ROHM обновила линейку p-канальных MOSFET-транзисторов для аппаратуры с питанием 24 В. Главная идея — снять традиционный минус p-канальных ключей, высокое сопротивление открытого канала, и при этом не потерять в надёжности.
Новая серия — это 24 наименования p-канальных MOSFET, рассчитанных на входное напряжение 24 В и допускающих напряжение сток-исток -40 В либо -60 В. Транзисторы поставляются как в одиночном исполнении (серии RQxxxxxAT, RDxxxxxAT, RSxxxxxAT, RFxxxxxAT), так и сдвоенными, с двумя кристаллами в одном корпусе (серии UTxxx5, QHxxx5, SHxxx5). Сдвоенные варианты интересны там, где нужно сэкономить место на плате: два ключа занимают один посадочный контур вместо двух.
Причина появления такой линейки — общий сдвиг промышленной и бытовой техники в сторону более высоких входных напряжений. Так борются за КПД и удельную мощность: при том же передаваемом токе выше напряжение — меньше потери в проводниках. Но от ключевого элемента это требует одновременно двух вещей, которые обычно противоречат друг другу: низкого сопротивления в открытом состоянии и высокого допустимого напряжения.
Почему p-канал, если n-канал эффективнее
MOSFET бывают двух типов — с n-каналом и с p-каналом. У n-канальных при прочих равных меньше сопротивление между стоком и истоком, а значит меньше статические потери, и по эффективности они выигрывают. Проблема начинается, когда ключ надо поставить в верхнее плечо, то есть между плюсом питания и нагрузкой. Исток такого транзистора «висит» на потенциале нагрузки, и чтобы его открыть, на затвор нужно подать напряжение выше входного. Отсюда в схеме появляется отдельный узел накачки — bootstrap или charge pump — со своей обвязкой, своими конденсаторами и своими граблями.
P-канальный транзистор открывается отрицательным относительно истока напряжением на затворе, то есть управляется напряжением ниже входного. Никакой накачки не требуется — драйвер получается заметно проще, а трудоёмкость разработки падает. Именно за это разработчики и терпят более высокое сопротивление p-канальных ключей. Работа ROHM как раз о том, чтобы платить за простоту схемы меньше.
Откуда взялось низкое сопротивление
В основе новых приборов лежит уже отработанная на рынке структура p-канального MOSFET от ROHM, но изготовленная по усовершенствованному техпроцессу пятого поколения. Процесс позволил сделать более тонкую структуру затвора и поднять плотность тока в кристалле. Итог — минимальное в своём классе сопротивление открытого канала, приведённое к единице площади, среди p-канальных MOSFET на 24 В входного напряжения с допустимым напряжением -40 В и -60 В.
В абсолютных цифрах по сравнению с предыдущими приборами ROHM сопротивление открытого канала снижено на 62% у транзисторов на -40 В и на 52% у транзисторов на -60 В. Практический смысл двоякий. Во-первых, прямая экономия энергии: потери на ключе пропорциональны этому сопротивлению. Во-вторых, миниатюризация — меньше выделяемого тепла означает меньший радиатор, а нужное сопротивление достигается на меньшей площади кристалла, то есть в более мелком корпусе.
Новая конструкция против концентрации поля
Одновременно с сопротивлением производитель занялся качеством. Транзисторы выполнены по траншейной (trench) технологии: в поверхности кристалла вытравливается узкая канавка, и затвор формируется на её боковой стенке. В отличие от планарной структуры здесь отсутствует паразитное сопротивление JFET-области, и сама структура может быть сделана более мелкой — собственно, это и открывает путь к низкому сопротивлению.
Слабое место такой геометрии — угол траншеи затвора: именно там электрическое поле концентрируется сильнее всего, и именно оттуда начинается деградация параметров прибора. ROHM оптимизировала структуру и применила новое решение, ослабляющее эту концентрацию поля в углу канавки. Результат — повышенная стойкость к деградации характеристик при длительном приложении напряжения на высокой температуре, причём без ухудшения сопротивления открытого канала. Обычно эти два параметра находятся в противоречии, и выиграть по обоим сразу удаётся нечасто. Для промышленной аппаратуры, от которой ждут стабильной работы годами, такой размен важнее лишних процентов КПД.
Нажмите для увеличения (1178x417)
Применение, цена и доступность
Целевые области, заявленные производителем:
ключи управления питанием и вентиляторные двигатели в промышленном оборудовании — автоматизация производства, робототехника, системы кондиционирования;
ключи управления питанием и вентиляторные двигатели в крупной бытовой технике.
Выбор напряжений -40 В и -60 В как раз рассчитан на эти задачи. Цена начинается от 1,13 доллара США за штуку (образцы, без налога), приборы находятся в серийном производстве.
Нажмите для увеличения (1374x1132)
Что дальше по планам ROHM
Компания намерена расширять корпусное исполнение для применений за пределами промышленного оборудования, в том числе выпускать варианты, оптимизированные под автомобильную электронику. Отдельное направление — n-канальные MOSFET с повышенной эффективностью на техпроцессах следующего поколения с новой структурой: они нужны для базовых станций 5G и серверов центров обработки данных, где спрос растёт. Задача сформулирована одинаково для обоих направлений: поднять эффективность и надёжность, одновременно снизив трудоёмкость разработки конечного устройства.
Нажмите для увеличения (902x506)
Термины, которые здесь встречались
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) — наиболее распространённая структура полевого транзистора, чаще всего применяется в качестве ключевого элемента.
P-канальный MOSFET — открывается при отрицательном напряжении на затворе относительно истока, благодаря чему управляется напряжением ниже входного и упрощает схему.
N-канальный MOSFET — открывается при положительном напряжении на затворе относительно истока; сопротивление сток-исток у него меньше, чем у p-канального, поэтому ниже и статические потери.
Сопротивление открытого канала (ON resistance) — сопротивление между стоком и истоком работающего транзистора; чем оно меньше, тем меньше потери мощности.
Траншейная структура — канавка в поверхности кристалла с затвором на её боковой стенке; в отличие от планарной структуры не имеет JFET-сопротивления и допускает более мелкую геометрию.
Нажмите для увеличения (1425x629)
Подробности — на сайте производителя: www.rohm.com
