Συρρίκνωση Εκτυπωμένων Κυκλωμάτων με Πιεζοηλεκτρικούς Μετατροπείς Ισχύος

“Μικρό είναι Μεγάλο,” μια ευρέως δημοφιλής φράση, έχει αποδείξει την αξία της ξανά και ξανά. Οι τεχνολογικές παρεμβάσεις που έχουν βελτιώσει την καθημερινή μας ζωή γίνονται όλο και μικρότερες, εξοικονομούν χώρο και αυξάνουν την αποδοτικότητα. 

Σε μία από τις πιο πρόσφατες περιπτώσεις μιας τέτοιας παρέμβασης, επιστήμονες του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνια Σαν Ντιέγκο και του CEA-Leti ανέπτυξαν έναν υπερσύγχρονο, εξαιρετικά εξελιγμένο μετατροπέα DC-DC βασισμένο σε πιεζοηλεκτρικό υλικό που θα μπορούσε να ενοποιήσει όλα τα διακόπτες ισχύος σε ένα μόνο τσιπ. 

Ας ξεκινήσουμε εξετάζοντας την αξία αυτής της καινοτομίας και γιατί λαμβάνει τόσο ενθουσιώδη αποδοχή στην επιστημονική κοινότητα. 

Μετατροπέας Υψηλής Πυκνότητας Ισχύος

Η συμπίεση του μετατροπέα σε ένα μόνο τσιπ επιτυγχάνει κυρίως αυξημένη πυκνότητα ισχύος και δημιουργεί νέες δυναμικές ισχύος συνδυάζοντας τα πλεονεκτήματα των πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων με εκείνα των μετατροπέων DC-DC βασισμένων σε χωρητικότητα. Αυτή η τεχνολογία αντικαθιστά τους προηγούμενους ογκώδεις πηνίους και είναι έτοιμη σύντομα να τροφοδοτήσει smartphones, υπολογιστές, αγροκτήματα διακομιστών, ακουστικά AR/VR και άλλα.

Περαιτέρω πλεονεκτήματα και νέες ιδιότητες αυτής της λύσης αναφέρονται στην εργασία με τίτλο «Ένας ολοκληρωμένος διπλής πλευράς σειράς/παράλληλου πιεζοηλεκτρικού ταλαντωτή-βασισμένος μετατροπέας DC-DC 20-προς-2,2V που επιτυγχάνει μείωση απώλειας 310%». Μερικά από αυτά τα οφέλη ήταν τα εξής:

• Αυτή είναι η πρώτη ολοκληρωμένη κυκλώματος που χρησιμοποιείται για μετατροπή ισχύος βασισμένη σε PR. 
• Η λύση θα μπορούσε να επιτύχει μείωση απώλειας έως 310%. 
• Ο μετατροπέας θα μπορούσε να προσφέρει βελτιωμένη απόδοση σε χαμηλούς λόγους μετατροπής τάσης, διατηρώντας υψηλή αποδοτικότητα ενώ αξιοποιεί βέλτιστα τα πιεζοηλεκτρικά υλικά. 
• Είναι ικανός να προσφέρει εξελιγμένα στάδια ισχύος σε μικρή περιοχή σε σύγκριση με διακριτικά σχέδια, ενώ επιτρέπει αποδοτική λειτουργία της συσκευής σε λόγους μετατροπής τάσης μικρότερους του 0,1.
• Δεδομένου ότι το ολοκληρωμένο κύκλωμα καθιστά δυνατή τη συγκέντρωση όλων των διακοπτών ισχύος σε ένα μόνο τσιπ, το αποτύπωμα του PCB μειώνεται σημαντικά. Είναι επίσης δυνατό να επιτευχθεί βελτιωμένη ακρίβεια ελέγχου φάσης.

Αυτά τα οφέλη συλλογικά συνθέτουν κάτι μεγαλύτερο: δεν μειώνουν μόνο τη ζήτηση για πιεζοηλεκτρικό υλικό, αλλά επίσης ενδυναμώνουν την επιστημονική κοινότητα να παράγει διακομιστές υψηλής ισχύος, αυτοκινητοβιομηχανικά συστήματα, φορτιστές USB και συσκευές τροφοδοτούμενες από μπαταρία με τον μετατροπέα DC-DC χαμηλού εύρους VCR. 

