Reduciendo las placas de circuito impreso con convertidores de energía piezoeléctrica

“Pequeño es grande,” una frase muy popular, ha demostrado su valía una y otra vez. Las intervenciones tecnológicas que han mejorado nuestra vida diaria se están volviendo más pequeñas, ahorrando espacio y aumentando la eficiencia. 

En una de las últimas instancias de una intervención de este tipo, científicos de la Universidad de California San Diego y CEA-Leti desarrollaron un convertidor DC-DC basado en piezoelectricidad de vanguardia y altamente sofisticado que podría unificar todos los interruptores de energía en un solo chip. 

Comencemos analizando el valor de esta innovación y por qué está siendo aclamada con tanto entusiasmo en el mundo científico. 

Un Convertidor de Alta Densidad de Potencia

Comprimir el convertidor en un solo chip logra principalmente una mayor densidad de potencia y genera nuevas dinámicas de energía al combinar los beneficios de los convertidores piezoeléctricos con los de los convertidores DC-DC basados en capacitancia. Esta tecnología reemplaza a los inductores voluminosos anteriores y está preparada para alimentar pronto smartphones, computadoras, granjas de servidores, cascos de AR/VR y más.

Ventajas adicionales y cualidades novedosas de esta solución se enumeraron en el artículo titulado “Un Convertidor DC-DC de 20 a 2,2 V basado en resonador piezoeléctrico de doble cara serie/paralelo integrado que logra una reducción de pérdidas del 310 %” . Algunos de estos beneficios fueron los siguientes:

• Es el primer circuito integrado utilizado para la conversión de energía basada en PR. 
• La solución podría lograr una reducción de pérdidas de hasta el 310 %. 
• El convertidor podría ofrecer un rendimiento mejorado en relaciones de conversión de bajo voltaje, manteniendo alta eficiencia mientras utiliza los materiales piezoeléctricos de manera óptima. 
• Es capaz de ofrecer etapas de potencia sofisticadas en un área pequeña en comparación con diseños discretos, al tiempo que permite una operación eficiente del dispositivo en relaciones de conversión de voltaje inferiores a 0,1.
• Dado que el circuito integrado permite consolidar todos los interruptores de energía en un solo chip, la huella de la PCB se reduce significativamente. También es posible lograr una mayor precisión en el control de fase.

Estos beneficios se combinan en algo mayor: no solo reducen la demanda de material piezoeléctrico, sino que también permiten a la comunidad científica producir servidores de computación de alta potencia, sistemas automotrices, cargadores USB y dispositivos alimentados por batería con el convertidor DC-DC de rango VCR bajo. 

Dispositivos Eficientes de Piezo-Fotomoción y Medición de Fuerza Estática

Innovaciones técnicas como la que mencionamos anteriormente provienen de una cadena constante de investigación sobre el tema. Por ejemplo, la edición de diciembre de 2023 de Sensors and Actuators presentó un estudio que analizó el rendimiento de piezo/fotodiodos acoplados en chip, sugiriendo un enfoque numérico para calcular la eficiencia mecánica de dispositivos de piezo-fotomoción. 

Estos dispositivos, que integran actuadores piezoeléctricos con células solares de silicio, pueden convertir energía óptica en energía mecánica, lo que los hace adecuados para micro y nanorobots controlados de forma remota. 

Los hallazgos indicaron que la eficiencia mecánica de los dispositivos no dependía del voltaje de entrada y podía mejorar con el afinado y el grabado de la cara posterior.

Además, un estudio de 2021 exploró el papel de los sensores piezoeléctricos en la medición de fuerzas estáticas, destacando su popularidad en aplicaciones de medición de fuerza debido a su bajo costo, respuesta lineal y alta sensibilidad. Estos sensores convierten eficientemente fuerzas dinámicas en señales eléctricas.

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Estudios sobre la reducción de placas de circuito impreso

En lo que respecta al aspecto de la reducción de placas de circuito impreso, también se ha realizado mucha investigación en ese campo. Un estudio notable de 2020, publicado por el IEEE, profundizó en cómo los componentes electrónicos se han reducido como resultado de que las placas de circuito impreso electrónicas se vuelvan más densas. 

Esta investigación reconoció el hecho de que los dispositivos pasivos discretos más pequeños, como los condensadores y resistores de montaje superficial, estaban aumentando su uso, señalando una tendencia hacia tamaños que eventualmente requerirían ampliación. 

