Mengecilkan Papan Sirkuit Cetak dengan Konverter Daya Piezoelektrik

“Small is Big,” sebuah frasa yang sangat populer, telah membuktikan nilainya berulang kali. Intervensi teknologi yang membuat kehidupan sehari-hari kita lebih baik kini menjadi lebih kecil, menghemat ruang, dan meningkatkan efisiensi. 

Dalam salah satu contoh terbaru dari intervensi semacam itu, ilmuwan di University of California San Diego dan CEA-Leti mengembangkan konverter DC-DC berbasis piezoelektrik yang mutakhir dan sangat canggih yang dapat menyatukan semua saklar daya ke dalam satu chip. 

Mari kita mulai dengan melihat nilai inovasi ini dan mengapa ia dipuji dengan antusiasme tinggi di dunia ilmiah. 

Konverter dengan Kepadatan Daya Tinggi

Menyatukan konverter ke dalam satu chip terutama menghasilkan peningkatan kepadatan daya dan menciptakan dinamika daya baru dengan menggabungkan manfaat konverter piezoelektrik dengan konverter DC-DC berbasis kapasitif. Teknologi ini menggantikan induktor besar sebelumnya dan siap segera memberi daya pada smartphone, komputer, pusat server, headset AR/VR, dan lainnya.

Keuntungan lebih lanjut dan kualitas baru dari solusi ini tercantum dalam makalah berjudul, “An Integrated Dual-Side Series/Parallel Piezoelectric Resonator-based 20-to-2.2V DC-DC Converter Achieving a 310% Loss Reduction.” Beberapa manfaat tersebut antara lain:

• Ini adalah sirkuit terintegrasi pertama yang digunakan untuk konversi daya berbasis PR. 
• Solusi ini dapat mencapai pengurangan kerugian hingga 310%. 
• Konverter dapat memberikan kinerja yang ditingkatkan pada rasio konversi tegangan rendah, mempertahankan efisiensi tinggi sambil memanfaatkan material piezoelektrik secara optimal. 
• Ia mampu menawarkan tahapan daya yang canggih dalam area kecil dibandingkan dengan desain terpisah sekaligus memungkinkan operasi perangkat yang efisien pada rasio konversi tegangan kurang dari 0.1.
• Karena sirkuit terintegrasi memungkinkan konsolidasi semua saklar daya ke dalam satu chip, jejak PCB berkurang secara signifikan. Hal ini juga memungkinkan pencapaian presisi kontrol fase yang lebih tinggi.

Manfaat-manfaat ini secara kolektif berkembang menjadi sesuatu yang lebih besar: mereka tidak hanya mengurangi permintaan material piezoelektrik tetapi juga memberdayakan komunitas ilmiah untuk menghasilkan server komputasi berdaya tinggi, sistem otomotif, charger USB, dan perangkat berbaterai dengan konverter DC-DC rentang VCR rendah. 

Perangkat Pengukuran Gerak Piezo-Foto yang Efisien dan Pengukuran Gaya Statis

Inovasi teknis seperti yang kami sebutkan di atas berasal dari rangkaian penelitian yang konsisten tentang subjek ini. Misalnya, edisi Desember 2023 dari Sensors and Actuators menampilkan sebuah studi yang menganalisis kinerja piezo/photodiode yang terhubung pada chip, menyarankan pendekatan numerik untuk menghitung efisiensi mekanik dari perangkat gerak piezo-foto. 

Perangkat ini, yang mengintegrasikan aktuator piezoelektrik dengan sel surya silikon, dapat mengubah energi optik menjadi energi mekanik, menjadikannya cocok untuk mikrorobot dan nanorobot yang dikendalikan dari jarak jauh. 

Temuan menunjukkan bahwa efisiensi mekanik perangkat tidak bergantung pada tegangan masukan dan dapat meningkat dengan penipisan serta etsa sisi belakang.

Selanjutnya, sebuah studi tahun 2021 mengeksplorasi peran sensor piezoelektrik dalam mengukur gaya statis, menyoroti popularitasnya dalam aplikasi pengukuran gaya karena biaya rendah, respons linier, dan sensitivitas tinggi. Sensor-sensor ini secara efisien mengubah gaya dinamis menjadi sinyal listrik.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana kemajuan dalam komposit piezoelektrik memungkinkan penangkapan & interpretasi energi kinetik.

Studi tentang Mengecilkan Papan Sirkuit Cetak

Mengenai aspek pengecilan papan sirkuit cetak, banyak penelitian juga telah dilakukan di bidang tersebut. Sebuah studi penting dari tahun 2020, yang dipublikasikan oleh IEEE, menyelidiki bagaimana komponen elektronik telah mengecil sebagai akibat dari papan sirkuit cetak elektronik yang menjadi lebih padat.

