Piirilevyjen kutistaminen piezoelektristen virtamuuntimien avulla

“Pieni on suuri,” laajalti suosittu sanonta, on osoittanut arvonsa yhä uudelleen. Teknologiset interventiot, jotka ovat parantaneet päivittäistä elämäämme, muuttuvat yhä pienemmiksi, säästävät tilaa ja lisäävät tehokkuutta. 

Yhdessä viimeisimmistä tällaisista interventioista kalvossa, Kalifornian yliopiston San Diegon ja CEA-Letin tutkijat kehittivät huippuluokan, erittäin kehittyneen piezoelektriseen perustuvan DC-DC-muuntimen, joka voisi yhdistää kaikki virtakytkimet yhdeksi siruksi. 

Aloitetaan tarkastelemalla tämän innovaation arvoa ja sitä, miksi sitä ylistetään suurella innolla tieteellisessä maailmassa. 

Korkean tehopitoisuuden muunnin

Muuntimen pakkaaminen yhdeksi siruksi lisää ensisijaisesti tehopitoisuutta ja luo uusia tehodynamiikkoja yhdistämällä piezoelektristen muuntimien edut kapasitiivisiin DC-DC-muuntimiin. Tämä teknologia korvaa aiemmat kömpelöt induktorit ja on valmis pian virtaamaan älypuhelimissa, tietokoneissa, palvelinkeskuksissa, AR/VR-laitteissa ja muissa.

Lisää etuja ja uudenlaisia ominaisuuksia tästä ratkaisusta lueteltiin artikkelissa, jonka otsikko on “An Integrated Dual-Side Series/Parallel Piezoelectric Resonator-based 20-to-2.2V DC-DC Converter Achieving a 310% Loss Reduction.” Joitakin näistä eduista olivat seuraavat:

• Se on ensimmäinen integroidun piirin käyttö PR-pohjaisessa virtamuunnoksessa. 
• Ratkaisu pystyi saavuttamaan jopa 310 % häviöiden vähennyksen. 
• Muunnin pystyi tarjoamaan parannettua suorituskykyä alhaisilla jännitesuhteilla, säilyttäen korkean hyötysuhteen hyödyntäen piezoelektrisiä materiaaleja optimaalisesti. 
• Se kykenee tarjoamaan kehittyneitä virtatasoja pienellä alueella verrattuna erillisiin rakenteisiin, samalla mahdollistaen tehokkaan laitteen toiminnan jännitesuhteilla alle 0.1.
• Koska integroidun piirin avulla kaikki virtakytkimet voidaan yhdistää yhdeksi siruksi, piirilevyn jalanjälki pienenee merkittävästi. Lisäksi voidaan saavuttaa tarkempi vaiheohjaus.

Nämä edut kasaantuvat yhdessä suuremmaksi kokonaisuudeksi: ne eivät ainoastaan vähennä piezoelektrisen materiaalin kysyntää, vaan myös antavat tieteelliselle yhteisölle mahdollisuuden tuottaa korkean tehon laskentapalvelimia, autoteollisuuden järjestelmiä, USB-latureita ja akkukäyttöisiä laitteita matalan VCR-alueen DC-DC-muuntimella. 

Tehokkaat piezo-fotokineettiset ja staattisen voiman mittauslaitteet

Tekniset innovaatiot, kuten yllä mainittu, perustuvat johdonmukaiseen tutkimusketjuun aiheesta. Esimerkiksi Sensors and Actuators -lehden joulukuun 2023 numero esitteli tutkimuksen, jossa analysoitiin sirulle integroitujen piezo/fotodiodien suorituskykyä, ehdottaen numeerista lähestymistapaa mekaanisen hyötysuhteen laskemiseksi piezo-fotokineettiset laitteet. 

Nämä laitteet, jotka yhdistävät piezoelektriset toimilaitteet piisirukselle, voivat muuntaa optisen energian mekaaniseksi energiaksi, mikä tekee niistä sopivia kauko-ohjattuihin mikro- ja nanorobotteihin. 

