Réduction des cartes de circuits imprimés avec des convertisseurs d’énergie piézoélectriques

“Petit est Grand”, une phrase très populaire, a prouvé son mérite maintes fois. Les interventions technologiques qui ont amélioré notre quotidien deviennent plus petites, économisent de l’espace et augmentent l’efficacité. 

Dans l’une des dernières manifestations de cette intervention, des scientifiques de l’University of California San Diego et de CEA-Leti ont développé un convertisseur DC-DC à base de piézoélectricité à la pointe de la technologie et très sophistiqué qui pourrait unifier tous les commutateurs d’alimentation sur une seule puce. 

Commençons par examiner le mérite de cette innovation et pourquoi elle est saluée avec tant d’enthousiasme dans le monde scientifique. 

Un convertisseur à haute densité de puissance

Compresser le convertisseur sur une seule puce permet principalement d’augmenter la densité de puissance et crée de nouvelles dynamiques en combinant les avantages des convertisseurs piézoélectriques avec ceux des convertisseurs DC-DC à base de capacités. Cette technologie remplace les inducteurs volumineux d’autrefois et est prête à alimenter bientôt les smartphones, ordinateurs, fermes de serveurs, casques AR/VR, et plus encore.

D’autres avantages et qualités novatrices de cette solution ont été listés dans l’article intitulé « An Integrated Dual-Side Series/Parallel Piezoelectric Resonator-based 20-to-2.2V DC-DC Converter Achieving a 310% Loss Reduction ». Certains de ces bénéfices étaient les suivants :

• C’est le premier circuit intégré utilisé pour la conversion d’énergie basée sur la résonance PR. 
• La solution peut atteindre jusqu’à 310 % de réduction des pertes. 
• Le convertisseur peut offrir des performances améliorées à de faibles rapports de conversion de tension, maintenant une haute efficacité tout en utilisant les matériaux piézoélectriques de manière optimale. 
• Il est capable d’offrir des étages d’alimentation sophistiqués sur une petite surface comparé aux conceptions discrètes tout en permettant un fonctionnement efficace du dispositif à des rapports de conversion de tension inférieurs à 0,1.
• Comme le circuit intégré permet de consolider tous les commutateurs d’alimentation sur une seule puce, l’empreinte du PCB est réduite de façon significative. Il est également possible d’obtenir une précision de contrôle de phase améliorée.

Ces avantages s’accumulent pour former quelque chose de plus grand : ils réduisent non seulement la demande en matériau piézoélectrique mais permettent également à la communauté scientifique de produire des serveurs informatiques haute puissance, des systèmes automobiles, des chargeurs USB et des appareils alimentés par batterie avec le convertisseur DC-DC à faible gamme de VCR. 

Dispositifs efficaces de piézo-photomotion et de mesure de force statique

Les innovations techniques comme celle que nous venons de mentionner découlent d’une série constante de recherches sur le sujet. Par exemple, le numéro de décembre 2023 du journal Sensors and Actuators a présenté une étude qui a analysé la performance de piézo/photodiodes couplés sur puce, suggérant une approche numérique pour calculer l’efficacité mécanique des dispositifs piézo-photo motion. 

Ces dispositifs, intégrant des actionneurs piézoélectriques avec des cellules solaires en silicium, peuvent convertir l’énergie optique en énergie mécanique, les rendant adaptés aux micro‑ et nanorobots télécommandés. 

Les résultats ont indiqué que l’efficacité mécanique des dispositifs ne dépendait pas de la tension d’entrée et pouvait s’améliorer avec l’amincissement et la gravure du côté arrière.

De plus, une étude de 2021 a exploré le rôle des capteurs piézoélectriques dans la mesure des forces statiques, soulignant leur popularité dans les applications de mesure de force grâce à leur faible coût, réponse linéaire et haute sensibilité. Ces capteurs convertissent efficacement les forces dynamiques en signaux électriques.

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Études sur la réduction des cartes de circuits imprimés

En ce qui concerne l’aspect de la réduction des cartes de circuits imprimés, de nombreuses recherches ont également été menées dans ce domaine. Une étude notable de 2020, publiée par l’IEEE, a examiné comment les composants électroniques ont diminué à mesure que les cartes de circuits imprimés sont devenues plus denses. 

Cette recherche a reconnu le fait que les petits dispositifs passifs discrets comme les condensateurs et résistances montés en surface augmentaient en utilisation, soulignant une tendance vers des tailles qui nécessiteraient éventuellement une agrandissement. 

