Formindskelse af trykte kredsløb med piezoelektriske strømkonvertere

“Small is Big,” er en meget populær sætning, som gang på gang har vist sin værdi. Teknologiske indgreb, der har gjort vores daglige liv bedre, bliver mindre, sparer plads og øger effektiviteten. 

I et af de seneste eksempler på sådan en intervention har forskere ved University of California San Diego og CEA-Leti udviklet en banebrydende, yderst sofistikeret piezoelektrisk baseret DC-DC konverter, som kunne samle alle strømskifter på én enkelt chip. 

Lad os begynde med at se på værdien af denne innovation, og hvorfor den hyldes med så stor entusiasme i den videnskabelige verden. 

En høj effekt-tæthed konverter

Komprimering af konverteren til en enkelt chip giver primært en øget effekt-tæthed og skaber nye strøm-dynamikker ved at kombinere fordelene ved piezoelektriske konvertere med dem fra kapacitive DC-DC konvertere. Denne teknologi erstatter de tidligere klodsede induktorer og er på vej til snart at drive smartphones, computere, serverfarme, AR/VR-headsets og mere.

Yderligere fordele og nye egenskaber ved denne løsning blev opført i papiret med titlen “An Integrated Dual-Side Series/Parallel Piezoelectric Resonator-based 20-to-2.2V DC-DC Converter Achieving a 310% Loss Reduction.” Nogle af disse fordele var som følger:

• Det er den første integrerede kredsløb, der bruges til PR-baseret strømkonvertering. 
• Løsningen kunne opnå op til 310 % tabreduktions. 
• Konverteren kunne levere forbedret ydeevne ved lave spændingsomregningsforhold, opretholde høj effektivitet samtidig med at udnytte piezoelektriske materialer optimalt. 
• Den er i stand til at tilbyde sofistikerede strømtrin på et lille område sammenlignet med diskrete design, samtidig med at den muliggør effektiv enhedsdrift ved spændingsomregningsforhold på mindre end 0,1. 
• Da det integrerede kredsløb gør det muligt at samle alle strømskifter på én enkelt chip, reduceres PCB-fodaftrykket betydeligt. Det er også muligt at opnå forbedret fasekontrolpræcision.

Disse fordele samler sig til noget større: de reducerer ikke kun efterspørgslen efter piezoelektrisk materiale, men giver også forskningssamfundet mulighed for at producere højtydende computer‑servere, bilsystemer, USB‑ladere og batteridrevne enheder med den lav‑VCR‑område DC‑DC konverter. 

Effektive piezo‑fotobevægelses‑ og statiske kraftmåle‑enheder

Tekniske innovationer som den, vi nævnte ovenfor, stammer fra en vedvarende række af forskning på området. For eksempel indeholdt december 2023‑udgaven af Sensors and Actuators en undersøgelse, der analyserede ydeevnen af on‑chip koblede piezo/fotodioder og foreslog en numerisk tilgang til beregning af den mekaniske effektivitet af piezo‑fotobevægelses‑enheder. 

Disse enheder, der integrerer piezoelektriske aktuatorer med siliciumsolceller, kan omdanne optisk energi til mekanisk energi, hvilket gør dem velegnede til fjernstyrede mikro‑ og nanoroboter. 

Resultaterne viste, at den mekaniske effektivitet af enhederne ikke afhænger af inputspændingen og kan forbedres ved udtynding og backside‑etching. 

Endvidere en 2021‑undersøgelse udforskede rollen af piezoelektriske sensorer i måling af statiske kræfter, og fremhævede deres popularitet i kraftmåle‑applikationer på grund af deres lave omkostninger, lineære respons og høje følsomhed. Disse sensorer omdanner effektivt dynamiske kræfter til elektriske signaler. 

Klik her for at lære, hvordan fremskridt inden for piezoelektriske kompositter gør det muligt at udnytte & fortolke kinetisk energi.

Studier om at formindske trykte kredsløb

Hvad angår aspektet med at formindske trykte kredsløb, er der også foregået meget forskning på dette område. En bemærkelsesværdig undersøgelse fra 2020, udgivet af IEEE, dykkede ned i, hvordan elektroniske komponenter er blevet mindre som følge af at trykte kredsløb bliver tættere. 

Denne forskning anerkendte, at mindre diskrete passive enheder som overflademonterede kondensatorer og modstande blev brugt i stigende grad, og pegede på en tendens mod størrelser, der på sigt vil kræve forstørrelse. 

