تقليص اللوحات المطبوعة باستخدام محولات الطاقة الكهروضغطية

“الصغير هو الكبير”، عبارة شائعة على نطاق واسع، أثبتت جدواها مرارًا وتكرارًا. التدخلات التكنولوجية التي حسّنت حياتنا اليومية أصبحت أصغر، توفر مساحة، وتزيد الكفاءة. 

في أحد أحدث الأمثلة على مثل هذا التدخل، طور العلماء في جامعة كاليفورنيا سان دييغو وCEA-Leti محول DC-DC متقدم يعتمد على الكهروضغطية يمكنه دمج جميع مفاتيح الطاقة في شريحة واحدة. 

دعونا نبدأ بالنظر إلى قيمة هذا الابتكار ولماذا يُشاد به بحماس كبير في الأوساط العلمية. 

محول عالي الكثافة الطاقة

ضغط المحول في شريحة واحدة يحقق أساسًا زيادة في كثافة الطاقة ويولد ديناميكيات طاقة جديدة من خلال دمج فوائد محولات الكهروضغطية مع محولات DC-DC القائمة على السعة. تستبدل هذه التقنية المحاثات الضخمة السابقة ومن المتوقع أن تزود قريبًا الهواتف الذكية، الحواسيب، مزارع الخوادم، نظارات AR/VR، والمزيد. 

تم سرد مزايا إضافية وخصائص جديدة لهذا الحل في الورقة التي تحمل عنوان، “محول DC-DC مبني على رنان كهرضغط مزدوج الجانب تسلسلي/متوازي بجهد 20 إلى 2.2 فولت يحقق خفض فقدان بنسبة 310٪.” بعض هذه الفوائد كانت كما يلي:

• إنه أول دائرة متكاملة تُستخدم لتحويل الطاقة المستند إلى الرنان الكهروضغطي. 
• يمكن لهذا الحل تحقيق خفض فقدان يصل إلى 310٪. 
• يمكن للمحول تقديم أداء محسّن عند نسب تحويل الجهد المنخفض، مع الحفاظ على كفاءة عالية أثناء الاستفادة المثلى من المواد الكهروضغطية. 
• يستطيع تقديم مراحل طاقة متقدمة في مساحة صغيرة مقارنةً بالتصاميم المنفصلة، مع تمكين تشغيل فعال للجهاز عند نسب تحويل الجهد أقل من 0.1.
• نظرًا لأن الدائرة المتكاملة تجعل من الممكن دمج جميع مفاتيح الطاقة في شريحة واحدة، فإن مساحة اللوحة المطبوعة تُقلص بشكل كبير. كما يمكن تحقيق دقة محسّنة في التحكم بالطور.

تتراكم هذه الفوائد معًا لتصبح شيئًا أكبر: فهي لا تقلل فقط من الطلب على المواد الكهروضغطية، بل تمكّن المجتمع العلمي من إنتاج خوادم حوسبة عالية الطاقة، أنظمة سيارات، شواحن USB، وأجهزة تعمل بالبطاريات باستخدام محول DC-DC بنطاق نسب تحويل جهد منخفض. 

أجهزة قياس الحركة الضوئية الكهروضغطية الفعّالة وأجهزة قياس القوة الساكنة

الابتكارات التقنية مثل تلك التي ذكرناها أعلاه تنبع من سلسلة مستمرة من الأبحاث في هذا المجال. على سبيل المثال، تناول عدد ديسمبر 2023 من مجلة Sensors and Actuators دراسة حللت أداء الثنائيات الضوئية/الكهروضغطية المدمجة على الشريحة، مقترحةً نهجًا رقميًا لحساب الكفاءة الميكانيكية لأجهزة أجهزة الحركة الضوئية الكهروضغطية. 

هذه الأجهزة، التي تدمج المشغلات الكهروضغطية مع خلايا شمسية سيليكونية، يمكنها تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة ميكانيكية، مما يجعلها ملائمة للروبوتات الدقيقة والنانوية التي تُتحكم عن بُعد. 