Αποτελεσματικές Συσκευές Πιεζο-Φωτοκίνησης και Μέτρησης Στατικών Δυνάμεων

Τεχνικές καινοτομίες όπως αυτή που αναφέραμε παραπάνω προέρχονται από μια συνεχή σειρά ερευνών στο θέμα. Για παράδειγμα, το τεύχος Δεκεμβρίου 2023 του Sensors and Actuators παρουσίασε μια μελέτη που ανέλυσε την απόδοση των ενσωματωμένων συνδεδεμένων πιεζο/φωτοδιόδων, προτείνοντας μια αριθμητική προσέγγιση για τον υπολογισμό της μηχανικής αποδοτικότητας των συσκευών πιεζο-φωτοκίνησης. 

Αυτές οι συσκευές, που ενσωματώνουν πιεζοηλεκτρικούς ενεργοποιητές με ημιαγωγικά ηλιακά κύτταρα, μπορούν να μετατρέπουν την οπτική ενέργεια σε μηχανική, καθιστώντας τες κατάλληλες για μικρο- και νανορομπότ ελεγχόμενα απομακρυσμένα. 

Τα ευρήματα έδειξαν ότι η μηχανική αποδοτικότητα των συσκευών δεν εξαρτάται από την τάση εισόδου και μπορεί να βελτιωθεί με την αραίωση και την οξυγόνωση του πίσω μέρους. 

Επιπλέον, μια μελέτη του 2021 διερεύνησε το ρόλο των πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων στη μέτρηση στατικών δυνάμεων, υπογραμμίζοντας τη δημοτικότητά τους σε εφαρμογές μέτρησης δυνάμεων λόγω του χαμηλού κόστους, της γραμμικής απόκρισης και της υψηλής ευαισθησίας τους. Αυτοί οι αισθητήρες μετατρέπουν αποτελεσματικά τις δυναμικές δυνάμεις σε ηλεκτρικά σήματα.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε πώς οι προόδους στα πιεζοηλεκτρικά σύνθετα καθιστούν δυνατή τη συλλογή & ερμηνεία της κινητικής ενέργειας.

Μελέτες για τη Συρρίκνωση Εκτυπωμένων Κυκλωμάτων

Όσον αφορά τη συρρίκνωση των εκτυπωμένων κυκλωμάτων, έχει πραγματοποιηθεί επίσης πολύ έρευνα σε αυτόν τον τομέα. Μία σημαντική μελέτη του 2020, που δημοσιεύτηκε από το IEEE, ερεύνησε πώς τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα έχουν μειωθεί σε μέγεθος ως αποτέλεσμα της αυξημένης πυκνότητας των εκτυπωμένων κυκλωμάτων.

Αυτή η έρευνα αναγνώρισε το γεγονός ότι μικρότερες διακριτές παθητικές συσκευές όπως οι επιφανειακοί πυκνωτές και αντιστάτες αυξάνονταν στη χρήση, εντοπίζοντας μια τάση προς μεγέθη που τελικά θα απαιτούσαν μεγέθυνση. 

Ανέλυσε επίσης τις ανησυχίες για ελαττώματα σε αυτά τα προϊόντα, προωθώντας την υιοθέτηση κατάλληλων παραμέτρων σχεδίασης εκτυπωμένων κυκλωμάτων για τον καθορισμό των γεωμετριών των pads του πίνακα. 

Τα ευρήματα τόνισαν ότι οι μικρότερες γεωμετρίες των pads παίζουν κρίσιμο ρόλο στη μείωση του φαινομένου tombstoning — μια κατάσταση όπου ένας πυκνωτής ή αντιστάτης συγκολλάται μόνο σε μία άκρη λόγω της κάθετης περιστροφής του εξαρτήματος, οδηγώντας σε ανοιχτό κύκλωμα. Οι ερευνητές συνέστησαν επίσης την αφαίρεση της μάσκας σόλβας μεταξύ των pads για την επίτευξη αποτελεσμάτων χωρίς ελαττώματα. 

Πέρα από την θεσμική και ακαδημαϊκή έρευνα, πολλές επιχειρήσεις επενδύουν σημαντικά σε αυτές τις τεχνολογίες, δημιουργώντας αποδοτικές λύσεις. Τα επόμενα τμήματα θα εξετάσουν ορισμένες από αυτές τις εταιρείες και τα καινοτόμα προϊόντα που αναπτύσσουν.

