पाइजोइलेक्ट्रिक पावर कन्वर्टर्स के साथ प्रिंटेड सर्किट बोर्ड का संकुचन

“छोटा बड़ा है,” एक व्यापक रूप से लोकप्रिय वाक्यांश, ने बार-बार अपनी महत्ता सिद्ध की है। हमारे दैनिक जीवन को बेहतर बनाने वाली तकनीकी हस्तक्षेप छोटे होते जा रहे हैं, जगह बचा रहे हैं, और दक्षता बढ़ा रहे हैं। 

ऐसे एक नवीनतम हस्तक्षेप में, कैलिफ़ोर्निया विश्वविद्यालय सैन डिएगो और CEA-Leti के वैज्ञानिकों ने एक अत्याधुनिक, अत्यधिक परिष्कृत पाइजोइलेक्ट्रिक-आधारित DC-DC कन्वर्टर विकसित किया जो सभी पावर स्विचों को एक ही चिप में एकीकृत कर सकता है। 

आइए इस नवाचार की महत्ता और वैज्ञानिक जगत में इसे इतनी उत्साहपूर्वक सराहा जाने के कारणों को देखें। 

उच्च शक्ति घनत्व वाला कन्वर्टर

कन्वर्टर को एक ही चिप में संकुचित करने से मुख्य रूप से शक्ति घनत्व बढ़ता है और यह piezoelectric कन्वर्टर्स के लाभों को कैपेसिटिव-आधारित DC-DC कन्वर्टर्स के साथ मिलाकर नई शक्ति गतिशीलता उत्पन्न करता है। यह तकनीक पहले के बड़े इंडक्टर्स को प्रतिस्थापित करती है और जल्द ही स्मार्टफ़ोन, कंप्यूटर, सर्वर फ़ार्म, AR/VR हेडसेट आदि को शक्ति प्रदान करने के लिए तैयार है। 

अधिक लाभ और इस समाधान की नई विशेषताओं को “An Integrated Dual-Side Series/Parallel Piezoelectric Resonator-based 20-to-2.2V DC-DC Converter Achieving a 310% Loss Reduction” शीर्षक वाले पेपर में सूचीबद्ध किया गया था। इन लाभों में से कुछ इस प्रकार थे:

• यह PR-आधारित पावर रूपांतरण के लिए उपयोग किया गया पहला एकीकृत सर्किट है। 
• यह समाधान 310% तक हानि में कमी प्राप्त कर सकता है। 
• कन्वर्टर कम वोल्टेज रूपांतरण अनुपात पर उन्नत प्रदर्शन प्रदान कर सकता है, उच्च दक्षता बनाए रखते हुए पाइजोइलेक्ट्रिक सामग्री का इष्टतम उपयोग करता है। 
• यह डिस्क्रीट डिज़ाइनों की तुलना में छोटे क्षेत्र में परिष्कृत पावर स्टेज प्रदान करने में सक्षम है, जबकि 0.1 से कम वोल्टेज रूपांतरण अनुपात पर कुशल डिवाइस संचालन को सक्षम बनाता है।
• चूँकि एकीकृत सर्किट सभी पावर स्विचों को एक ही चिप में समेकित कर सकता है, PCB का फुटप्रिंट काफी घट जाता है। यह उन्नत फेज‑कंट्रोल सटीकता भी प्राप्त कर सकता है।

ये लाभ सामूहिक रूप से एक बड़े परिणाम में बदलते हैं: वे न केवल पाइजोइलेक्ट्रिक सामग्री की मांग को कम करते हैं बल्कि वैज्ञानिक समुदाय को कम VCR रेंज वाले DC-DC कन्वर्टर के साथ हाई‑पावर कंप्यूटिंग सर्वर, ऑटोमोटिव सिस्टम, USB चार्जर और बैटरी‑पावर्ड डिवाइस बनाने में सक्षम बनाते हैं। 