أظهرت النتائج أن الكفاءة الميكانيكية لهذه الأجهزة لا تعتمد على جهد الإدخال ويمكن تحسينها من خلال الترقيق والنقش من الخلف. 

علاوة على ذلك، استكشفت دراسة عام 2021 دور المستشعرات الكهروضغطية في قياس القوى الساكنة، مسلطةً الضوء على شعبيتها في تطبيقات قياس القوة بفضل تكلفتها المنخفضة، استجابتها الخطية، وحساسيتها العالية. تقوم هذه المستشعرات بتحويل القوى الديناميكية إلى إشارات كهربائية بكفاءة. 

انقر هنا لتتعرف على كيفية تمكين التقدم في المركبات الكهروضغطية من استغلال وتفسير الطاقة الحركية.

دراسات حول تقليص اللوحات المطبوعة

فيما يتعلق بجانب تقليص اللوحات المطبوعة، فقد أجري الكثير من الأبحاث في هذا المجال أيضًا. دراسة بارزة من عام 2020، نشرتها IEEE، تناولت كيف أصبحت المكونات الإلكترونية أصغر نتيجة زيادة كثافة اللوحات المطبوعة الإلكترونية. 

أقر هذا البحث بحقيقة أن الأجهزة السلبية المنفصلة الأصغر مثل المكثفات والمقاومات السطحية أصبحت تُستخدم أكثر، محددًا اتجاهًا نحو أحجام قد تتطلب في النهاية تكبيرًا. 

كما تناول القلق بشأن العيوب في هذه المنتجات، داعيًا إلى اعتماد معايير تصميم مناسبة للوحة المطبوعة لتحديد هندسة وسادات اللوحة. 

أظهرت النتائج أن هندسة الوسادات الأصغر تلعب دورًا حاسمًا في الحد من ظاهرة “التنقيب” — حالة يلحم فيها المكثف أو المقاومة من طرف واحد فقط بسبب دوران المكوّن عموديًا، مما يؤدي إلى دائرة مفتوحة. كما أوصى الباحثون بإزالة قناع اللحام بين الوسادات لتحقيق نتائج خالية من العيوب. 

إلى جانب الأبحاث المؤسسية والأكاديمية، تستثمر العديد من الشركات بشكل كبير في هذه التقنيات، وتبتكر حلولًا فعّالة. ستستكشف الفقرات التالية بعضًا من هذه الشركات والمنتجات المبتكرة التي يطوّرونها.

#1. ON Semiconductor

قامت شركة ON Semiconductor (ON ) بالاستحواذ بنجاح على شركة Fairchild Semiconductor مقابل 2.4 مليار دولار نقدًا في سبتمبر 2016. في وقت الاستحواذ، كانت Fairchild نشطة جدًا في مجال محولات الطاقة الكهروضغطية. على سبيل المثال، كان منتجها FAN8831 single-chip piezoelectric actuator عبارة عن محول DC-DC رفع مع مفتاح تعزيز بجهد 36 فولت ومرحلة إخراج جسر كامل. 

يمكن للجهاز تشغيل مشغل Piezo ثنائي الاتجاه بجهد 120 فولت ذروة إلى ذروة من خلية ليثيوم واحدة بجهد 3 فولت. يمكنه العمل في وضع التوصيل الحرج (CRM)، مُحسّنًا للبقاء فعالًا في تكوين محاثة مزدوجة يقدم جهود خرج تتجاوز 60 فولت. يأتي الحل مع حماية من الجهد الزائد والتيار الزائد وقدرات مدمجة لإيقاف التشغيل الحراري عند الحاجة. 

تمكن الدوائر الداخلية من تشغيل سائق البوابة ذات الجسر الكامل عندما يصل جهد خرج محول DC-DC الرفع إلى مستوى يتناسب مع الهستيريز. ساعدت المقاومات الخارجية في ضبط جهد التعزيز، بينما يمكن برمجة حد التيار الرفع عبر المقاومة الخارجية عند دبوس OCP. تضمن جسر H-الخارجى أربعة قنوات مدمجة بجهد 75 فولت (P و N) لتشغيل مشغل Piezo بموجة جيبية. 