#1. ON Semiconductor

ON Semiconductor Corporation (ON ) εξαπέλυσε με επιτυχία την εξαγορά Fairchild Semiconductor για 2,4 δισεκατομμύρια δολάρια μετρητών τον Σεπτέμβριο 2016. Κατά τη στιγμή της εξαγοράς, η Fairchild ήταν πολύ ενεργή στον τομέα των πιεζοηλεκτρικών μετατροπέων ισχύος. Για παράδειγμα, το FAN8831 μονο-τσιπ πιεζοηλεκτρικό ενεργοποιητή ήτανε ένα προϊόν που αποτελούνταν από έναν step-up μετατροπέα DC-DC με ενσωματωμένο διακόπτη ενίσχυσης 36V και στάδιο εξόδου πλήρους γεφυροδίου.

Η συσκευή μπορούσε να οδηγήσει ένα Piezo διπλής κατεύθυνσης στα 120V κορυφή-προς-κορυφή από μία μόνο κυψέλη λιθίου 3V. Μπορούσε να λειτουργήσει σε κρίσιμη λειτουργία αγωγής (CRM), βελτιστοποιημένη ώστε να παραμένει λειτουργική σε διαμορφωμένη διαμόρφωση επαγωγέα που προσφέρει τάσεις εξόδου πάνω από 60V. Η λύση περιλάμβανε προστασία υπερτάσης και υπερρεύματος καθώς και ενσωματωμένες δυνατότητες θερμικής διακοπής όταν απαιτείται.

Ένα εσωτερικό κύκλωμα ενεργοποιεί τον οδηγό πυλών πλήρους γεφυροδίου όταν η τάση εξόδου του step-up μετατροπέα DC-DC φθάνει σε επίπεδο σύμφωνο με την υστέρηση. Εξωτερικά αντιστάτες βοήθησαν στον καθορισμό της τάσης ενίσχυσης, ενώ το όριο ρεύματος step-up μπορούσε να προγραμματιστεί μέσω του εξωτερικού αντιστάτη στην ακροδέκτη OCP. Η έξοδος H-bridge περιείχε τέσσερα ενσωματωμένα κανάλια 75V P και N για την οδήγηση κυματομορφής ημιτόνου του ενεργοποιητή Piezo.

Για το οικονομικό έτος που έληξε στις 31 Δεκεμβρίου 2023, η ON Semiconductor κατέγραψε έσοδα 8,253 δισεκατομμυρίων δολαρίων, μια μικρή πτώση σε σχέση με τα έσοδα του προηγούμενου έτους των 8,326 δισεκατομμυρίων δολαρίων. Για το τελευταίο έτος, το καθαρό εισόδημα που αποδίδεται στην ON Semiconductor ανήλθε σε 2,183 δισεκατομμύρια δολάρια, μια μικρή αύξηση σε σχέση με τα 1,902 δισεκατομμύρια δολάρια του προηγούμενου οικονομικού έτους.

#2. Texas Instruments 

Ένας άλλος βιομηχανικός οδηγός piezo με ενσωματωμένο μετατροπέα ενίσχυσης προήλθε από την Texas Instruments (TXN ). Το product DRV2700 ήταν ένας μονο-τσιπ οδηγός piezo με ενσωματωμένο διακόπτη ενίσχυσης 105V, ενσωματωμένη διόδο δύναμης και πλήρως διαφορικό ενισχυτή. Η συσκευή, λόγω της εγγενούς ευελιξίας της, μπορούσε να τροφοδοτήσει τόσο φορτία υψηλής όσο και χαμηλής τάσης. Το σήμα εισόδου μπορούσε να είναι διαφορικό ή μονοπλεύρο, συνδεδεμένο AC ή DC. Η συσκευή υποστήριζε τέσσερις ενισχύσεις ελεγχόμενες από GPIO, συμπεριλαμβανομένων των 28,8 dB, 34,8 dB, 38,4 dB και 40,7 dB.

Παρόμοια με τη λύση της ON Semiconductor, δύο εξωτερικοί αντιστάτες ενισχύουν την τάση και εδώ. Υπάρχουν δύο ανεξάρτητες μπαταρίες. Μία υποστηρίζεται από την ακροδέκτη διακόπτη, ενώ η άλλη από την ακροδέκτη VDD.