कुशल पाइजो-फोटोमोशन और स्थैतिक बल मापन उपकरण

ऊपर उल्लेखित तकनीकी नवाचार लगातार चल रहे अनुसंधान श्रृंखला से उत्पन्न होते हैं। उदाहरण के तौर पर, Sensors and Actuators के दिसंबर 2023 अंक में एक अध्ययन प्रकाशित हुआ जिसमें ऑन‑चिप कपल्ड पाइजो/फोटोडायोड्स के प्रदर्शन का विश्लेषण किया गया और मैकेनिकल दक्षता की गणना के लिए एक संख्यात्मक दृष्टिकोण प्रस्तावित किया गया पाइजो-फ़ोटो मोशन डिवाइस। 

ये उपकरण, पाइजोइलेक्ट्रिक एक्ट्यूएटर को सिलिकॉन सोलर सेल के साथ एकीकृत करके, प्रकाश ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में बदलते हैं, जिससे वे रिमोट‑कंट्रोल्ड माइक्रो और नैनोरोबोट के लिए उपयुक्त बनते हैं। 

परिणामों से पता चला कि उपकरणों की मैकेनिकल दक्षता इनपुट वोल्टेज पर निर्भर नहीं करती और पतला करने तथा बैकसाइड एचिंग से इसे सुधारा जा सकता है।

इसके अलावा, 2021 का एक अध्ययन ने स्थैतिक बल मापने में पाइजोइलेक्ट्रिक सेंसर की भूमिका की जांच की, जिसमें कम लागत, रैखिक प्रतिक्रिया और उच्च संवेदनशीलता के कारण इन सेंसरों की लोकप्रियता को उजागर किया गया। ये सेंसर डायनामिक बलों को प्रभावी रूप से विद्युत संकेतों में परिवर्तित करते हैं।

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प्रिंटेड सर्किट बोर्ड के संकुचन पर अध्ययन

प्रिंटेड सर्किट बोर्ड के संकुचन के पहलू के संबंध में भी इस क्षेत्र में बहुत शोध हुआ है। IEEE द्वारा प्रकाशित 2020 का उल्लेखनीय अध्ययन ने इस बात की जांच की कि इलेक्ट्रॉनिक घटक कैसे छोटे होते जा रहे हैं क्योंकि इलेक्ट्रॉनिक प्रिंटेड सर्किट बोर्ड अधिक घने हो रहे हैं। 

इस शोध ने यह तथ्य स्वीकार किया कि छोटे डिस्क्रीट पैसिव डिवाइस जैसे सतह माउंट कैपेसिटर और रेज़िस्टर का उपयोग बढ़ रहा है, जिससे ऐसे आकारों की प्रवृत्ति उजागर हुई जो अंततः बढ़ोतरी की आवश्यकता रखेंगे। 

इसने इन उत्पादों में दोषों की चिंताओं को भी संबोधित किया, और बोर्ड पैड ज्योमेट्री निर्धारित करने में उपयुक्त प्रिंटेड सर्किट बोर्ड डिजाइन पैरामीटर अपनाने की वकालत की। 

परिणामों ने यह रेखांकित किया कि छोटे पैड ज्योमेट्री टॉम्बस्टोनिंग को कम करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं—एक ऐसी स्थिति जहाँ कैपेसिटर या रेज़िस्टर केवल एक सिरे से सोल्डर हो जाता है क्योंकि घटक का लंबवत घूर्णन होता है, जिससे सर्किट खुल जाता है। शोधकर्ताओं ने पैड के बीच सोल्डर मास्क हटाने की भी सिफारिश की ताकि दोष‑रहित परिणाम प्राप्त हों। 

संस्थागत और शैक्षणिक शोध के अलावा, कई कंपनियां इन तकनीकों में महत्वपूर्ण निवेश कर रही हैं और कुशल समाधान विकसित कर रही हैं। निम्नलिखित खंड इन कंपनियों और उनके नवाचारी उत्पादों की जांच करेंगे।

