにスイッチング素子内の低オン抵抗化が必要です。これらのデバイスの小型フォームファクタは、あらゆる熱発生の効率的な管理を複雑にしており、そのため、高効率で低損失な部品の重要性を浮き彫りにしています。

Nexperiaは、数十年にわたるディスクリート半導体部品の製造経験を生かし、DFN（Discrete Flat No Lead）シリーズ（図1）のMOSFETを小型化し、このしばしば相反する要求に応えることができました。

図1：DFNパッケージのMOSFETデバイスNexperiaファミリを示し、DFN0603までのサイズとフットプリントの小型化にスポットを当てています。（画像提供：Nexperia）

DFN0603は、0.63×0.33×0.25ミリメータ（mm）のパッケージで提供されます。従来モデルからの最大の変更点は、機能性を損なうことなく、高さを0.25mmに抑えたことです。また、ドレイン-ソース間オン抵抗（R_DS(on)）を従来パッケージと比較して74%低減しています。

この新しい超薄型パッケージシリーズには、ドレイン-ソース間電圧（V_DS）が20～60ボルトの定格を持つNチャンネルとPチャンネルの両方のMOSFETデバイスが5個含まれています。

DFN0603は、低オン抵抗による低消費電力化に加え、熱伝導に優れているため、搭載デバイスの温度を低く抑えることができます。

トレンチ型MOSFET

この小型化とR_DS(on)の低減の両立は、トレンチMOSFETの設計によって実現されています（図2）。

図2：トレンチMOSFETの構造を示す断面図であり、デバイスがオン状態のとき、ソースとドレインの間に電流が垂直に流れる状態を示しています。破線はチャンネル領域を示しています。（画像提供：Art Pini）

トレンチMOSFETセルは、他のMOSFETと同様にドレイン、ゲート、ソースを持ちますが、チャンネルは電界効果によりゲートトレンチに対して平行、垂直に形成されます。その結果、電流の流れる方向は、ソースからドレインへ向かう垂直方向となります。この構造は、横方向に広がっていて表面積が大きい平面型デバイスに比べ、非常にコンパクトで、シリコンダイの中に非常に多くの隣接セルを作ることができます。R_DS(on) の値を小さくしてドレイン電流を増やすために、すべてのセルを並列に動作するように接続します。

Nexperia DFN0603 MOSFETファミリ

Nexperia DFN0603シリーズには、4つのNチャンネルMOSFETと1つのPチャンネルMOSFETの5つのデバイスが含まれており（図3）、V_DS 限界は20～60ボルトです。いずれも同じ物理パッケージを使用しており、総電力損失は300ミリワット（mW）が限界です。

図3：モバイルおよび携帯機器向け超低消費電力MOSFET DFN0603の5製品の仕様です。（画像提供：Nexperia）

式の要素の意味は、次のとおりです。

V_DS = 最大ドレイン-ソース間電圧（単位：ボルト）。

V_GS = 最大ゲート-ソース間電圧（単位：ボルト）。

I_D = 最大ドレイン電流（単位：アンペア）。

V_GSth = 最小および最大ゲート-ソース間スレッショルド電圧。これは、MOSFETがオンし始めるためにゲート-ソース間端子に必要な電圧です。最小値と最大値は、プロセスのばらつきを考慮した値です。

ESD = ESDが含まれる場合は、ESD保護レベルをキロボルト（kV）で表します。

R_DS(on) = 記載されたゲート-ソース間電圧におけるドレイン-ソース間抵抗（単位：ミリオーム(mΩ)）

PMX100UNEZ および PMX100UNZ は、同じ20VのNチャネルMOSFETです。大きな違いは、PMX100UNEZは2kVまでのESD保護が施されているのに対し、PMX100UNZは施されていないことです。後者の方が最大ゲート-ソース間電圧が高くなります。ゲート-ソース間電圧4.5Vでドレイン-ソース間抵抗130mΩ、122mΩ、最大ドレイン電流1.4アンペア（A）、1.3Aを実現したものです。

PMX400UPZ は、Pチャンネルデバイスで、ドレイン-ソース間電圧は最大20Vです。Nチャネルデバイスに比べ、最大ドレイン電流仕様が0.9A、ゲート-ソース間電圧4.5V時のドレイン-ソース間抵抗が334mΩと若干性能が下回っています。

Nチャンネルの PMX300UNEZ は、最大30Vのドレイン-ソース間電圧に対応しています。すべてのDFN0603 MOSFETの最大電力定格は300mWなので、ドレイン-ソース間電圧を上げることは、最大ドレイン電流を下げることを意味し、この場合0.82アンペアです。ゲート-ソース間電圧が4.5ボルトのときのドレイン-ソース間抵抗は190mΩです。