للسنة المنتهية في 31 ديسمبر 2023، سجلت شركة ON Semiconductor إيرادات قدرها 8.253 مليار دولار أمريكي، بانخفاض طفيف عن إيرادات السنة السابقة التي بلغت 8.326 مليار دولار. أما صافي الدخل المنسوب إلى ON Semiconductor فبلغ 2.183 مليار دولار، بزيادة بسيطة عن السنة المالية السابقة التي كانت 1.902 مليار دولار. 

#2. Texas Instruments 

جاء محرك كهروضغطي من فئة الصناعة مع محول تعزيز مدمج من شركة Texas Instruments (TXN ). كان المنتج DRV2700 محرك كهروضغطي على شريحة واحدة يضم مفتاح تعزيز بجهد 105 فولت، صمام ثنائي طاقة مدمج، ومضخم تفاضلي كامل. بفضل مرونته الفطرية، يمكن للجهاز تشغيل أحمال كهروضغطية عالية ومنخفضة الجهد. يمكن أن تكون إشارة الإدخال تفاضلية أو أحادية الطرف، متصلة بـ AC أو DC. يدعم الجهاز أربعة مكاسب يتحكم فيها GPIO، تشمل 28.8 ديسيبل، 34.8 ديسيبل، 38.4 ديسيبل، و40.7 ديسيبل. 

مشابهًا لحل ON Semiconductor، يتم تعزيز الجهد هنا أيضًا باستخدام مقاومتين خارجيتين. هناك بطاريتان مستقلتان. واحدة تدعم دبوس المفتاح، والأخرى تدعم دبوس VDD. 

بفضل بنية محول التعزيز الفريدة للمنتج، يمكن تحسين أداء دائرة DRV2700 لمحث معين. نظرًا لأن المحول يعتمد بشكل كبير على بنية هستيرية، يمكن تقليل خسائر التبديل وزيادة الكفاءة. 

يتميز الجهاز بوقت بدء تشغيل نموذجي قدره 1.5 مللي ثانية، مما يجعله قادرًا على الخروج من وضع السكون بسرعة. يحتوي على ميزات حماية من الحمل الحراري تحميه من الضرر عند تشغيله بجهد زائد. 

سجلت شركة Texas Instruments Incorporated وشركاتها التابعة إيرادات قدرها 17.519 مليار دولار للسنة المنتهية في 31 ديسمبر 2023، وهو انخفاض كبير مقارنةً بإيرادات السنة السابقة التي بلغت 20.028 مليار دولار. بالنسبة للسنة المالية 2023، كان ربح السهم العادي المخفف 7.07 دولار، بينما كان 9.41 دولار للسنة المالية 2022. 

#3. Boreas Technologies

منتج Boreas Technologies المسمى ‘BOS1901’ هو محرك مشغل كهروضغطي على شريحة واحدة فعال آخر يُشغل بتقنية capDrive الحاصلة على براءة اختراع من الشركة، مما ينتج معايير محسّنة لاستعادة الطاقة. يمكن للمنتج تشغيل المشغلات بأشكال موجية تصل إلى 190 فولت ذروة إلى ذروة أثناء العمل بجهد إمداد يتراوح بين 3 و5.5 فولت. 

نظرًا لحجمه الصغير، يُستخدم المنتج في مجموعة من التطبيقات النهائية حيث يكون تقليل استهلاك الطاقة وتشتت الحرارة أمرًا ضروريًا. 

يتيح الـ SPI عالي السرعة الذي يستخدمه المنتج في الواجهة الرقمية الأمامية مشاركة حافلة اتصال واحدة بين أنظمة متعددة المشغلات. كما تجعل الواجهة الرقمية الأمامية من الممكن ضبط جميع الإعدادات باستخدام سبعة مكونات سلبية منفصلة فقط. 