Penelitian ini mengakui fakta bahwa perangkat pasif diskrit yang lebih kecil seperti kapasitor dan resistor surface-mount semakin banyak digunakan, menandai tren menuju ukuran yang pada akhirnya memerlukan pembesaran.

Penelitian ini juga membahas kekhawatiran tentang cacat pada produk-produk ini, menganjurkan penerapan parameter desain papan sirkuit cetak yang tepat dalam menentukan geometri pad papan.

Temuan menekankan bahwa geometri pad yang lebih kecil memainkan peran penting dalam mengurangi fenomena tombstoning—suatu kondisi di mana kapasitor atau resistor hanya menyolder pada satu ujung karena rotasi vertikal komponen, yang menyebabkan sirkuit terbuka. Peneliti juga merekomendasikan penghilangan solder mask di antara pad untuk mencapai hasil bebas cacat.

Selain penelitian institusional dan akademik, banyak perusahaan secara signifikan berinvestasi dalam teknologi ini, merancang solusi yang efisien. Segmen berikut akan mengeksplorasi beberapa perusahaan tersebut dan produk inovatif yang mereka kembangkan.

#1. ON Semiconductor

ON Semiconductor Corporation (ON ) berhasil mengakuisisi Fairchild Semiconductor senilai US$2,4 miliar tunai pada September 2016. Pada saat akuisisi, Fairchild sangat aktif di bidang konverter daya piezoelektrik. Misalnya, FAN8831 aktuator piezoelektrik satu chip miliknya adalah produk yang terdiri dari konverter DC-DC step-up dengan saklar boost terintegrasi 36V dan tahap output jembatan penuh. 

Perangkat ini dapat menggerakkan Piezo secara dua arah pada 120V puncak-ke-puncak dari satu sel litium 3 V. Ia dapat beroperasi dalam mode konduksi kritis (CRM), dioptimalkan untuk tetap berfungsi dalam konfigurasi induktor terkopel yang menawarkan tegangan output di atas 60 V. Solusi ini dilengkapi dengan perlindungan overvoltage dan overcurrent serta kemampuan bawaan untuk melakukan pemadaman termal bila diperlukan. 

Sirkuit internal memungkinkan driver gerbang full-bridge ketika tegangan output konverter DC-DC step-up mencapai level yang sesuai dengan hysteresis. Resistor eksternal membantu mengatur tegangan boost, sementara batas arus step-up dapat diprogram melalui resistor eksternal pada pin OCP. H-bridge output memiliki empat kanal terintegrasi 75 V P dan N untuk menggerakkan aktuator Piezo dengan gelombang sinus. 

Untuk tahun yang berakhir pada 31 Desember 2023, ON Semiconductor mencatat pendapatan sebesar US$8,253 miliar, sedikit turun dari pendapatan tahun sebelumnya sebesar US$8,326 miliar. Untuk tahun terbaru, laba bersih yang dapat diatribusikan kepada ON Semiconductor sebesar US$2,183 miliar, sedikit meningkat dari US$1,902 miliar pada tahun fiskal sebelumnya. 

#2. Texas Instruments 

Driver piezo kelas industri lainnya dengan konverter boost terintegrasi berasal dari Texas Instruments (TXN ). Produk DRV2700 adalah driver piezo satu chip dengan saklar boost terintegrasi 105-V, diode daya terintegrasi, dan amplifier diferensial penuh. Perangkat ini, berkat fleksibilitasnya yang melekat, dapat menggerakkan beban piezoelektrik bertegangan tinggi maupun rendah. Sinyal masukan dapat berupa diferensial atau single-ended, terhubung AC atau DC. Perangkat ini mendukung empat penguatan yang dikendalikan GPIO, termasuk 28,8dB, 34,8dB, 38,4dB, dan 40,7dB.

Serupa dengan solusi ON Semiconductor, dua resistor eksternal juga meningkatkan tegangan di sini. Terdapat dua baterai independen. Satu didukung oleh pin saklar, sementara yang lain didukung oleh pin VDD.

Berkat arsitektur konverter boost unik produk ini, dimungkinkan mengoptimalkan kinerja rangkaian DRV2700 untuk induktor tertentu. Karena konverter ini banyak mengandalkan arsitektur hysteretik, dapat meminimalkan kerugian switching dan meningkatkan efisiensi.

Perangkat ini memiliki waktu startup tipikal 1,5 ms, sehingga cukup mampu bangun dari mode tidur dengan cepat. Ia memiliki fitur perlindungan beban termal yang melindungi dari kerusakan saat terlalu digerakkan.

Texas Instruments Incorporated dan anak perusahaannya mencatat pendapatan sebesar US$17,519 miliar untuk tahun yang berakhir pada 31 Desember 2023, yang merupakan penurunan signifikan dibandingkan pendapatan tahun sebelumnya sebesar US$20,028 miliar. Untuk FY 2023, laba per saham biasa yang terdilusi sebesar US$7,07, sementara untuk FY 2022, sebesar US$9,41.