Den adresserede også bekymringer omkring fejl i disse produkter og gik ind for at anvende passende designparametre for trykte kredsløb ved fastlæggelse af pad‑geometrier på boardet. 

Resultaterne understregede, at mindre pad‑geometrier spiller en kritisk rolle i at mindske tombstoning — en tilstand hvor en kondensator eller modstand kun loddes på den ene ende på grund af komponentens vertikale rotation, hvilket fører til en åben kredsløb. Forskerne anbefalede også at fjerne loddemasken mellem pad‑ene for at opnå fejlfrie resultater. 

Udover institutionel og akademisk forskning investerer talrige virksomheder betydeligt i disse teknologier og udvikler effektive løsninger. De følgende afsnit vil udforske nogle af disse virksomheder og de innovative produkter, de udvikler. 

#1. ON Semiconductor

ON Semiconductor Corporation (ON )  erhvervede med succes Fairchild Semiconductor for US$2,4 milliarder i kontanter i september 2016. På tidspunktet for erhvervelsen var Fairchild meget aktiv inden for området for piezoelektriske strømkonvertere. For eksempel var deres FAN8831 enkelt-chip piezoelektrisk aktuator et produkt, der bestod af en step‑up DC‑DC konverter med en integreret 36 V boost‑switch og en fuld‑bridge udgangsstadie. 

Enheden kunne drive en piezo bi‑direktionelt ved 120 V peak‑to‑peak fra en enkelt 3 V lithium‑celle. Den kunne operere i kritisk ledningstilstand (CRM), optimeret til at forblive funktionel i en koblet induktor‑konfiguration, der leverer udgangsspændinger over 60 V. Løsningen kom med over‑spændings‑ og over‑strømsbeskyttelse samt indbyggede funktioner til termisk nedlukning efter behov. 

En intern kredsløb gør det muligt at aktivere fuld‑bridge gate‑driveren, når step‑up DC‑DC konverterens udgangsspænding når et niveau, der svarer til hysterese. Eksterne modstande hjælper med at indstille boost‑spændingen, mens step‑up strømgrænsen kan programmeres via den eksterne modstand på OCP‑pinnen. Output‑H‑bridge indeholdt fire integrerede 75 V P‑ og N‑kanaler til sinus‑bølge‑drift af piezo‑aktuatoren. 

For året, der sluttede den 31. december 2023, registrerede ON Semiconductor en omsætning på US$8,253 milliarder, et let fald i forhold til årets foregående omsætning på US$8,326 milliarder. For det seneste år udgjorde nettoresultatet tilgodeset ON Semiconductor US$2,183 milliarder, en lille stigning i forhold til det foregående regnskabs år på US$1,902 milliarder. 

#2. Texas Instruments 

Et andet industri‑klassificeret piezo‑driver med en integreret boost‑konverter kom fra Texas Instruments (TXN ). Produktet DRV2700 var en enkelt‑chip piezo‑driver med en integreret 105‑V boost‑switch, integreret kraft‑diode og fuldt differentielt forstærker. Enheden, på grund af sin iboende alsidighed, kunne drive både høj‑spændings‑ og lav‑spændings‑piezo‑belastninger. Input‑signalet kunne være differentielt eller enkelt‑ended, AC‑ eller DC‑koblet. Enheden understøttede fire GPIO‑styrede forstærkninger, herunder 28,8 dB, 34,8 dB, 38,4 dB og 40,7 dB. 

Ligesom ON Semiconductors løsning, øger to eksterne modstande spændingen også her. Der er to uafhængige batterier. Det ene har støtte fra switch‑pinnen, mens det andet har støtte fra VDD‑pinnen. 

På grund af produktets unikke boost‑konverter‑arkitektur er det muligt at optimere DRV2700‑kredsløbets ydeevne for en given induktor. Da konverteren trækker kraftigt på en hysteretisk arkitektur, er det muligt at minimere switch‑tab og øge effektiviteten. 

Enheden har en typisk opstartstid på 1,5 ms, hvilket gør den i stand til hurtigt at vågne fra dvaletilstand. Den har termisk overbelastningsbeskyttelse, som beskytter den mod skade ved overdrift. 

Texas Instruments Incorporated og dets datterselskaber rapporterede en omsætning på US$17,519 milliarder for året, der sluttede den 31. december 2023, hvilket var et betydeligt fald i forhold til foregående års omsætning på US$20,028 milliarder. For FY 2023 var de udvande indtjeninger pr. almindelig aktie US$7,07, mens de for FY 2022 var US$9,41. 

