Energia
Ridurre le schede a circuito stampato con convertitori di potenza piezoelettrici
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“Small is Big,” una frase molto popolare, ha dimostrato il suo valore più e più volte. Gli interventi tecnologici che hanno migliorato la nostra vita quotidiana stanno diventando più piccoli, risparmiando spazio e aumentando l’efficienza.
In uno dei più recenti esempi di tale intervento, scienziati dell’Università della California San Diego e di CEA-Leti hanno sviluppato un convertitore DC-DC basato su piezoelettrico all’avanguardia e altamente sofisticato che potrebbe unificare tutti gli interruttori di potenza in un unico chip.
Iniziamo esaminando il valore di questa innovazione e perché sta ricevendo tanto entusiasmo nel mondo scientifico.
Un convertitore ad alta densità di potenza
Comprimere il convertitore in un unico chip consente principalmente di aumentare la densità di potenza e genera nuove dinamiche di potenza combinando i vantaggi dei convertitori piezoelettrici con quelli dei convertitori DC-DC basati su capacità. Questa tecnologia sostituisce gli ingombranti induttori precedenti ed è pronta a alimentare presto smartphone, computer, data center, visori AR/VR e altro.
Ulteriori vantaggi e qualità innovative di questa soluzione sono stati elencati nell’articolo intitolato “An Integrated Dual-Side Series/Parallel Piezoelectric Resonator-based 20-to-2.2V DC-DC Converter Achieving a 310% Loss Reduction”. Alcuni di questi benefici sono i seguenti:
- È il primo circuito integrato utilizzato per la conversione di potenza basata su PR.
- La soluzione può raggiungere una riduzione delle perdite fino al 310%.
- Il convertitore può fornire prestazioni migliorate a rapporti di conversione di tensione bassi, mantenendo alta efficienza sfruttando in modo ottimale i materiali piezoelettrici.
- È in grado di offrire stadi di potenza sofisticati in un’area ridotta rispetto ai progetti discreti, consentendo un funzionamento efficiente del dispositivo a rapporti di conversione di tensione inferiori a 0,1.
- Poiché il circuito integrato consente di consolidare tutti gli interruttori di potenza su un unico chip, l’ingombro del PCB è ridotto in modo significativo. È anche possibile ottenere una maggiore precisione nel controllo di fase.
Questi benefici si combinano in qualcosa di più grande: non solo riducono la domanda di materiale piezoelettrico, ma consentono anche alla comunità scientifica di produrre server di calcolo ad alta potenza, sistemi automobilistici, caricabatterie USB e dispositivi alimentati a batteria con il convertitore DC-DC a basso intervallo VCR.
Dispositivi efficienti di piezo-fotomozione e di misurazione della forza statica
Le innovazioni tecniche come quella menzionata derivano da una costante serie di ricerche sull’argomento. Ad esempio, l’edizione di dicembre 2023 di Sensors and Actuators ha presentato uno studio che ha analizzato le prestazioni di piezo/photodiodi accoppiati su chip, suggerendo un approccio numerico per calcolare l’efficienza meccanica dei dispositivi piezo-foto di movimento.
Questi dispositivi, che integrano attuatori piezoelettrici con celle solari in silicio, possono convertire energia ottica in energia meccanica, rendendoli adatti per micro e nanorobot controllati a distanza.
I risultati hanno indicato che l’efficienza meccanica dei dispositivi non dipende dalla tensione di ingresso e può migliorare con l’assottigliamento e l’incisione del retro.
Inoltre, uno studio del 2021 ha esplorato il ruolo dei sensori piezoelettrici nella misurazione delle forze statiche, evidenziando la loro popolarità nelle applicazioni di misurazione della forza grazie al basso costo, alla risposta lineare e all’alta sensibilità. Questi sensori convertono efficientemente le forze dinamiche in segnali elettrici.
Studi sul ridimensionamento delle schede a circuito stampato
Per quanto riguarda il ridimensionamento delle schede a circuito stampato, anche in questo ambito è stata condotta molta ricerca. Uno studio notevole del 2020 pubblicato dall’IEEE ha approfondito come i componenti elettronici si siano ridotti a causa dell’aumento di densità delle schede a circuito stampato.
Questa ricerca ha riconosciuto il fatto che dispositivi passivi discreti più piccoli, come condensatori e resistori a montaggio superficiale, stavano aumentando in utilizzo, individuando una tendenza verso dimensioni che alla fine richiederanno ingrandimento.