#1. ON Semiconductor

ON Semiconductor Corporation (ON ) सफलतापूर्वक अधिग्रहित किया Fairchild Semiconductor को सितंबर 2016 में 2.4 बिलियन अमेरिकी डॉलर नकद में। अधिग्रहण के समय, Fairchild पाइजोइलेक्ट्रिक पावर कन्वर्टर्स के क्षेत्र में अत्यधिक सक्रिय था। उदाहरण के लिए, उसका FAN8831 सिंगल-चिप पाइजोइलेक्ट्रिक एक्ट्यूएटर एक उत्पाद था जिसमें एक स्टेप‑अप DC‑DC कन्वर्टर, एकीकृत 36V बूस्ट स्विच और एक फुल‑ब्रिज आउटपुट स्टेज शामिल था। 

डिवाइस एक ही 3 V लिथियम सेल से 120 V पीक‑टू‑पीक तक द्विदिश रूप से पाइजो को ड्राइव कर सकता था। यह एक क्रिटिकल कंडक्शन मोड (CRM) में कार्य करता था, जो कपल्ड इंडक्टर कॉन्फ़िगरेशन में 60 V से ऊपर आउटपुट वोल्टेज प्रदान करने के लिए अनुकूलित था। समाधान में ओवरवोल्टेज‑और‑ओवरकरंट सुरक्षा, तथा आवश्यकतानुसार थर्मल शटडाउन क्षमताएँ भी शामिल थीं। 

एक आंतरिक सर्किट्री स्टेप‑अप DC‑DC कन्वर्टर के आउटपुट वोल्टेज के हाइस्टेरिसिस स्तर तक पहुँचने पर फुल‑ब्रिज गेट ड्राइवर को सक्रिय करती है। बाहरी रेज़िस्टर्स बूस्ट वोल्टेज सेट करने में मदद करते हैं, जबकि OCP पिन पर बाहरी रेज़िस्टर के माध्यम से स्टेप‑अप करंट लिमिट प्रोग्राम किया जा सकता है। आउटपुट H‑ब्रिज में चार एकीकृत 75 V P और N चैनल होते हैं जो पाइजो एक्ट्यूएटर के साइन वेव ड्राइव को सक्षम करते हैं। 

31 दिसंबर 2023 को समाप्त वित्तीय वर्ष के लिए ON Semiconductor ने 8.253 बिलियन अमेरिकी डॉलर की आय दर्ज की, जो पिछले वर्ष की 8.326 बिलियन अमेरिकी डॉलर की आय से हल्की गिरावट थी। उसी वर्ष की शुद्ध आय 2.183 बिलियन अमेरिकी डॉलर थी, जो पिछले वित्तीय वर्ष की 1.902 बिलियन अमेरिकी डॉलर से थोड़ी बढ़ी। 

#2. Texas Instruments 

एक अन्य उद्योग‑ग्रेड पाइजो ड्राइवर जिसमें एकीकृत बूस्ट कन्वर्टर था, Texas Instruments (TXN ) द्वारा विकसित किया गया। उत्पाद DRV2700 एक सिंगल‑चिप पाइजो ड्राइवर था जिसमें 105‑V बूस्ट स्विच, एकीकृत पावर डायोड और पूर्ण रूप से डिफरेंशियल एम्प्लीफ़ायर शामिल था। यह डिवाइस अपनी अंतर्निहित बहुमुखी प्रतिभा के कारण हाई‑वोल्टेज और लो‑वोल्टेज दोनों पाइजोइलेक्ट्रिक लोड को ड्राइव कर सकता था। इनपुट सिग्नल डिफरेंशियल या सिंगल‑एंडेड, AC या DC कपल्ड हो सकता था। डिवाइस चार GPIO‑नियंत्रित गेन सपोर्ट करता था, जिनमें 28.8 dB, 34.8 dB, 38.4 dB और 40.7 dB शामिल हैं। 

ON Semiconductor के समाधान की तरह, यहाँ भी दो बाहरी रेज़िस्टर्स वोल्टेज बूस्ट करते हैं। दो स्वतंत्र बैटरियों में से एक स्विच पिन का समर्थन करती है, जबकि दूसरी VDD पिन का। 

