Verkleinerung von Leiterplatten mit piezoelektrischen Stromwandlern

“Klein ist groß”, ein weit verbreitetes Sprichwort, hat sich immer wieder bewährt. Technologische Eingriffe, die unser tägliches Leben verbessert haben, werden immer kleiner, sparen Platz und steigern die Effizienz. 

In einem der neuesten Beispiele für einen solchen Eingriff haben Wissenschaftler der University of California San Diego und CEA-Leti einen hochmodernen, hochkomplexen, piezoelektrischen DC‑DC‑Wandler entwickelt, der alle Leistungsschalter zu einem einzigen Chip zusammenführen könnte. 

Lassen Sie uns zunächst die Vorzüge dieser Innovation betrachten und warum sie in der Wissenschaft mit großer Begeisterung gelobt wird. 

Ein Hochleistungsdichte‑Wandler

Durch die Komprimierung des Wandlers auf einen einzigen Chip wird vor allem die Leistungsdichte erhöht und neue Energiedynamiken geschaffen, indem die Vorteile von piezoelektrischen Wandlern mit denen von kapazitätsbasierten DC‑DC‑Wandlern kombiniert werden. Diese Technologie ersetzt die früher sperrigen Induktivitäten und wird bald Smartphones, Computer, Serverfarmen, AR/VR‑Headsets und vieles mehr mit Strom versorgen.

Weitere Vorteile und neuartige Eigenschaften dieser Lösung wurden in dem Papier mit dem Titel „An Integrated Dual-Side Series/Parallel Piezoelectric Resonator-based 20-to-2.2V DC-DC Converter Achieving a 310% Loss Reduction“ aufgeführt. Einige dieser Vorteile waren wie folgt:

• Es ist der erste integrierte Schaltkreis, der für PR‑basierte Leistungsumwandlung verwendet wird. 
• Die Lösung konnte eine Verlustreduktion von bis zu 310 % erreichen. 
• Der Wandler kann bei niedrigen Spannungsumwandlungsverhältnissen eine verbesserte Leistung erbringen, dabei eine hohe Effizienz beibehalten und piezoelektrische Materialien optimal nutzen. 
• Er ist in der Lage, im Vergleich zu diskreten Designs anspruchsvolle Leistungsstufen auf kleiner Fläche bereitzustellen und gleichzeitig einen effizienten Gerätebetrieb bei Spannungsumwandlungsverhältnissen von weniger als 0,1 zu ermöglichen. 
• Da der integrierte Schaltkreis es ermöglicht, alle Leistungsschalter auf einem einzigen Chip zu konsolidieren, wird die PCB‑Fläche erheblich reduziert. Zudem kann eine verbesserte Phasensteuerungspräzision erreicht werden. 

Diese Vorteile summieren sich zu etwas Größerem: Sie reduzieren nicht nur den Bedarf an piezoelektrischem Material, sondern befähigen die Wissenschaftsgemeinschaft auch, Hochleistungs‑Computerserver, Fahrzeugsysteme, USB‑Ladegeräte und batteriebetriebene Geräte mit dem DC‑DC‑Wandler im niedrigen VCR‑Bereich zu produzieren. 

Effiziente Piezo‑Photobewegungs‑ und statische Kraftmessgeräte

Technische Innovationen wie die oben erwähnte resultieren aus einer kontinuierlichen Forschungsreihe zu diesem Thema. Beispielsweise enthielt die Dezember‑2023‑Ausgabe von Sensors and Actuators eine Studie, die die Leistung von on‑chip gekoppelten Piezo‑/Photodioden analysierte und einen numerischen Ansatz zur Berechnung der mechanischen Effizienz von piezo‑photo‑Bewegungsgeräten. 

Diese Geräte, die piezoelektrische Aktuatoren mit Silizium‑Solarzellen integrieren, können optische Energie in mechanische Energie umwandeln und eignen sich daher für fernsteuerbare Mikro‑ und Nanoroboter. 