También abordó las preocupaciones sobre defectos en estos productos, abogando por la adopción de parámetros de diseño de placas de circuito adecuados al determinar las geometrías de los pads de la placa. 

Los hallazgos subrayaron que las geometrías de pads más pequeñas juegan un papel crítico en la mitigación del “tombstoning”, una condición donde un condensador o resistor se suelda solo en un extremo debido a la rotación vertical del componente, lo que genera un circuito abierto. Los investigadores también recomendaron eliminar la máscara de soldadura entre los pads para lograr resultados sin defectos. 

Más allá de la investigación institucional y académica, numerosas empresas están invirtiendo significativamente en estas tecnologías, desarrollando soluciones eficientes. Los siguientes segmentos explorarán algunas de estas compañías y los productos innovadores que están desarrollando.

#1. ON Semiconductor

ON Semiconductor Corporation adquirió con éxito a Fairchild Semiconductor por US$2.4 mil millones en efectivo en septiembre de 2016. En el momento de la adquisición, Fairchild estaba muy activa en el campo de los convertidores de energía piezoeléctrica. Por ejemplo, su actuador piezoeléctrico de un solo chip FAN8831 era un producto que consistía en un convertidor DC-DC elevador con un interruptor de impulso de 36 V integrado y una etapa de salida de puente completo. 

El dispositivo podía impulsar un piezo bidireccionalmente a 120 V pico a pico a partir de una única celda de litio de 3 V. Podía operar en modo de conducción crítica (CRM), optimizado para mantenerse funcional en una configuración de inductor acoplado que ofrece voltajes de salida superiores a 60 V. La solución incluía protección contra sobrevoltaje y sobrecorriente y capacidades integradas para apagados térmicos cuando fueran necesarios. 

Un circuito interno permite el controlador de puerta de puente completo cuando el voltaje de salida del convertidor DC-DC elevador alcanza un nivel acorde con la histéresis. Resistencias externas ayudaban a establecer el voltaje de impulso, mientras que el límite de corriente del elevador podía programarse mediante la resistencia externa en el pin OCP. El puente H de salida contaba con cuatro canales integrados de 75 V P y N para la conducción de onda sinusoidal del actuador piezo. 

Para el año que finalizó el 31 de diciembre de 2023, ON Semiconductor registró unos ingresos de US$8.253 mil millones, una ligera disminución respecto a los ingresos del año anterior de US$8.326 mil millones. Para el último año, la utilidad neta atribuible a ON Semiconductor fue de US$2.183 mil millones, un leve aumento respecto a los US$1.902 mil millones del ejercicio fiscal anterior. 

#2. Texas Instruments 

Otro controlador de piezo de nivel industrial con un convertidor de impulso integrado provino de Texas Instruments. El producto DRV2700 era un controlador de piezo de un solo chip con un interruptor de impulso integrado de 105 V, diodo de potencia integrado y amplificador totalmente diferencial. El dispositivo, gracias a su versatilidad inherente, podía impulsar cargas piezoeléctricas tanto de alto como de bajo voltaje. La señal de entrada podía ser diferencial o de un solo extremo, acoplada en AC o DC. El dispositivo soportaba cuatro ganancias controladas por GPIO, incluyendo 28,8 dB, 34,8 dB, 38,4 dB y 40,7 dB.

Similar al solución de ON Semiconductor, dos resistencias externas aumentan el voltaje aquí también. Hay dos baterías independientes. Una cuenta con el soporte del pin de conmutación, mientras que la otra tiene el del pin VDD. 

Debido a la arquitectura única del convertidor de impulso del producto, es posible optimizar el rendimiento del circuito DRV2700 para un inductor dado. Dado que el convertidor se basa en gran medida en una arquitectura histérica, es posible minimizar las pérdidas de conmutación y aumentar la eficiencia. 

El dispositivo tiene un tiempo de arranque típico de 1,5 ms, lo que lo hace suficientemente capaz de salir del modo de suspensión rápidamente. Cuenta con funciones de protección contra sobrecarga térmica que lo protegen de daños cuando se sobreimpulsa. 

Texas Instruments Incorporated y sus subsidiarias registraron unos ingresos de US$17.519 mil millones para el año que finalizó el 31 de diciembre de 2023, lo que representó una considerable disminución respecto a los ingresos del año anterior de US$20.028 mil millones. Para el ejercicio fiscal 2023, las ganancias diluidas por acción ordinaria fueron de US$7,07, mientras que para el ejercicio fiscal 2022 fueron de US$9,41. 