Ha inoltre affrontato le preoccupazioni relative ai difetti di questi prodotti, promuovendo l’adozione di parametri di progettazione adeguati per le schede a circuito stampato nella determinazione delle geometrie dei pad.
I risultati hanno sottolineato che geometrie di pad più piccole svolgono un ruolo cruciale nella mitigazione del fenomeno del ‘tombstoning’ — una condizione in cui un condensatore o resistore si salda solo a un’estremità a causa della rotazione verticale del componente, provocando un circuito aperto. I ricercatori hanno anche raccomandato di rimuovere la maschera di saldatura tra i pad per ottenere risultati privi di difetti.
Oltre alla ricerca istituzionale e accademica, numerose aziende stanno investendo significativamente in queste tecnologie, ideando soluzioni efficienti. I segmenti seguenti esploreranno alcune di queste aziende e i prodotti innovativi che stanno sviluppando.
#1. ON Semiconductor
ON Semiconductor Corporation (ON ) ha acquisito con successo Fairchild Semiconductor per 2,4 miliardi di dollari in contanti a settembre 2016. Al momento dell’acquisizione, Fairchild era molto attiva nel campo dei convertitori di potenza piezoelettrici. Per esempio, il suo FAN8831 single-chip piezoelectric actuator era un prodotto che consisteva in un convertitore DC-DC step-up con un interruttore boost integrato da 36 V e una fase di uscita a ponte completo.
Il dispositivo poteva pilotare un piezo in modo bidirezionale a 120 V picco-picco da una singola cella al litio da 3 V. Poteva operare in modalità di conduzione critica (CRM), ottimizzata per rimanere funzionale in una configurazione a induttore accoppiato offrendo tensioni di uscita superiori a 60 V. La soluzione includeva protezione da sovratensione e sovracorrente e capacità integrate per spegnimenti termici quando necessario.
Un circuito interno abilita il driver del gate a ponte completo quando la tensione di uscita del convertitore DC-DC step-up raggiunge un livello coerente con l’isteresi. Resistenze esterne aiutano a impostare la tensione di boost, mentre il limite di corrente step-up può essere programmato tramite la resistenza esterna al pin OCP. Il ponte H di uscita disponeva di quattro canali integrati da 75 V P e N per la guida a onda sinusoidale dell’attuatore piezo.
ON Grafico dei prezzi
For the year ended on 31 dicembre 2023, ON Semiconductor ha registrato un fatturato di 8,253 miliardi di dollari, un lieve calo rispetto al fatturato dell’anno precedente di 8,326 miliardi di dollari. Per l’ultimo anno, l’utile netto attribuibile a ON Semiconductor è stato di 2,183 miliardi di dollari, un leggero aumento rispetto ai 1,902 miliardi di dollari del periodo fiscale precedente.
#2. Texas Instruments
Un altro driver piezo di livello industriale con un convertitore boost integrato proviene da Texas Instruments (TXN ). Il prodotto DRV2700 era un driver piezo a singolo chip con un interruttore boost integrato da 105 V, diodo di potenza integrato e amplificatore completamente differenziale. Il dispositivo, grazie alla sua versatilità intrinseca, poteva pilotare carichi piezoelettrici sia ad alta che a bassa tensione. Il segnale di ingresso poteva essere differenziale o single-ended, accoppiato AC o DC. Il dispositivo supportava quattro guadagni controllati da GPIO, inclusi 28,8 dB, 34,8 dB, 38,4 dB e 40,7 dB.
Simile alla soluzione di ON Semiconductor, anche qui due resistenze esterne aumentano la tensione. Ci sono due batterie indipendenti. Una è supportata dal pin di commutazione, mentre l’altra dal pin VDD.
Grazie all’architettura unica del convertitore boost del prodotto, è possibile ottimizzare le prestazioni del circuito DRV2700 per un determinato induttore. Poiché il convertitore si basa fortemente su un’architettura isteretica, è possibile ridurre al minimo le perdite di commutazione e aumentare l’efficienza.
Il dispositivo ha un tempo di avvio tipico di 1,5 ms, rendendolo adeguatamente capace di uscire rapidamente dallo stato di sospensione. Dispone di funzioni di protezione da sovraccarico termico che lo proteggono da danni quando è sovraccaricato.
TXN Grafico dei prezzi
Texas Instruments Incorporated e le sue controllate ha pubblicato un fatturato di 17,519 miliardi di dollari per l’anno chiuso il 31 dicembre 2023, un notevole calo rispetto al fatturato dell’anno precedente di 20,028 miliardi di dollari. Per l’anno fiscale 2023, l’utile diluito per azione ordinaria è stato di 7,07 dollari, mentre per l’anno fiscale 2022 era di 9,41 dollari.