Die Ergebnisse zeigten, dass die mechanische Effizienz der Geräte nicht vom Eingangsspannungswert abhängt und sich durch Dünnheit und Rückseitenätzung verbessern lässt.

Weiter untersuchte eine Studie aus dem Jahr 2021 die Rolle von piezoelektrischen Sensoren bei der Messung statischer Kräfte und hob ihre Beliebtheit in Kraftmessanwendungen aufgrund ihrer geringen Kosten, linearen Reaktion und hohen Empfindlichkeit hervor. Diese Sensoren wandeln dynamische Kräfte effizient in elektrische Signale um.

Klicken Sie hier, um zu erfahren, wie Fortschritte bei piezoelektrischen Verbundwerkstoffen es ermöglichen, kinetische Energie zu nutzen & zu interpretieren.

Studien zur Verkleinerung von Leiterplatten

Auch im Bereich der Verkleinerung von Leiterplatten wurde umfangreich geforscht. Eine bemerkenswerte Studie aus dem Jahr 2020, veröffentlicht vom IEEE, untersuchte, wie elektronische Bauteile aufgrund der zunehmenden Dichte von Leiterplatten schrumpfen. 

Diese Forschung erkannte, dass kleinere diskrete passive Bauteile wie SMD‑Kondensatoren und -Widerstände vermehrt eingesetzt werden, und wies auf einen Trend zu Größen hin, die letztlich eine Vergrößerung erfordern würden. 

Sie behandelte zudem die Bedenken hinsichtlich Defekten in diesen Produkten und plädierte für die Anwendung geeigneter Leiterplattendesign‑Parameter bei der Bestimmung der Pad‑Geometrien. 

Die Ergebnisse betonten, dass kleinere Pad‑Geometrien eine entscheidende Rolle bei der Minderung von „Tombstoning“ spielen – einem Zustand, bei dem ein Kondensator oder Widerstand nur an einem Ende lötet, weil das Bauteil vertikal rotiert, was zu einem offenen Stromkreis führt. Die Forscher empfahlen außerdem, die Lötmaskierung zwischen den Pads zu entfernen, um fehlerfreie Ergebnisse zu erzielen. 

Über institutionelle und akademische Forschung hinaus investieren zahlreiche Unternehmen erheblich in diese Technologien und entwickeln effiziente Lösungen. Die folgenden Abschnitte untersuchen einige dieser Unternehmen und die innovativen Produkte, die sie entwickeln.

#1. ON Semiconductor

Die ON Semiconductor Corporation (ON ) hat im September 2016 Fairchild Semiconductor für 2,4 Mrd. US‑$ in bar erfolgreich übernommen. Zum Zeitpunkt der Übernahme war Fairchild stark im Bereich piezoelektrischer Stromwandler aktiv. Beispielsweise war ihr FAN8831‑Einzelchip‑piezoelektrischer Aktuator ein Produkt, das aus einem Aufwärts‑DC‑DC‑Wandler mit integriertem 36‑V‑Boost‑Schalter und einer Vollbrückenausgangsstufe bestand. 

Das Gerät konnte einen Piezo bidirektional mit 120 V Spitzen‑zu‑Spitzen aus einer einzelnen 3‑V‑Lithiumzelle antreiben. Es konnte im kritischen Leitungsmodus (CRM) arbeiten, optimiert für den Betrieb in einer gekoppelten Induktorkonfiguration, die Ausgangsspannungen über 60 V liefert. Die Lösung verfügte über Überspannungs‑ und Überstromschutz sowie eingebaute Möglichkeiten für thermische Abschaltungen, wenn nötig. 

Eine interne Schaltung ermöglicht den Vollbrückengate‑Treiber, sobald die Ausgangsspannung des Aufwärts‑DC‑DC‑Wandlers ein dem Hysterese‑Level entsprechendes Niveau erreicht. Externe Widerstände stellten die Boost‑Spannung ein, während die Aufwärts‑Strombegrenzung über den externen Widerstand am OCP‑Pin programmiert werden konnte. Die Ausgangs‑H‑Brücke verfügte über vier integrierte 75‑V‑P‑ und N‑Kanäle für die Sinuswellentreibung des Piezo‑Aktuators. 