Tulokset osoittivat, että laitteiden mekaaninen hyötysuhde ei riippunut syöttöjännitteestä ja se voi parantua ohennuksen ja takapuolen etsaamisen myötä.

Lisäksi vuonna 2021 tehty tutkimus tutki piezoelektristen antureiden roolia staattisten voimien mittaamisessa, korostaen niiden suosiota voimamittaus sovelluksissa niiden alhaisen kustannuksen, lineaarisen vasteen ja korkean herkkyyden vuoksi. Nämä anturit muuntavat dynaamiset voimat tehokkaasti sähköisiksi signaaleiksi.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miten piezoelektristen komposiittien edistysaskeleet mahdollistavat kineettisen energian hyödyntämisen ja tulkitsemisen.

Tutkimuksia piirilevyjen kutistamisesta

Mitä tulee piirilevyjen kutistamiseen, myös tällä alalla on tehty paljon tutkimusta. Merkittävä vuodelta 2020 IEEE:n julkaisema tutkimus syventyi siihen, miten elektroniset komponentit ovat kutistuneet, kun elektroniset piirilevyt ovat tiheämpiä. 

Tämä tutkimus tunnusti sen, että pienemmät erilliset passiiviset laitteet, kuten pintaliitoskondensaattorit ja -vastukset, ovat yleistymässä, osoittaen trendiä kohti kokoja, jotka lopulta vaativat suurennusta. 

Se käsitteli myös näiden tuotteiden vikojen huolia, suositellen sopivien piirilevyjen suunnitteluparametrien käyttöä lautanpohjien geometriassa. 

Tulokset korostivat, että pienemmät pad-geometriat ovat ratkaisevassa roolissa tombstoningin ehkäisemisessä – tilanne, jossa kondensaattori tai vastus juottuu vain toiseen päähän komponentin pystysuoran kierron vuoksi, aiheuttaen avoimen piirin. Tutkijat suosittelivat myös juotosmaskin poistamista padien välistä vikattomien tulosten saavuttamiseksi. 

Instituutio- ja akateemisen tutkimuksen lisäksi lukuisat yritykset investoivat merkittävästi näihin teknologioihin kehittäen tehokkaita ratkaisuja. Seuraavissa osioissa tarkastellaan joitakin näistä yrityksistä ja heidän kehittämiään innovatiivisia tuotteita.

#1. ON Semiconductor

ON Semiconductor Corporation (ON ) onnistui hankkimaan Fairchild Semiconductorin 2,4 miljardin dollarin käteisostolla syyskuussa 2016. Ostohetkellä Fairchild oli erittäin aktiivinen piezoelektristen virtamuuntimien alalla. Esimerkiksi sen FAN8831 -yksisirun piezoelektrinen toimilaite oli tuote, joka koostui step-up DC-DC-muuntimesta, jossa oli integroitu 36 V:n nostokytkin ja täysi silta -lähtövaihe. 

Laite pystyi ohjaamaan piezoa kaksisuuntaisesti 120 V:n huippu‑huippu -jännitteellä yhdestä 3 V:n litiumparistosta. Se saattoi toimia kriittisessä johtumistilassa (CRM), optimoituna toimimaan kytketyn induktorikonfiguraation kanssa, tarjoten lähtöjännitteitä yli 60 V. Ratkaisu sisälsi ylijännite- ja ylivirtasuojauksen sekä sisäänrakennetut mahdollisuudet lämpökatkaisuun tarpeen mukaan. 

Sisäinen piiri mahdollistaa täyssillan porttiajurin, kun step-up DC-DC-muuntimen lähtöjännite saavuttaa hysteresis‑tasolle sopivan tason. Ulkoiset vastukset auttoivat asettamaan nostojännitteen, kun taas step-up virran raja voidaan ohjelmoida ulkoisella vastuksella OCP‑nastassa. Lähtö‑H‑silta sisälsi neljä integroitua 75 V:n P‑ ja N‑kanavaa piezo‑toimilaitteen siniaaltoajoon. 