#3. Boreas Technologies

Boreas Technologies’ produkt med mærket ‘BOS1901’ er en anden effektiv enkelt-chip piezo aktuator driver, der drives af virksomhedens patenterede capDrive‑teknologi, hvilket resulterer i forbedrede standarder for energigenvinding. Produktet kan drive aktuatorer med bølgeformer op til 190 Vpk‑pk, mens det opererer fra en forsyningsspænding mellem 3 og 5,5 V. 

På grund af sin lille størrelse finder produktet anvendelse i en række slut‑brugsområder, hvor minimering af strømforbrug og varmeafledning er nødvendig. 

Den høj‑hastigheds‑SPI, som produktet bruger i sin Digital Front End, gør det muligt at dele en enkelt kommunikationsbus blandt multi‑aktuator‑systemer. Digital Front End muliggør også justering af alle indstillinger med kun syv passive diskrete komponenter. 

BOS1901 er kompatibel med en række kommercielle off‑the‑shelf induktorer. Den er også effektiv for systemer, der ikke er udstyret til at håndtere omvendt strømflow. BOS1901 leveres med en unidirektionel strømindgang. Når den aktiveres, får driveren en resistiv belastning uden at reducere strøm‑effektiviteten. BOS1901 har en opstartstid på under 300 mikrosekunder. Dens latenstid er ubetydelig. 

Ifølge de seneste tilgængelige information lukkede Boreas Technologies en finansieringsrunde på US$12 millioner i november 2023. Virksomheden besluttede at bruge midlerne til at accelerere høj‑volumen produktionen af sine ultra‑lav‑effekt piezo‑haptiske halvledere til mobil‑, PC‑ og bilapplikationer. 

Små konvertere og deres fordele

Ingeniører over hele verden tackler udfordringen med at skabe systemdesign, der enten er mindre eller indeholder flere funktioner inden for de eksisterende dimensioner. For at få plads til mere på trykte kredsløb er opnåelse af højere PCB‑tæthed blevet afgørende. Dette medfører dog flere kompleksiteter for designere, især ved routing og layout af boardet. 

Presset for at overvinde disse forhindringer har ført til udviklingen af analoge signal‑kæde produkter, som hjælper ingeniører med at optimere board‑plads uden at gå på kompromis med funktioner, omkostninger, enkelhed eller robusthed. En bemærkelsesværdig opfindelse er op‑forstærkere, som sikrer høj ydeevne og en yderst stabil forstærknings‑kreds med kun få passive komponenter. 

Texas Instruments’ op‑forstærkere er for eksempel tilgængelige i 16 forskellige pakker, herunder branchens mindste enkelt‑ og quad‑kanal‑pakker. På samme måde findes der små komparatorer designet med to indgange, én udgang og to strømforsynings‑pins, som sammenligner input‑spændinger og justerer output‑en i overensstemmelse hermed. Den mindste komparator i branchen passer i en WCSP‑pakke på 0,7 × 0,7 mm, hvilket er 4 % mindre end konkurrerende enheder og fungerer ned til 1,7 V, hvilket gør den ideel til rum‑kritiske design som smartphones og andre bærbare eller batteridrevne applikationer. 

Små strøm‑sense‑forstærkere er også kommet på banen i takt med den voksende efterspørgsel efter system‑intelligens og strøm‑effektivitet. Kritiske systemer kræver bedre overvågning. Måling og overvågning af strøm er muligt ved at måle spændingsfaldet over en shunt‑ eller strøm‑sense‑modstand. 

Med små‑outline transistorer så små som 1,6 mm × 1,6 mm har det været muligt at udvikle strøm‑sense‑forstærkere, der er 40 % mindre end deres nærmeste konkurrerende ledede pakker. Disse løsninger er designet til brug i rum‑begrænsede applikationer. 

Samlet set har forskning og udvikling gjort det muligt at reducere PCB‑fodaftrykket betydeligt, samtidig med at kanal‑tætheden øges, og højere integration af andre komponenter og funktioner med en lille datakonverter udnyttes. Sådanne udviklinger vil resultere i mere spares plads og mere effektive design. 

Med elektroniske gadgets, der bliver mindre og mindre for hver dag, der går, og efterspørgslen efter nye funktioner, der stiger, vil disse udviklinger kun samle endnu mere momentum.