Λόγω της μοναδικής αρχιτεκτονικής του μετατροπέα ενίσχυσης του προϊόντος, είναι δυνατόν να βελτιστοποιηθεί η απόδοση του κυκλώματος DRV2700 για έναν συγκεκριμένο επαγωγέα. Δεδομένου ότι ο μετατροπέας βασίζεται έντονα σε υστέρηση, είναι δυνατόν να ελαχιστοποιηθούν οι απώλειες εναλλαγής και να αυξηθεί η αποδοτικότητα.

Η συσκευή έχει τυπικό χρόνο εκκίνησης 1,5 ms, καθιστώντας την ικανή να βγει γρήγορα από την κατάσταση ύπνου. Διαθέτει χαρακτηριστικά προστασίας από θερμική υπερφόρτωση που την προστατεύουν από ζημιά όταν υπερφορτώνεται.

Η Texas Instruments Incorporated και οι θυγατρικές της ανακοίνωσαν έσοδα 17,519 δισεκατομμυρίων δολαρίων για το οικονομικό έτος που έληξε στις 31 Δεκεμβρίου 2023, κάτι που ήταν σημαντική πτώση σε σχέση με τα έσοδα του προηγούμενου έτους των 20,028 δισεκατομμυρίων δολαρίων. Για το οικονομικό έτος 2023, τα αραίωση κέρδη ανά κοινή μετοχή ανήλθαν σε 7,07 δολάρια, ενώ για το 2022 ήταν 9,41 δολάρια.

#3. Boreas Technologies

Το προϊόν της Boreas Technologies με την ετικέτα ‘BOS1901’ είναι ένας άλλος αποδοτικός οδηγός μονο-τσιπ πιεζο-ενεργοποιητή που τροφοδοτείται από την πατενταρισμένη τεχνολογία capDrive της εταιρείας, με αποτέλεσμα βελτιωμένα πρότυπα ανάκτησης ενέργειας. Το προϊόν μπορεί να τροφοδοτήσει ενεργοποιητές με κυματομορφές έως 190 Vpk-pk ενώ λειτουργεί από τάση τροφοδοσίας μεταξύ 3 και 5,5 V.

Λόγω του μικρού του μεγέθους, το προϊόν βρίσκει εφαρμογή σε μια σειρά τελικών περιοχών χρήσης όπου η ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ενέργειας και της απώλειας θερμότητας είναι απαραίτητη.

Το υψηλής ταχύτητας SPI που χρησιμοποιεί το προϊόν στο Digital Front End του επιτρέπει να μοιράζεται ένα ενιαίο δίαυλο επικοινωνίας μεταξύ πολλαπλών συστημάτων ενεργοποιητών. Το Digital Front End επίσης καθιστά δυνατή τη ρύθμιση όλων των παραμέτρων με μόνο επτά παθητικά διακριτά εξαρτήματα.

Το BOS1901 είναι συμβατό με μια σειρά εμπορικών έτοιμων επαγωγέων. Είναι επίσης αποτελεσματικό για συστήματα που δεν είναι εξοπλισμένα για διαχείριση αντίστροφης ροής ρεύματος. Το BOS1901 διαθέτει μονόδρομη είσοδο ισχύος. Όταν ενεργοποιείται, αυτή η είσοδος κάνει τον οδηγό να συμπεριφέρεται ως αντιστατική φόρτιση χωρίς να μειώνει την αποδοτικότητα της ισχύος. Το BOS1901 έχει χρόνο εκκίνησης λιγότερο από 300 μικροδευτερόλεπτα. Η καθυστέρησή του είναι αμελητέα. 

Σύμφωνα με τις τελευταίες διαθέσιμες πληροφορίες, η Boreas Technologies ολοκλήρωσε μια χρηματοδοτική γύρο 12 εκατομμυρίων δολαρίων τον Νοέμβριο 2023. Η εταιρεία αποφάσισε να χρησιμοποιήσει τα κεφάλαια για να επιταχύνει την παραγωγή υψηλού όγκου των υπερ-χαμηλής ισχύος πιεζο-απτικού ημιαγωγών της σε κινητές συσκευές, υπολογιστές και αυτοκινητοβιομηχανικές εφαρμογές.