يتوافق BOS1901 مع مجموعة من المحاثات التجارية المتوفرة جاهزة. كما أنه فعال للأنظمة غير المجهزة للتعامل مع تدفق التيار العكسي. يأتي BOS1901 بمدخل طاقة أحادي الاتجاه. عند تفعيله، يجعل هذا المدخل السائق يتصرف كحمل مقاوم دون تقليل كفاءة الطاقة. يتميز BOS1901 بوقت بدء تشغيل أقل من 300 ميكروثانية. زمن استجابته ضئيل. 

وفقًا لأحدث المعلومات المتاحة، أتمت شركة Boreas Technologies جولة تمويل بقيمة 12 مليون دولار في نوفمبر 2023. قررت الشركة استخدام الأموال لتسريع الإنتاج عالي الحجم لأشباه الموصلات الكهروضغطية اللمسية منخفضة الطاقة للغاية في تطبيقات الهواتف المحمولة، الحواسيب، والسيارات. 

المحوّلات الصغيرة وفوائدها

يسعى المهندسون حول العالم إلى مواجهة تحدي إنشاء تصاميم أنظمة إما أصغر أو تحزم مزيدًا من الوظائف ضمن الأبعاد الحالية. لاستيعاب المزيد على اللوحات المطبوعة، أصبح تحقيق كثافة PCB أعلى أمرًا حيويًا. ومع ذلك، يضيف ذلك مزيدًا من التعقيدات للمصممين، خاصةً في تنفيذ توجيه اللوحة ومهام تخطيطها. 

دفعت الرغبة في تجاوز هذه العقبات إلى تطوير منتجات سلسلة الإشارة التناظرية التي تساعد المهندسين على تحسين مساحة اللوحة دون التضحية بالميزات أو التكلفة أو البساطة أو المتانة. أحد الاختراعات البارزة هو مضخمات العمليات (Op amps)، التي تضمن أداءً عاليًا ودائرة تضخيم مستقرة للغاية باستخدام عدد قليل فقط من المكونات السلبية. 

على سبيل المثال، تتوفر مضخمات Op من Texas Instruments في 16 حزمة مختلفة، تشمل أصغر حزم أحادية ورباعية القنوات في الصناعة. بالمثل، هناك مقارنات صغيرة صُممت بمدخلين، مخرج واحد، واثنين من دبابيس إمداد الطاقة، تُستخدم لمقارنة جهود الإدخال وضبط المخرج وفقًا لذلك. أصغر مقارن في الصناعة يتناسب مع حزمة WCSP بأبعاد 0.7×0.7 مم، وهو أصغر بنسبة 4٪ من الأجهزة المنافسة ويعمل حتى 1.7 فولت، مما يجعله مثاليًا للتصاميم ذات المتطلبات المكانية الحرجة مثل الهواتف الذكية وغيرها من التطبيقات المحمولة أو التي تعمل بالبطارية. 

ظهرت أيضًا مضخمات استشعار التيار الصغيرة الحجم مع تزايد الطلب على الذكاء النظامي وكفاءة الطاقة. تتطلب الأنظمة الحرجة مراقبة أفضل. يمكن تحقيق قياس ومراقبة التيار عن طريق استشعار انخفاض الجهد عبر شنت أو مقاومة استشعار التيار. 

مع الترانزستورات الصغيرة الشكل التي يبلغ حجمها 1.6 مم × 1.6 مم، أصبح من الممكن ابتكار مضخمات استشعار التيار التي تكون أصغر بنسبة 40٪ من حزمها المتنافسة ذات الأطراف. صُممت هذه الحلول للاستخدام في التطبيقات ذات المساحة المحدودة. 

بشكل عام، جعلت الأبحاث والتطوير من الممكن تقليل مساحة PCB بشكل كبير مع زيادة كثافة القنوات والاستفادة من تكامل أعلى للمكونات والميزات الأخرى باستخدام محول بيانات صغير. ستؤدي هذه التطورات إلى توفير مساحة أكبر وتصاميم أكثر كفاءة. 

مع تصغير الأجهزة الإلكترونية يومًا بعد يوم وزيادة الطلب على ميزات جديدة، ستستمر هذه التطورات في اكتساب زخم أكبر فأكبر.