Für das am 31. Dezember 2023 endende Geschäftsjahr verzeichnete ON Semiconductor einen Umsatz von 8,253 Mrd. US‑$, ein leichter Rückgang gegenüber dem Vorjahresumsatz von 8,326 Mrd. US‑$. Im letzten Jahr betrug das dem Unternehmen zurechenbare Nettoergebnis 2,183 Mrd. US‑$, ein leichter Anstieg gegenüber den 1,902 Mrd. US‑$ im Vorjahr. 

#2. Texas Instruments 

Ein weiterer industrietauglicher Piezo‑Treiber mit integriertem Boost‑Wandler stammt von Texas Instruments (TXN ). Das Produkt DRV2700 war ein Einzelchip‑Piezo‑Treiber mit integriertem 105‑V‑Boost‑Schalter, integrierter Leistungsdiode und voll differentiellen Verstärker. Das Gerät konnte aufgrund seiner inhärenten Vielseitigkeit sowohl Hoch‑ als auch Niederspannungs‑piezoelektrische Lasten treiben. Das Eingangssignal konnte differentiell oder einstufig, AC‑ oder DC‑gekoppelt sein. Das Gerät unterstützte vier GPIO‑gesteuerte Verstärkungen von 28,8 dB, 34,8 dB, 38,4 dB und 40,7 dB. 

Ähnlich wie bei der Lösung von ON Semiconductor erhöhen hier ebenfalls zwei externe Widerstände die Spannung. Es gibt zwei unabhängige Batterien. Eine wird vom Schalt‑Pin unterstützt, die andere vom VDD‑Pin. 

Dank der einzigartigen Boost‑Wandler‑Architektur des Produkts ist es möglich, die Leistung der DRV2700‑Schaltung für einen bestimmten Induktor zu optimieren. Da der Wandler stark von einer hysteretischen Architektur profitiert, können Schaltverluste minimiert und die Effizienz gesteigert werden. 

Das Gerät hat eine typische Anlaufzeit von 1,5 ms, wodurch es in der Lage ist, schnell aus dem Schlafmodus zu erwachen. Es verfügt über thermischen Überlastschutz, der es vor Schäden bei Übersteuerung schützt. 

Texas Instruments Incorporated und seine Tochtergesellschaften meldeten für das am 31. Dezember 2023 endende Geschäftsjahr einen Umsatz von 17,519 Mrd. US‑$, ein erheblicher Rückgang gegenüber dem Vorjahresumsatz von 20,028 Mrd. US‑$. Für das Geschäftsjahr 2023 betrug das verwässerte Ergebnis je Stammaktie US 7,07, während es für das Geschäftsjahr 2022 US 9,41 betrug. 

#3. Boreas Technologies

Das Produkt von Boreas Technologies mit dem Namen ‘BOS1901’ ist ein weiterer effizienter Einzelchip‑Piezo‑Aktuatortreiber, der von der patentierten capDrive‑Technologie des Unternehmens angetrieben wird und damit verbesserte Standards für die Energierückgewinnung bietet. Das Produkt kann Aktuatoren mit Wellenformen bis zu 190 V Spitze‑zu‑Spitze betreiben, während es mit einer Versorgungsspannung zwischen 3 V und 5,5 V arbeitet. 

Aufgrund seiner geringen Größe findet das Produkt Anwendung in einer Reihe von Endnutzerbereichen, in denen die Minimierung des Stromverbrauchs und der Wärmeabgabe erforderlich ist. 

Das Hochgeschwindigkeits‑SPI, das das Produkt in seinem Digital Front End verwendet, ermöglicht es, einen einzigen Kommunikationsbus unter mehreren Aktuatorsystemen zu teilen. Das Digital Front End erlaubt zudem, alle Einstellungen mit nur sieben passiven diskreten Bauteilen anzupassen. 