#3. Boreas Technologies

El producto de Boreas Technologies con el nombre de etiqueta ‘BOS1901’ es otro controlador de actuador piezo de un solo chip eficiente que funciona con la tecnología patentada capDrive de la compañía, lo que resulta en estándares mejorados de recuperación de energía. El producto puede impulsar actuadores con formas de onda de hasta 190 V pico a pico mientras opera con una tensión de alimentación entre 3 y 5,5 V.

Debido a su pequeño tamaño, el producto se aplica en una variedad de áreas de uso final donde la minimización del consumo de energía y la disipación de calor es una necesidad. 

El SPI de alta velocidad que el producto utiliza en su Front End Digital le permite compartir un único bus de comunicación entre sistemas de múltiples actuadores. El Front End Digital también hace posible ajustar todas las configuraciones con solo siete componentes discretos pasivos. 

BOS1901 es compatible con una variedad de inductores comerciales estándar. También es eficaz para sistemas que no están equipados para manejar flujo de corriente inversa. El BOS1901 viene con una entrada de energía unidireccional. Cuando se activa, esta entrada hace que el controlador se comporte como una carga resistiva sin reducir la eficiencia energética. BOS1901 tiene un tiempo de arranque inferior a 300 microsegundos. Su latencia es insignificante. 

Según la información más reciente disponible, Boreas Technologies cerró una ronda de financiación de US$12 millones en noviembre de 2023. La compañía decidió utilizar los fondos para acelerar la producción a gran escala de sus semiconductores piezo hápticos de ultra bajo consumo en aplicaciones móviles, de PC y automotrices. 

Convertidores Pequeños y sus Beneficios

Ingenieros de todo el mundo están abordando el desafío de crear diseños de sistemas que sean más pequeños o que empaqueten más funcionalidades dentro de las dimensiones existentes. Para acomodar más en las placas de circuito impreso, lograr una mayor densidad de PCB se ha vuelto crucial. Sin embargo, esto introduce más complejidades para los diseñadores, particularmente en la realización de tareas de ruteo y diseño de la placa. 

El impulso para superar estos obstáculos ha llevado al desarrollo de productos de cadena de señal analógica que ayudan a los ingenieros a optimizar el espacio de la placa sin sacrificar características, costo, simplicidad o robustez. Una invención notable es el amplificador operacional, que garantiza un alto rendimiento y un circuito de amplificación sumamente estable con solo unos pocos componentes pasivos. 

Los amplificadores operacionales de Texas Instruments, por ejemplo, están disponibles en 16 paquetes diferentes, que incluyen los paquetes de un solo canal y de cuatro canales más pequeños de la industria. De manera similar, existen comparadores pequeños diseñados con dos entradas, una salida y dos pines de alimentación, creados para comparar voltajes de entrada y ajustar la salida en consecuencia. El comparador más pequeño de la industria cabe en un paquete WCSP de 0,7 × 0,7 mm, lo que es un 4 % más pequeño que los dispositivos competidores y opera hasta 1,7 V, lo que lo hace ideal para diseños críticos de espacio como smartphones y otras aplicaciones portátiles o alimentadas por batería. 

Los amplificadores de detección de corriente de tamaño reducido también han aparecido con la creciente demanda de inteligencia de sistemas y eficiencia energética. Los sistemas críticos requieren una mejor monitorización. Esta medición y monitorización de corriente es posible al detectar la caída de voltaje a través de una resistencia shunt o de detección de corriente. 

Con transistores de paquete pequeño (SOT) que miden tan solo 1,6 mm × 1,6 mm, ha sido posible crear amplificadores de detección de corriente que son un 40 % más pequeños que sus paquetes con pines más competitivos. Estas soluciones se han diseñado para su uso en aplicaciones con espacio limitado. 

En conjunto, la investigación y el desarrollo han hecho posible reducir considerablemente la huella de la PCB mientras se aumenta la densidad de canales y se aprovecha una mayor integración de otros componentes y funciones con un pequeño convertidor de datos. Tales desarrollos resultarán en más espacio ahorrado y diseños más eficientes. 

Con los dispositivos electrónicos haciéndose cada vez más pequeños día a día y la demanda de nuevas funciones en aumento, estos desarrollos solo ganarán más y más impulso.