Elle a également abordé les problèmes de défauts dans ces produits, préconisant l’adoption de paramètres de conception de cartes de circuits imprimés appropriés pour déterminer les géométries des pastilles de la carte. 

Les résultats ont souligné que les géométries de pastilles plus petites jouent un rôle crucial dans l’atténuation du « tombstoning » — une condition où un condensateur ou une résistance ne se soude que d’un côté en raison de la rotation verticale du composant, entraînant un circuit ouvert. Les chercheurs ont également recommandé de retirer le masque de soudure entre les pastilles afin d’obtenir des résultats sans défauts. 

Au‑delà de la recherche institutionnelle et académique, de nombreuses entreprises investissent fortement dans ces technologies, élaborant des solutions efficaces. Les sections suivantes exploreront certaines de ces entreprises et les produits innovants qu’elles développent.

#1. ON Semiconductor

ON Semiconductor Corporation a acquis avec succès Fairchild Semiconductor pour 2,4 milliards de dollars en espèces en septembre 2016. Au moment de l’acquisition, Fairchild était très actif dans le domaine des convertisseurs d’énergie piézoélectriques. Par exemple, son actuateur piézoélectrique à puce unique FAN8831 était un produit qui consistait en un convertisseur DC-DC élévateur avec un commutateur boost intégré de 36 V et une étape de sortie à pont complet. 

Le dispositif pouvait piloter un piézo bidirectionnellement à 120 V crête‑à‑crête depuis une seule cellule lithium de 3 V. Il pouvait fonctionner en mode de conduction critique (CRM), optimisé pour rester fonctionnel dans une configuration d’inducteur couplé offrant des tensions de sortie supérieures à 60 V. La solution était dotée de protections contre les surtensions et les surintensités ainsi que de capacités intégrées pour des arrêts thermiques lorsque nécessaire. 

Une circuiterie interne active le pilote de porte du pont complet dès que la tension de sortie du convertisseur élévateur atteint un niveau compatible avec l’hystérésis. Des résistances externes aident à régler la tension boost, tandis que la limite de courant d’élévation peut être programmée via la résistance externe sur la broche OCP. Le pont‑H de sortie comporte quatre canaux P et N intégrés de 75 V pour l’alimentation sinusoïdale de l’actuateur piézo. 

Pour l’exercice clos le 31 décembre 2023, ON Semiconductor a enregistré un chiffre d’affaires de 8,253 milliards de dollars, une légère baisse par rapport aux 8,326 milliards de dollars de l’année précédente. Pour l’année la plus récente, le bénéfice net attribuable à ON Semiconductor s’élevait à 2,183 milliards de dollars, une légère hausse par rapport aux 1,902 milliards de dollars de l’exercice précédent. 

#2. Texas Instruments 

Un autre pilote piézo de niveau industriel avec un convertisseur boost intégré provient de la maison Texas Instruments. Le produit DRV2700 était un pilote piézo à puce unique avec un commutateur boost intégré de 105 V, une diode de puissance intégrée et un amplificateur différentiel complet. Le dispositif, grâce à sa polyvalence inhérente, pouvait piloter à la fois des charges piézoélectriques à haute tension et à basse tension. Le signal d’entrée pouvait être différentiel ou simple, couplé AC ou DC. Le dispositif supportait quatre gains contrôlés par GPIO, dont 28,8 dB, 34,8 dB, 38,4 dB et 40,7 dB. 

À l’instar de la solution d’ON Semiconductor, deux résistances externes augmentent la tension ici également. Il existe deux batteries indépendantes. L’une bénéficie du support de la broche de commutateur, tandis que l’autre de la broche VDD. 

Grâce à l’architecture unique du convertisseur boost du produit, il est possible d’optimiser les performances du circuit DRV2700 pour un inducteur donné. Puisque le convertisseur s’appuie fortement sur une architecture hystérétique, il est possible de minimiser les pertes de commutation et d’augmenter l’efficacité. 

Le dispositif possède un temps de démarrage typique de 1,5 ms, ce qui le rend suffisamment capable de sortir rapidement du mode veille. Il dispose de fonctions de protection contre les surcharges thermiques qui le protègent des dommages lorsqu’il est sur‑alimenté. 

Texas Instruments Incorporated et ses filiales ont publié un chiffre d’affaires de 17,519 milliards de dollars pour l’exercice clos le 31 décembre 2023, ce qui représente une baisse considérable par rapport aux 20,028 milliards de dollars de l’année précédente. Pour l’exercice 2023, le bénéfice dilué par action ordinaire était de 7,07 $, tandis que pour l’exercice 2022, il était de 9,41 $. 