Vuodelle, joka päättyi 31. joulukuuta 2023, ON Semiconductor rekisteröi liikevaihdon 8,253 miljardia Yhdysvaltain dollaria, mikä on lievä lasku edellisen vuoden 8,326 miljardista dollaria. Viimeiselle vuodelle ON Semiconductorin nettotulos oli 2,183 miljardia dollaria, mikä on pieni nousu edellisen tilikauden 1,902 miljardista dollaria. 

#2. Texas Instruments 

Toinen teollisuustason piezo‑ajuri, jossa on integroitu nostokytkin, tuli Texas Instrumentsilta. Tuote DRV2700 oli yksisirun piezo‑ajuri, jossa oli integroitu 105 V:n nostokytkin, integroitu virtadiodi ja täysin differentiaalinen vahvistin. Laitteen sisäisen monipuolisuuden ansiosta se pystyi ohjaamaan sekä korkean että matalan jännitteen piezoelektrisiä kuormia. Sisääntulossa signaali saattoi olla differentiaalinen tai yksipää, AC‑ tai DC‑kytketty. Laite tuki neljää GPIO‑ohjattua vahvistusta, mukaan lukien 28,8 dB, 34,8 dB, 38,4 dB ja 40,7 dB. 

Samankaltaisesti kuin ON Semiconductorin ratkaisussa, myös täällä kaksi ulkoista vastusta nostavat jännitettä. Siellä on kaksi itsenäistä virtalähdettä. Yksi saa tukea kytkin‑nastasta, kun taas toinen VDD‑nastasta. 

Tuotteen ainutlaatuisen nostomuunttimen arkkitehtuurin ansiosta DRV2700‑piirin suorituskyky voidaan optimoida tietylle induktorille. Koska muunnin hyödyntää voimakkaasti hysteresis‑arkkitehtuuria, on mahdollista minimoida kytkentähäviöt ja lisätä hyötysuhdetta. 

Laitteella on tyypillinen käynnistysaika 1,5 ms, mikä tekee siitä riittävän kykenevän heräämään nopeasti lepotilasta. Siinä on lämpöylikuormituksen suojatoiminnot, jotka suojaavat sitä vaurioilta ylikäytön aikana. 

Texas Instruments Incorporated (TXN ) ja sen tytäryhtiöt ilmoittivat liikevaihdoksi 17,519 miljardia Yhdysvaltain dollaria vuodelle, joka päättyi 31. joulukuuta 2023, mikä oli merkittävä lasku edellisen vuoden 20,028 miljardista dollaria. Vuodelle 2023 laimennettu tulos per tavallinen osake oli 7,07 dollaria, kun taas vuonna 2022 se oli 9,41 dollaria. 

#3. Boreas Technologies

Boreas Technologiesin tuotteen, jonka merkintä on ‘BOS1901’, on toinen tehokas yksisirun piezo‑toimilaiteajuri, jota virtalähteenä käyttää yrityksen patentoitu capDrive‑teknologia, mikä parantaa energian talteenoton tasoa. Tuote voi ohjata toimilaitteita, joiden aaltomuodot nousevat jopa 190 V‑huippu‑huippuun, toimien 3–5,5 V:n syöttöjännitteellä. 

Pienen koonsa ansiosta tuote löytää sovelluksia monilla loppukäyttöalueilla, joissa virrankulutuksen ja lämmönhajotuksen minimointi on välttämätöntä. 

Tuotteen käyttämä nopea SPI Digital Front End -rajapinnassa mahdollistaa yhden kommunikaatioväylän jakamisen monitoimilaitejärjestelmissä. Digital Front End myös mahdollistaa kaikkien asetusten säätämisen vain seitsemällä passiivisella diskreetillä komponentilla. 

BOS1901 on yhteensopiva useiden kaupallisten, hyllyltä otettavien induktoreiden kanssa. Se on myös tehokas järjestelmissä, jotka eivät ole varustettu käänteisen virran käsittelyyn. BOS1901:ssa on yksisuuntainen virtasyöttö. Kun se on aktivoitu, tämä virtasyöttö saa ajurin käyttäytymään resistiivisenä kuormana ilman, että tehohäviöitä syntyy. BOS1901:n käynnistysaika on alle 300 mikrosekuntia. Sen viive on merkityksetön. 

