超高阈值N沟道耗尽型DMZ1015E/DMX1015E

一、DMZ1015E/DMX1015E产品简介

 

DMZ1015E/DMX1015E是ARK（方舟微）利用特有的UltraVt®专利技术开发的一款具备超高阈值电压的耗尽型功率MOSFET。产品漏-源击穿电压（BVDSX）超过100V，且具有ESD防护设计，可在-55℃至150℃的温度范围内稳定工作。

 

DMZ1015E/DMX1015E可直接作为高压稳压器直接使用，利用其（超高）亚阈值特性，可直接将输入的高电压转换为稳定的低电压，给PWM IC等负载供电。

 

DMZ1015E/DMX1015E专为满足IC在宽范围电压输入场景下的供电需求而设计，DMZ1015E/DMX1015E简单易用的稳压特性，非常适合用于QC 2.0/3.0/4.0快充、USB Type-C PD快充、USB Type-C直充、宽输出电压范围的电源适配器等多种电源系统中，可有效简化PWM IC供电方案，提高电源系统的稳定性。

 

二、DMZ1015E/DMX1015E的产品特性

 

产品类型：N沟道（超高阈值）耗尽型MOSFET。

阈值电压：-27V＜VGS(OFF)@ID=8μA（数值上：27V＞|VGS(OFF)|@ID=8μA），-11.5V＞VGS(OFF)@ID=5mA（数值上：11.5V＜|VGS(OFF)|@ID=8μA）。

高耐压：允许输入电压高达100V。

ESD能力：具有ESD防护能力。

功能特点：具有可靠易用的稳压特性。

 

 

三、应用领域

 

QC2.0/3.0/4.0快充系统

USB Type-C PD 电源系统

USB Type-C 直充系统

宽输出电压范围电源适配器

直流接触器  

 

四、典型应用方案------稳压输出供电

 

稳压电路的典型电路方案：

 

 

DMZ1015E/DMX1015E在图3所示电路中的实际稳压表现

 

ARK（方舟微）于2024年下半年对DMZ1015E/DMX1015E产品的工艺进行了一次优化，因此本次分别使用了工艺优化前的样品以及工艺优化后的样品进行测试。

 

1、工艺优化前的样品实测数据：

 

样品1实测静态参数：VGS(OFF)=-26.05V@ID=8μA，VGS(OFF)=-16.61V@ID=5mA。

样品1实测电路参数如下：

 

 

样品2实测静态参数：VGS(OFF)=-22.19V@ID=8μA，VGS(OFF)=-15.79V@ID=5mA。

样品2实测电路参数如下：     

 

 

样品3实测静态参数：VGS(OFF)=-19.83V@ID=8μA，VGS(OFF)=-11.52V@ID=5mA。

样品3实测电路参数如下：

 

 

2、工艺优化后的样品实测数据如下：

 

样品4实测静态参数：VGS(OFF)=-26.05V@ID=8μA，VGS(OFF)=-18.87V@ID=5mA。

样品4实测电路参数如下：   

 

 

样品5实测静态参数：VGS(OFF)=-20.11V@ID=8μA，VGS(OFF)=-17.13V@ID=5mA。

样品5实测电路参数如下：   

 

 

样品6实测静态参数：VGS(OFF)=-17.24V@ID=8μA，VGS(OFF)=-13.89V@ID=5mA。

样品6实测电路参数如下：    

 

 

特别说明：DMZ1015E/DMX1015E产品在工艺优化前后的两个版本，在设计上与制造上完全保持一致，不存在相关变动，工艺优化后的产品参数特性更优，温度特性更好，会陆续上市销售。

 

五、DMZ1015E/DMX1015E在快充领域的典型应用方案

 

传统的多种元件组合供电方案

在传统的PWM IC 供电方案中，通常使用三极管+电阻+稳压管的方案给PWM IC供电，如下图所示：

 

 

传统方案不足之处：元件数量较多，增加物料管理工作；占用PCB空间较大，不利于减小快充体积；元件数量增多，可靠性风险增加。

 

简单可靠的DMZ1015E/DMX1015E供电方案

 

对于使用DMZ1015E/DMX1015E的快充方案，仅需要使用一颗DMZ1015E/DMX1015E，就能将输入的宽范围高电压转换为稳定的低电压，给PWM IC供电。可有效简化PWM IC供电方案，提高电源系统的稳定性。