Μικροί Μετατροπείς και τα Οφέλη τους

Οι μηχανικοί σε όλο τον κόσμο αντιμετωπίζουν την πρόκληση της δημιουργίας σχεδίων συστημάτων που είναι είτε μικρότερα είτε ενσωματώνουν περισσότερες λειτουργίες εντός των υφιστάμενων διαστάσεων. Για να φιλοξενηθεί περισσότερα στα εκτυπωμένα κυκλώματα, η επίτευξη υψηλότερης πυκνότητας PCB έχει γίνει κρίσιμη. Αυτό, ωστόσο, εισάγει περισσότερες πολυπλοκότητες για τους σχεδιαστές, ιδιαίτερα στην εκτέλεση δρομολόγησης και σχεδίασης του πίνακα.

Η ώθηση για την υπέρβαση αυτών των εμποδίων οδήγησε στην ανάπτυξη προϊόντων αλυσίδας αναλογικού σήματος που βοηθούν τους μηχανικούς να βελτιστοποιήσουν τον χώρο του πίνακα χωρίς να θυσιάζουν τις λειτουργίες, το κόστος, την απλότητα ή την ανθεκτικότητα. Μία τέτοια αξιοσημείωτη εφεύρεση είναι τα Op amps, που εξασφαλίζουν υψηλή απόδοση και εξαιρετικά σταθερό κύκλωμα ενίσχυσης με λίγα μόνο παθητικά εξαρτήματα.

Τα Op amps της Texas Instruments, για παράδειγμα, διατίθενται σε 16 διαφορετικές συσκευασίες, οι οποίες περιλαμβάνουν τις μικρότερες στην βιομηχανία μονο- και τετρακάναλο συσκευασίες. Παρομοίως, υπάρχουν μικροί συγκριτές σχεδιασμένοι με δύο εισόδους, μία έξοδο και δύο ακροδέκτες τροφοδοσίας, που ονομάζονται για τη σύγκριση των τάσεων εισόδου και την προσαρμογή της εξόδου αναλόγως. Ο μικρότερος συγκριτής στη βιομηχανία χωράει σε συσκευασία WCSP διαστάσεων 0,7×0,7 mm, που είναι 4% μικρότερος από τα ανταγωνιστικά προϊόντα και λειτουργεί μέχρι 1,7 V, καθιστώντας τον ιδανικό για σχεδιασμούς κρίσιμους για χώρο όπως smartphones και άλλες φορητές ή μπαταρία-τροφοδοτούσες εφαρμογές.

Τα μικρού μεγέθους current-sense amps έχουν επίσης εμφανιστεί με την αυξανόμενη ζήτηση για ευφυή συστήματα και αποδοτικότητα ισχύος. Τα κρίσιμα συστήματα απαιτούν καλύτερη παρακολούθηση. Η μέτρηση και παρακολούθηση του ρεύματος είναι δυνατή με την ανίχνευση της πτώσης τάσης σε έναν shunt ή αντίσταση current-sense.

Με τρανζίστορ μικρού προφίλ που μετράνε έως 1,6 mm × 1,6 mm, ήταν δυνατόν να δημιουργηθούν ενισχυτές current-sense που είναι 40% μικρότεροι από τα πιο κοντινά ανταγωνιστικά πακέτα με ακροδέκτες. Αυτές οι λύσεις έχουν σχεδιαστεί για χρήση σε εφαρμογές με περιορισμένο χώρο.

Συνολικά, η έρευνα και η ανάπτυξη έχουν καταστήσει δυνατή τη σημαντική μείωση του αποτυπώματος PCB ενώ αυξάνουν την πυκνότητα καναλιών και αξιοποιούν υψηλότερη ενσωμάτωση άλλων εξαρτημάτων και λειτουργιών με έναν μικρό μετατροπέα δεδομένων. Τέτοιες εξελίξεις θα οδηγήσουν σε εξοικονόμηση περισσότερου χώρου και πιο αποδοτικά σχέδια.

Καθώς τα ηλεκτρονικά gadget γίνονται όλο και μικρότερα κάθε μέρα και η ζήτηση για νέες λειτουργίες αυξάνεται, αυτές οι εξελίξεις θα αποκτήσουν όλο και μεγαλύτερη ορμή.