Viimeisimpien saatavilla olevien tietojen mukaan Boreas Technologies sulki 12 miljoonan dollarin rahoituskierroksen marraskuussa 2023. Yritys päätti käyttää varat nopeuttaakseen ultra-matalta teholtaan piezo‑haptisten puolijohteiden massatuotantoa mobiili-, PC- ja autoteollisuuden sovelluksissa. 

Pienet muuntimet ja niiden hyödyt

Insinöörit ympäri maailmaa kohtaavat haasteen luoda järjestelmäsuunnitelmia, jotka ovat joko pienempiä tai pakkaavat enemmän toimintoja olemassa oleviin mittoihin. Jotta piirilevyille mahtuisi enemmän, korkeamman PCB‑tiheyden saavuttaminen on tullut ratkaisevaksi. Tämä kuitenkin tuo lisää monimutkaisuutta suunnittelijoille, erityisesti piirilevyn reitityksen ja asettelun toteuttamisessa. 

Pyrkimys voittaa nämä esteet on johtanut analogisten signaaliketjujen tuotteiden kehittämiseen, jotka auttavat insinöörejä optimoimaan levyn tilaa tinkimättä ominaisuuksista, kustannuksista, yksinkertaisuudesta tai kestävyydestä. Yksi tällainen merkittävä keksintö on operaatioamplitudi, joka takaa korkean suorituskyvyn ja äärimmäisen vakaan vahvistuspiirin vain muutamalla passiivisella komponentilla. 

Esimerkiksi Texas Instrumentsin operaatioamplitudit ovat saatavilla 16 eri paketissa, joihin sisältyvät alan pienimmät yksikanava- ja nelikanavapaketit. Samoin on olemassa pieniä vertailijoita, jotka on suunniteltu kahdella sisääntulolla, yhdellä ulostulolla ja kahdella virtalähde‑nastalla, ja jotka vertaavat sisääntulon jännitteitä ja säätävät ulostuloa sen mukaisesti. Alan pienin vertailija mahtuu WCSP‑pakettiin, jonka koko on 0,7 × 0,7 mm, mikä on 4 % pienempi kuin kilpailevat laitteet, ja se toimii alkaen 1,7 V:sta, mikä tekee siitä ihanteellisen tilaa vaativiin suunnitelmiin, kuten älypuhelimiin ja muihin kannettaviin tai akkukäyttöisiin sovelluksiin. 

Pienikokoiset virran‑tunnistus‑vahvistimet ovat myös nousseet esiin järjestelmäälyn ja energiatehokkuuden kasvavan kysynnän myötä. Kriittiset järjestelmät vaativat parempaa valvontaa. Virran mittaaminen ja valvonta on mahdollista havaitsemalla jännitehäviö shuntin tai virran‑tunnistusvastuksen yli. 

Pienten muotoisten transistoreiden, joiden koko on jopa 1,6 mm × 1,6 mm, avulla on onnistuttu kehittämään virran‑tunnistus‑vahvistimia, jotka ovat 40 % pienempiä kuin lähimmät kilpailevat liittimelliset paketit. Nämä ratkaisut on suunniteltu käytettäväksi tilarajoitteisissa sovelluksissa. 

Kaiken kaikkiaan tutkimus ja kehitys ovat mahdollistaneet merkittävän PCB‑jalanjäljen pienentämisen samalla kun kanavitiheys kasvaa ja hyödynnetään suurempaa muiden komponenttien ja ominaisuuksien integraatiota pienellä datamuuntimella. Tällaiset kehitykset johtavat enemmän tilaa säästäviin ja tehokkaampiin suunnitelmiin. 

Kun elektroniset laitteet muuttuvat yhä pienemmiksi päivä päivältä ja uusien ominaisuuksien kysyntä kasvaa, nämä kehitykset keräävät vain yhä enemmän vauhtia.