उत्पाद की विशिष्ट बूस्ट कन्वर्टर आर्किटेक्चर के कारण, किसी दिए गए इंडक्टर के लिए DRV2700 सर्किट के प्रदर्शन को अनुकूलित करना संभव है। चूँकि कन्वर्टर हाइस्टेरिसिस आर्किटेक्चर से भारी रूप से ऊर्जा लेता है, स्विचिंग लॉस को न्यूनतम किया जा सकता है और दक्षता बढ़ाई जा सकती है। 

डिवाइस का सामान्य स्टार्ट‑अप समय 1.5 ms है, जिससे यह शीघ्रता से स्लीप मोड से बाहर आ सकता है। इसमें थर्मल ओवरलोड प्रोटेक्शन फीचर भी है जो ओवरड्राइव होने पर नुकसान से बचाता है। 

Texas Instruments Incorporated और उसकी सहायक कंपनियों ने 17.519 बिलियन अमेरिकी डॉलर की आय 31 दिसंबर 2023 को समाप्त वित्तीय वर्ष के लिए दर्ज की, जो पिछले वर्ष की 20.028 बिलियन अमेरिकी डॉलर की आय से उल्लेखनीय गिरावट थी। FY 2023 के लिए डायल्यूटेड कमाई प्रति सामान्य शेयर 7.07 डॉलर थी, जबकि FY 2022 में यह 9.41 डॉलर थी। 

#3. Boreas Technologies

Boreas Technologies का उत्पाद जिसका टैग नाम ‘BOS1901’ है, एक और कुशल सिंगल‑चिप पाइजो एक्ट्यूएटर ड्राइवर है, जो कंपनी की पेटेंटेड capDrive तकनीक द्वारा संचालित है, जिससे ऊर्जा पुनर्प्राप्ति के मानक बढ़ते हैं। यह उत्पाद 3 से 5.5 V सप्लाई वोल्टेज पर कार्य करते हुए 190 V pk‑pk तक की वेवफ़ॉर्म के साथ एक्ट्यूएटर को ड्राइव कर सकता है। 

छोटे आकार के कारण, यह उत्पाद उन विभिन्न अंतिम‑उपयोग क्षेत्रों में प्रयुक्त होता है जहाँ पावर खपत और हीट डिसिपेशन को न्यूनतम करना आवश्यक होता है। 

उत्पाद द्वारा उपयोग किया गया हाई‑स्पीड SPI डिजिटल फ्रंट‑एंड को कई‑एक्ट्यूएटर सिस्टम में एक ही कम्युनिकेशन बस साझा करने की अनुमति देता है। डिजिटल फ्रंट‑एंड केवल सात पासिव डिस्क्रीट कंपोनेंट्स के साथ सभी सेटिंग्स को समायोजित करने में सक्षम बनाता है। 

BOS1901 विभिन्न वाणिज्यिक‑ऑफ़‑द‑शेल्फ इंडक्टर्स के साथ संगत है और उन सिस्टमों के लिए भी प्रभावी है जो रिवर्स करंट फ्लो को संभाल नहीं सकते। यह एक‑दिशात्मक पावर इनपुट के साथ आता है। सक्रिय होने पर यह पावर इनपुट ड्राइवर को रेज़िस्टिव लोड के रूप में व्यवहार कराता है, बिना पावर दक्षता को घटाए। BOS1901 का स्टार्ट‑अप समय 300 µs से कम है और इसकी लेटेंसी नगण्य है। 

सबसे नवीनतम उपलब्ध जानकारी के अनुसार, Boreas Technologies ने नवंबर 2023 में 12 मिलियन अमेरिकी डॉलर की फाइनेंसिंग राउंड पूरी की। कंपनी ने इन फंडों का उपयोग अपने अल्ट्रा‑लो‑पावर पाइजो हैप्टिक सेमीकंडक्टर्स के मोबाइल, पीसी और ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों में उच्च‑वॉल्यूम उत्पादन को तेज करने के लिए किया। 