#3. Boreas Technologies

Le produit de Boreas Technologies portant le nom de code « BOS1901 » est un autre pilote d’actionneur piézo à puce unique alimenté par la technologie brevetée capDrive de l’entreprise, ce qui entraîne des normes améliorées de récupération d’énergie. Le produit peut piloter des actionneurs avec des formes d’onde allant jusqu’à 190 V crête‑à‑crête tout en fonctionnant à une tension d’alimentation comprise entre 3 et 5,5 V. 

Grâce à sa petite taille, le produit trouve des applications dans une gamme de domaines finaux où la minimisation de la consommation d’énergie et de la dissipation thermique est indispensable. 

Le SPI haute vitesse que le produit utilise dans son Front End Numérique lui permet de partager un bus de communication unique parmi plusieurs systèmes d’actionneurs. Le Front End Numérique rend également possible le réglage de tous les paramètres avec seulement sept composants passifs discrets. 

Le BOS1901 est compatible avec une gamme d’inducteurs commerciaux prêts à l’emploi. Il est également efficace pour les systèmes qui ne sont pas équipés pour gérer le flux de courant inverse. Le BOS1901 possède une entrée d’alimentation unidirectionnelle. Lorsqu’activée, cette entrée d’alimentation fait que le pilote se comporte comme une charge résistive sans réduire l’efficacité énergétique. Le BOS1901 a un temps de démarrage inférieur à 300 microsecondes. Sa latence est négligeable.  

Selon le dernière information disponible, Boreas Technologies a clôturé une levée de fonds de 12 millions de dollars en novembre 2023. L’entreprise a décidé d’utiliser les fonds pour accélérer la production en grand volume de ses semi‑conducteurs piézo‑haptiques ultra‑faible consommation dans les applications mobiles, PC et automobiles.

Petits convertisseurs et leurs avantages

Des ingénieurs du monde entier s’attaquent au défi de créer des conceptions de systèmes soit plus petites, soit qui intègrent davantage de fonctionnalités dans les dimensions existantes. Pour accueillir davantage sur les cartes de circuits imprimés, atteindre une densité de PCB plus élevée est devenu crucial. Cela introduit toutefois davantage de complexités pour les concepteurs, notamment lors du routage et de la disposition des cartes. 

La volonté de surmonter ces obstacles a conduit au développement de produits de chaîne de signal analogique qui aide les ingénieurs à optimiser l’espace de la carte sans sacrifier les fonctionnalités, le coût, la simplicité ou la robustesse. Une invention notable est les amplificateurs opérationnels, qui assurent des performances élevées et un circuit d’amplification extrêmement stable avec seulement quelques composants passifs. 

Les amplificateurs opérationnels de Texas Instruments, par exemple, sont disponibles dans 16 boîtiers différents, incluant les plus petits boîtiers monoblocs et quadri‑canaux de l’industrie. De même, il existe de petits comparateurs conçus avec deux entrées, une sortie et deux broches d’alimentation, destinés à comparer les tensions d’entrée et à ajuster la sortie en conséquence. Le plus petit comparateur de l’industrie se loge dans un boîtier WCSP mesurant 0,7 × 0,7 mm, soit 4 % plus petit que les dispositifs concurrents et fonctionne jusqu’à 1,7 V, ce qui le rend idéal pour les conceptions critiques en espace comme les smartphones et autres applications portables ou alimentées par batterie. 

Des amplificateurs de détection de courant de petite taille sont également apparus avec la demande croissante d’intelligence système et d’efficacité énergétique. Les systèmes critiques nécessitent une meilleure surveillance. Cette mesure et surveillance du courant est possible en détectant la chute de tension à travers une résistance de shunt ou de détection de courant. 

Avec des transistors à petite empreinte mesurant aussi peu que 1,6 mm × 1,6 mm, il a été possible de créer des amplificateurs de détection de courant 40 % plus petits que leurs boîtiers à pattes concurrentes les plus proches. Ces solutions ont été conçues pour être utilisées dans des applications à contrainte d’espace. 

Dans l’ensemble, la recherche et le développement ont permis de réduire considérablement l’empreinte du PCB tout en augmentant la densité de canaux et en tirant parti d’une plus grande intégration d’autres composants et fonctionnalités avec un petit convertisseur de données. De tels développements entraîneront davantage d’espace économisé et des conceptions plus efficaces. 

Avec les gadgets électroniques devenant de plus en plus petits chaque jour et la demande de nouvelles fonctionnalités plus élevée, ces développements ne feront que gagner en ampleur.