#3. Boreas Technologies
Il prodotto di Boreas Technologies con il nome di tag ‘BOS1901’ è un altro efficiente driver di attuatore piezo a singolo chip alimentato dalla tecnologia brevettata capDrive dell’azienda, risultando in standard migliorati di recupero energetico. Il prodotto può pilotare attuatori con forme d’onda fino a 190 V picco-picco operando da una tensione di alimentazione compresa tra 3 e 5,5 V.
Grazie alle sue dimensioni ridotte, il prodotto trova applicazione in una serie di settori finali dove la minimizzazione del consumo di energia e della dissipazione di calore è necessaria.
L’SPI ad alta velocità che il prodotto utilizza nel suo Digital Front End gli consente di condividere un unico bus di comunicazione tra sistemi multi-attuatore. Il Digital Front End rende inoltre possibile regolare tutte le impostazioni con solo sette componenti discreti passivi.
Il BOS1901 è compatibile con una gamma di induttori commerciali pronti all’uso. È anche efficace per sistemi non attrezzati per gestire il flusso di corrente inversa. Il BOS1901 è dotato di un ingresso di potenza unidirezionale. Quando attivato, questo ingresso fa comportare il driver come un carico resistivo senza ridurre l’efficienza energetica. Il BOS1901 ha un tempo di avvio inferiore a 300 microsecondi. La sua latenza è trascurabile.
Secondo le ultime informazioni disponibili, Boreas Technologies ha chiuso un round di finanziamento da 12 milioni di dollari a novembre 2023. L’azienda ha deciso di utilizzare i fondi per accelerare la produzione ad alto volume dei suoi semiconduttori piezo haptic ultra a bassa potenza per applicazioni mobili, PC e automotive.
Convertitori piccoli e i loro vantaggi
Ingegneri di tutto il mondo stanno affrontando la sfida di creare progetti di sistema più piccoli o che incorporino più funzionalità all’interno delle dimensioni esistenti. Per ospitare di più sulle schede a circuito stampato, raggiungere una maggiore densità del PCB è diventato cruciale. Tuttavia, ciò introduce ulteriori complessità per i progettisti, in particolare nella realizzazione del routing e del layout della scheda.
La spinta a superare questi ostacoli ha portato allo sviluppo di prodotti analogici per catene di segnale che aiutano gli ingegneri a ottimizzare lo spazio sulla scheda senza sacrificare le funzionalità, i costi, la semplicità o la robustezza. Una invenzione notevole è l’amplificatore operazionale, che garantisce alte prestazioni e un circuito di amplificazione estremamente stabile con pochi componenti passivi.
Gli amplificatori operazionali di Texas Instruments, ad esempio, sono disponibili in 16 diversi package, che includono i più piccoli package a singolo e quad canale del settore. Allo stesso modo, esistono comparatori piccoli progettati con due ingressi, un’uscita e due pin di alimentazione, concepiti per confrontare le tensioni di ingresso e regolare l’uscita di conseguenza. Il comparatore più piccolo del settore si adatta a un package WCSP di 0,7×0,7 mm, il 4% più piccolo rispetto ai dispositivi concorrenti e opera fino a 1,7 V, rendendolo ideale per progetti critici in termini di spazio come smartphone e altre applicazioni portatili o alimentate a batteria.
Anche gli amplificatori di corrente di piccole dimensioni sono entrati in scena con la crescente domanda di intelligenza di sistema e efficienza energetica. I sistemi critici richiedono un monitoraggio migliore. Questa misurazione e monitoraggio della corrente è possibile rilevando la caduta di tensione su una resistenza shunt o di rilevamento corrente.
Con transistor a contorno piccolo di dimensioni fino a 1,6 mm × 1,6 mm, è stato possibile realizzare amplificatori di corrente che sono il 40% più piccoli rispetto ai loro più vicini package con terminali. Queste soluzioni sono state progettate per l’uso in applicazioni con spazio limitato.
Nel complesso, ricerca e sviluppo hanno reso possibile ridurre notevolmente l’ingombro del PCB aumentando la densità dei canali e sfruttando una maggiore integrazione di altri componenti e funzionalità con un piccolo convertitore di dati. Tali sviluppi porteranno a un maggior risparmio di spazio e a progetti più efficienti.
Con i dispositivi elettronici che diventano sempre più piccoli ogni giorno e la domanda di nuove funzionalità in aumento, questi sviluppi raccoglieranno sempre più slancio.