छोटे कन्वर्टर और उनके लाभ

दुनिया भर के इंजीनियर छोटे सिस्टम डिज़ाइनों या मौजूदा आयामों में अधिक कार्यक्षमता को पैक करने की चुनौती का सामना कर रहे हैं। प्रिंटेड सर्किट बोर्ड पर अधिक जगह बनाने के लिए उच्च PCB घनत्व हासिल करना आवश्यक हो गया है। यह डिज़ाइनरों के लिए बोर्ड रूटिंग और लेआउट कार्यों को अधिक जटिल बनाता है। 

इन बाधाओं को पार करने की धक्का ने एनालॉग सिग्नल‑चेन उत्पादों के विकास को प्रेरित किया है, जो इंजीनियरों को बोर्ड स्पेस को अनुकूलित करने में मदद करते हैं बिना फीचर, लागत, सरलता या मजबूती का बलिदान किए। एक उल्लेखनीय आविष्कार ऑप‑ऐम्प्स हैं, जो कुछ ही पासिव कंपोनेंट्स के साथ उच्च प्रदर्शन और अत्यधिक स्थिर एम्प्लीफ़िकेशन सर्किट सुनिश्चित करते हैं। 

उदाहरण के लिए, Texas Instruments के ऑप‑ऐम्प्स 16 विभिन्न पैकेजों में उपलब्ध हैं, जिनमें उद्योग के सबसे छोटे सिंगल‑और क्वाड‑चैनल पैकेज शामिल हैं। इसी तरह दो इनपुट, एक आउटपुट और दो पावर‑सप्लाई पिन वाले छोटे कंपैरटर भी मौजूद हैं, जो इनपुट वोल्टेज की तुलना करके आउटपुट को समायोजित करते हैं। उद्योग में सबसे छोटा कंपैरटर WCSP पैकेज में 0.7 × 0.7 mm मापता है, जो प्रतिस्पर्धी डिवाइसों से 4 % छोटा है और 1.7 V तक कार्य करता है, जिससे यह स्मार्टफ़ोन और अन्य पोर्टेबल या बैटरी‑पावर्ड अनुप्रयोगों जैसे स्पेस‑क्रिटिकल डिज़ाइनों के लिए आदर्श बनता है। 

छोटे आकार के करंट‑सेंस ऐम्प्स भी सिस्टम इंटेलिजेंस और पावर दक्षता की बढ़ती मांग के साथ सामने आए हैं। महत्वपूर्ण सिस्टमों को बेहतर मॉनिटरिंग की आवश्यकता होती है। यह करंट का मापन शंट या करंट‑सेंस रेज़िस्टर के पार वोल्टेज ड्रॉप को सेंस करके संभव है। 

1.6 mm × 1.6 mm तक छोटे आकार के छोटे‑आउटलाइन ट्रांज़िस्टरों के साथ, करंट‑सेंस ऐम्प्स को उनके निकटतम प्रतिस्पर्धी लीडेड पैकेजों से 40 % छोटा बनाया गया है। ये समाधान स्पेस‑कंस्ट्रेन्ड अनुप्रयोगों के लिए डिज़ाइन किए गए हैं। 

समग्र रूप से, अनुसंधान और विकास ने PCB फुटप्रिंट को काफी घटाते हुए चैनल घनत्व बढ़ाने और छोटे डेटा कन्वर्टर के साथ अन्य कंपोनेंट्स और फीचर्स के उच्च इंटीग्रेशन का लाभ उठाने को संभव बना दिया है। ऐसे विकास अधिक जगह बचाएंगे और अधिक कुशल डिज़ाइन लाएंगे। 

इलेक्ट्रॉनिक गैजेट्स हर दिन छोटे और छोटे होते जा रहे हैं और नई सुविधाओं की मांग बढ़ रही है, इन विकासों की गति और भी तेज़ होगी।