BOS1901 ist mit einer Reihe handelsüblicher Induktivitäten kompatibel. Es ist zudem für Systeme geeignet, die keinen Rückwärtsstrom verkraften. Der BOS1901 verfügt über einen unidirektionalen Stromanschluss. Bei Aktivierung verhält sich dieser Anschluss wie eine ohmsche Last, ohne die Energieeffizienz zu verringern. Der BOS1901 hat eine Anlaufzeit von weniger als 300 µs. Seine Latenz ist vernachlässigbar. 

Laut den neuesten verfügbaren Informationen schloss Boreas Technologies im November 2023 eine Finanzierungsrunde in Höhe von 12 Mio. US‑$ ab. Das Unternehmen hat beschlossen, die Mittel zu nutzen, um die Massenproduktion seiner ultra‑niedrig‑leistungs‑piezo‑haptischen Halbleiter für mobile, PC‑ und Automobilanwendungen zu beschleunigen. 

Kleine Wandler und ihre Vorteile

Ingenieure weltweit stellen sich der Herausforderung, Systemdesigns zu schaffen, die entweder kleiner sind oder mehr Funktionen innerhalb der bestehenden Abmessungen unterbringen. Um mehr auf Leiterplatten zu integrieren, ist die Erreichung einer höheren PCB‑Dichte entscheidend geworden. Dies führt jedoch zu mehr Komplexität für Designer, insbesondere bei der Durchführung von Leiterplatten‑Routing‑ und Layout‑Aufgaben. 

Der Antrieb, diese Hürden zu überwinden, hat zur Entwicklung von analogen Signal‑Ketten‑Produkten geführt, die Ingenieuren helfen, den Platz auf der Platine zu optimieren, ohne dabei Funktionen, Kosten, Einfachheit oder Robustheit zu opfern. Eine solche bemerkenswerte Erfindung sind Operationsverstärker, die mit nur wenigen passiven Bauteilen eine hohe Leistung und eine äußerst stabile Verstärkerschaltung gewährleisten. 

Die Operationsverstärker von Texas Instruments sind beispielsweise in 16 verschiedenen Gehäusen erhältlich, darunter die kleinsten Ein‑ und Vierkanal‑Gehäuse der Branche. Ebenso gibt es kleine Komparatoren, die mit zwei Eingängen, einem Ausgang und zwei Stromversorgungs‑Pins konzipiert sind und dazu dienen, Eingangsspannungen zu vergleichen und den Ausgang entsprechend anzupassen. Der kleinste Komparator der Branche passt in ein WCSP‑Gehäuse von 0,7 × 0,7 mm, das 4 % kleiner ist als Konkurrenzprodukte und bis zu 1,7 V arbeitet, was ihn ideal für platzkritische Designs wie Smartphones und andere tragbare oder batteriebetriebene Anwendungen macht. 

Kleinformatige Strom‑Messverstärker sind ebenfalls aufgetaucht, da die Nachfrage nach Systemintelligenz und Energieeffizienz steigt. Kritische Systeme benötigen bessere Überwachung. Diese Messung und Überwachung des Stroms ist möglich, indem man den Spannungsabfall über einen Shunt‑ oder Strom‑Messwiderstand erfasst. 

Mit Small‑Outline‑Transistoren, die nur 1,6 mm × 1,6 mm groß sind, konnten Strom‑Messverstärker entwickelt werden, die 40 % kleiner sind als die nächstgelegenen konkurrierenden bedrahteten Gehäuse. Diese Lösungen wurden für den Einsatz in platzbeschränkten Anwendungen konzipiert. 

Insgesamt haben Forschung und Entwicklung es ermöglicht, die PCB‑Fläche erheblich zu reduzieren, während die Kanaldichte erhöht und eine höhere Integration anderer Bauteile und Funktionen mit einem kleinen Datenwandler genutzt wird. Solche Entwicklungen führen zu mehr eingespartem Platz und effizienteren Designs. 

Da elektronische Geräte von Tag zu Tag immer kleiner werden und die Nachfrage nach neuen Funktionen steigt, werden diese Entwicklungen nur noch mehr Schwung gewinnen.