Nチャンネルの PMX700ENZ は、ドレイン・ソース間電圧が60Vと最も高くなっています。最大ドレイン電流は0.3Aで、ゲート-ソース間駆動電圧4.5Vでドレイン-ソース間抵抗は760mΩです。

DFN0603は、最大定格消費電力が300mWで、動作温度範囲が-55˚C～+150˚Cとなっています。

MOSFETの電力およびロードスイッチング

マイクロウェアラブルは、電池で駆動するものが主流です。充電間隔を長くするために電力消費を抑えるには、使用しないときに回路素子のオンとオフを切り替える必要があります。これらのスイッチは、低消費電力を確保するためにオン状態では低損失であり、オフ状態では低リークであることが必要です。ロードスイッチは、MOSFETをスイッチングデバイスとして実装することができます。ゲートドライブ回路に適切な電圧を印加することで、簡単に制御することができます。ロードスイッチは、PチャンネルまたはNチャンネルのMOSFETを使用して構成することができます（図4）。

図4：電源と負荷の間に置かれるハイサイドロードスイッチには、適切なゲートドライブ信号を用いて、PチャンネルまたはNチャンネルのいずれかのMOSFETを実装することができます。（画像提供：Nexperia）

PチャンネルMOSFETを使用した場合、ゲートをローにすることでスイッチがオンになり、負荷に電流が流れるようになります。Nチャネル回路では、MOSFETを完全にオンさせるための入力電圧よりも高い電圧を印加する必要があります。高電圧信号が得られない場合は、チャージポンプを実装することでNチャネルゲートを駆動することができます。これは回路の複雑さを増しますが、NチャンネルMOSFETはPチャンネルデバイスよりも所定のサイズに対してR_DS(on) が低いので、トレードオフの価値があるのかもしれません。また、NチャネルMOSFETを負荷とグランド間のローサイドスイッチとして使用することで、必要なゲート電圧を下げることができます。

負荷スイッチの実装方法にかかわらず、MOSFET の電圧降下は、ドレイン電流と R_DS(on)の積に等しくなります。電力損失はドレイン電流の2乗とR_DS(on)の積になります。そのため、最大ドレイン電流0.7Aで動作するPMX100UNEでは、120mΩのチャネル抵抗により、わずか58mWの電力損失となります。そのため、携帯機器やウェアラブル機器の設計では、 R_DS(on) の値を可能な限り小さくすることが重要です。電力損失が少ないということは、温度上昇が少なく、電池寿命が長いということです。

また、MOSFETロードスイッチは、充電入力の短絡など故障時に発生する逆電流を遮断するために使用することができます。これは、2つのMOSFETを逆極性で直列に配置することで達成されます（図5）。

図5：コモンドレイン回路構成およびPチャンネルMOSFETを用いた逆電流保護ロードスイッチを示しています。（画像提供：Nexperia）

ロードスイッチの逆電流保護は、コモンソース配置を使用して実装することも可能です。この配置では、ターンオン後にゲートの放電を行うために、共通ソースポイントにアクセスする必要があります。

製品内アプリケーション

将来有望なウェアラブルデバイスの好例として、ARやVRグラスがあります。これらの機器には、低電力損失で物理的に小さいサイズの高効率な部品が必要です。これらは、スイッチや電力変換には多数のMOSFETデバイスを使用しています（図6）。

図6：MOSFETはAR/VRグラスの設計において、ロードスイッチ、ブーストコンバータ、電池スイッチとして重要な役割を果たしています（オレンジ色の四角の中にマークがある）。（画像提供：Nexperia）

このタイプのウェアラブルデバイスは、非常に長い再充電間隔と、ユーザーが期待する「常時オン」機能の両立が求められます。MOSFETスイッチは、デバイスで使用されていない機能をパワーダウンするのに使用されます。スイッチにMOSFETを使用して、RFフロントエンドやラウドスピーカを接続、切断することに注目してください。電力制御では、MOSFETを電池スイッチとして使用したり、有線充電するために外部電源に接続したりします。また、ディスプレイ用のスイッチドモード昇圧型パワーコンバータにも使用されています。

まとめ

NexperiaのDFN0603パッケージMOSFETは、マイクロウエアラブルなどのスペースや電力に制約のあるデバイスの設計者向けに、次世代設計に必要な小型パッケージサイズと最高クラスのR_DS(on) を実現しています。ロードスイッチ、電池スイッチ、スイッチドモードパワーコンバータなどに最適な部品です。