#3. Boreas Technologies

Produk Boreas Technologies dengan nama tag ‘BOS1901’ adalah driver aktuator piezo satu chip yang efisien lainnya yang didukung oleh teknologi capDrive yang dipatenkan perusahaan, menghasilkan standar pemulihan energi yang lebih tinggi. Produk ini dapat menggerakkan aktuator dengan gelombang hingga 190 Vpk-pk sambil beroperasi dari tegangan suplai antara 3 hingga 5,5 V. 

Berkat ukurannya yang kecil, produk ini menemukan aplikasi di berbagai bidang penggunaan akhir di mana minimisasi konsumsi daya dan disipasi panas menjadi keharusan. 

SPI berkecepatan tinggi yang digunakan produk dalam Digital Front End memungkinkannya berbagi satu bus komunikasi di antara sistem multi-aktuator. Digital Front End juga memungkinkan penyesuaian semua pengaturan hanya dengan tujuh komponen pasif diskrit. 

BOS1901 kompatibel dengan berbagai induktor komersial siap pakai. Ia juga efektif untuk sistem yang tidak dilengkapi untuk menangani aliran arus terbalik. BOS1901 dilengkapi dengan input daya searah. Saat diaktifkan, input daya ini membuat driver berperilaku sebagai beban resistif tanpa mengurangi efisiensi daya. BOS1901 memiliki waktu startup kurang dari 300 mikrodetik. Latensinya tidak signifikan. 

Menurut informasi terbaru yang tersedia, Boreas Technologies menutup putaran pendanaan sebesar US$12 juta pada November 2023. Perusahaan memutuskan untuk menggunakan dana tersebut untuk mempercepat produksi volume tinggi semikonduktor haptik piezo ultra-berdaya rendah dalam aplikasi seluler, PC, dan otomotif.

Konverter Kecil dan Manfaatnya

Insinyur di seluruh dunia menghadapi tantangan menciptakan desain sistem yang lebih kecil atau memuat lebih banyak fungsi dalam dimensi yang ada. Untuk menampung lebih banyak pada papan sirkuit cetak, mencapai kepadatan PCB yang lebih tinggi menjadi penting. Namun, hal ini menambah kompleksitas bagi perancang, terutama dalam melakukan routing dan tata letak papan. 

Dorongan untuk mengatasi hambatan ini telah menghasilkan pengembangan produk rantai sinyal analog yang membantu insinyur mengoptimalkan ruang papan tanpa mengorbankan fitur, biaya, kesederhanaan, atau ketahanan. Salah satu penemuan penting tersebut adalah Op amp, yang menjamin kinerja tinggi dan rangkaian amplifikasi yang sangat stabil dengan hanya beberapa komponen pasif. 

Op amp Texas Instruments, misalnya, tersedia dalam 16 paket berbeda, termasuk paket tunggal dan quad-channel terkecil di industri. Demikian pula, ada komparator kecil yang dirancang dengan dua input, satu output, dan dua pin catu daya, yang berfungsi membandingkan tegangan input dan menyesuaikan output secara tepat. Komparator terkecil di industri masuk dalam paket WCSP berukuran 0,7×0,7 mm, 4% lebih kecil daripada perangkat pesaing dan beroperasi hingga 1,7 V, menjadikannya ideal untuk desain yang kritis terhadap ruang seperti smartphone dan aplikasi portabel atau berbaterai lainnya. 

Op amp penginderaan arus berukuran kecil juga muncul seiring meningkatnya permintaan akan kecerdasan sistem dan efisiensi daya. Sistem kritis memerlukan pemantauan yang lebih baik. Pengukuran dan pemantauan arus ini dimungkinkan dengan mendeteksi penurunan tegangan melintasi shunt atau resistor penginderaan arus. 

Dengan transistor small-outline berukuran sekecil 1,6 mm × 1,6 mm, telah memungkinkan pembuatan op amp penginderaan arus yang 40% lebih kecil dibandingkan paket berlead terdekatnya. Solusi ini dirancang untuk digunakan dalam aplikasi dengan ruang terbatas. 

Secara keseluruhan, riset dan pengembangan telah memungkinkan pengurangan jejak PCB secara signifikan sambil meningkatkan kepadatan saluran dan memanfaatkan integrasi lebih tinggi dari komponen serta fitur lain dengan konverter data kecil. Pengembangan semacam ini akan menghasilkan lebih banyak ruang yang dihemat dan desain yang lebih efisien. 

Dengan perangkat elektronik yang semakin kecil setiap harinya dan permintaan akan fitur baru yang semakin tinggi, perkembangan ini hanya akan semakin mendapatkan momentum.