 

DMZ1015E/DMX1015E在快充方案中的典型应用方案如下图所示：

 

 

 

DMZ1015E/DMX1015E方案优点：减少了元件数量，简化了电路方案，节省了PCB空间，提高了电路的可靠性。

 

六、DMZ1015E/DMX1015E用于稳压供电的原理解析

 

DMZ1015E/DMX1015E能够用于稳压供电的关键原理：是利用了耗尽型MOSFET的亚阈特性来实现稳压输出的。

 

亚阈特性指的是耗尽型MOSFET工作在亚阈状态时具有的一种特性，是耗尽型MOSFET非常重要的一个特性。利用耗尽型MOSFET的亚阈特性，可以实现稳压供电、过压保护、恒流供电、过流保护等电路功能。

 

1、什么是耗尽型MOSFET的亚阈状态？

 

亚阈状态是指耗尽型MOSFET在工作时，其栅极电位VG低于源极电位VS，即耗尽型MOSFET的栅-源电压VGS满足：VGS(OFF)＜VGS＜0V。例如：一款耗尽型MOSFET的关断电压为VGS(OFF)=-4V@ID=8uA,工作时栅极施加VGS=-2V的偏压，则耗尽型MOSFET即工作在亚阈状态下。此时耗尽型MOSFET的导电沟道没有完全关断，仍然可以通过一定的亚阈电流，并且亚阈电流的最大值即为对应亚阈电压VGS条件下MOSFET的饱和电流值（ID(sat)）。

 

耗尽型MOSFET工作在亚阈状态下的典型电路示例：

 

 

2、什么是耗尽型MOSFET的亚阈特性？

 

亚阈特性是指：当耗尽型MOSFET工作在亚阈状态时，亚阈电压VGS有特定范围：0≤|VGS|≤|VGS(OFF)|，并且亚阈电压VGS与可通过MOSFET的最大电流有唯一对应关系（结温一定，忽略沟道长度调制效应）。

 

图12所示为一款耗尽型MOSFET的典型输出特性曲线，可以看到，随VDS的增加，当VDS＞VGS−VGS(OFF)（VGS(OFF)为负值）时，MOSFET工作在饱和区，此时流过MOSFET的电流达到最大值（结温一定，忽略沟道长度调制效应）。当亚阈电压VGS确定时，MOSFET可以通过的最大电流（ID(sat)）也唯一确定。

 

 

3、利用亚阈特性可以用来实现什么电路功能？

 

亚阈特性非常适合被用来实现稳压、恒流供电，以及实现过压保护、过流保护等电路功能。

 

4、DMZ1015E/DMX1015E稳压原理说明

 

DMZ1015E/DMX1015E用于稳压输出的典型电路如图13所示:

 

 

在该电路中，DMZ1015E/DMX1015E的栅极接地，因此电路运行时，DMZ1015E/DMX1015E的栅-源电压VGS始终满足：VGS(OFF)≤VGS≤0V，所以DMZ1015E/DMX1015E始终工作在亚阈状态下。

 

根据耗尽型MOSFET的亚阈特性可知，此时VGS电压满足：0V＜|VGS|＜|VGS(OFF)|，并且VGS电压与可通过DMZ1015E/DMX1015E的最大电流ID(sat)有唯一对应关系。

 

对于DMZ1015E产品，（常温下）亚阈电压VGS与饱和电流ID(sat)的典型特性曲线如下图所示： 

 

 

如图13可知，DMZ1015E/DMX1015E的|VGS|电压即为负载RL两端电压，即|VGS|=VRL，因此负载RL两端电压VRL同样满足：0V＜|VRL|＜|VGS(OFF)|关系，并且当负载确定时，负载电流和负载电压有唯一确定关系（对应关系如图14所示，电流确定时，输出电压即对应确定）。

 

由于耗尽型MOSFET的VGS(OFF)参数在数值上具有正温度系数，因此，随着MOSFET结温的升高，输出电压会相应升高。

 

DMZ1015E/DMX1015E非常适合用于PWM IC等负载的稳压供电，其可以将输入的高电压转换为稳定的低电压，给PWM IC等负载稳定供电，DMZ1015E用于稳压供电的典型输出曲线如下图所示： 

 

 

【购买指引】