エネルギー
圧電パワーコンバータでプリント基板を縮小
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「Small is Big（小ささは大きさ）」という広く人気のあるフレーズは、何度もその価値が証明されています。私たちの日常生活を向上させてきた技術的介入は、ますます小型化し、スペースを節約し、効率を高めています。
最近の事例の一つとして、カリフォルニア大学サンディエゴ校とCEA-Letiの科学者たちは、最先端で高度に洗練された圧電ベースのDC-DCコンバータを開発し、すべての電源スイッチを単一チップに統合できるようにしました。
まず、このイノベーションの価値と、なぜ科学界で大いに熱狂されているのかを見てみましょう。
高出力密度コンバータ
コンバータを単一チップに圧縮することで、主に出力密度が向上し、圧電コンバータの利点と容量ベースのDC-DCコンバータの利点を組み合わせることで新たな電力ダイナミクスが生まれます。この技術は従来のかさばるインダクタを置き換え、近い将来、スマートフォン、コンピュータ、サーバーファーム、AR/VRヘッドセットなどに電力を供給できるようになります。
このソリューションのさらなる利点と新規性は、論文「統合デュアルサイド直列/並列圧電共振器ベースの20〜2.2V DC-DCコンバータで310％の損失削減を実現」に記載されています。主な利点は以下の通りです：
- PRベースの電力変換に使用された初の集積回路です。
- 最大で310％の損失削減を実現できます。
- 低電圧変換比でも高効率を維持し、圧電材料を最適に活用して性能を向上させます。
- ディスクリート設計と比較して小さな領域で高度な電力ステージを提供でき、変換比が0.1未満でも効率的なデバイス動作を可能にします。
- 集積回路によりすべての電源スイッチを単一チップに統合できるため、PCBのフットプリントが大幅に削減され、位相制御精度も向上します。
これらの利点は総合的に大きな効果を生み、圧電材料の需要を減らすだけでなく、低VCR範囲のDC-DCコンバータで高出力コンピューティングサーバー、車載システム、USB充電器、バッテリ駆動デバイスの製造を可能にします。
効率的な圧電フォトモーションおよび静的力測定デバイス
上記のような技術革新は、継続的な研究の成果です。例えば、2023年12月号の『Sensors and Actuators』では、オンチップ結合圧電/フォトダイオードの性能を分析し、圧電フォトモーションデバイスの機械効率を数値的に算出する手法が提案されました。
これらのデバイスは圧電アクチュエータとシリコン太陽電池を統合し、光エネルギーを機械エネルギーに変換でき、遠隔操作のマイクロ・ナノロボットに適しています。
研究結果は、デバイスの機械効率が入力電圧に依存せず、薄型化や背面エッチングにより向上する可能性があることを示しました。
さらに、2021年の研究では、圧電センサーが静的力を測定する役割が調査され、低コスト、線形応答、高感度という特性から力測定アプリケーションでの人気が強調されました。これらのセンサーは動的な力を効率的に電気信号に変換します。
圧電複合材料の進歩により、運動エネルギーを活用・解釈できるようになった方法についてはこちらをご覧ください。
プリント基板の縮小に関する研究
プリント基板の縮小に関しても、多くの研究が行われています。IEEEが発表した2020年の注目すべき研究では、電子基板が高密度化することで電子部品がどのように小型化しているかが検討されました。
本研究は、表面実装型コンデンサや抵抗器などの小型離散受動部品の使用が増加しており、最終的に拡大が必要になるサイズへの傾向を指摘しました。
また、これら製品の欠陥に関する懸念にも対処し、基板パッド形状を決定する際に適切なプリント基板設計パラメータの採用を推奨しています。
研究結果は、パッド形状を小さくすることが「トムストーニング」—部品が垂直に回転し、コンデンサや抵抗が一端だけはんだ付けされて開放回路になる現象 — を軽減する上で重要であることを強調しました。研究者はまた、欠陥のない結果を得るためにパッド間のはんだマスクを除去することを推奨しています。
学術・機関の研究に加えて、多くの企業がこれらの技術に大規模に投資し、効率的なソリューションを開発しています。以下のセクションでは、これらの企業と彼らが開発している革新的な製品を紹介します。
#1. ON Semiconductor
ON Semiconductor Corporation (ON ) は、2016年9月に現金24億米ドルでFairchild Semiconductorを成功裏に買収しました。買収時、Fairchildは圧電パワーコンバータ分野で非常に活発でした。例えば、同社のFAN8831単一チップ圧電アクチュエータは、統合された36Vブーストスイッチとフルブリッジ出力ステージを備えたステップアップDC-DCコンバータで構成されています。
このデバイスは、単一の3Vリチウム電池から120Vピークツーピークで圧電を双方向に駆動でき、臨界導通モード（CRM）で動作し、60V以上の出力電圧を提供する結合インダクタ構成でも機能するよう最適化されています。過電圧・過電流保護と必要に応じた熱シャットダウン機能も備えています。
内部回路は、ステップアップDC-DCコンバータの出力電圧がヒステリシスに対応するレベルに達したときにフルブリッジゲートドライバを有効にします。外部抵抗でブースト電圧を設定でき、OCPピンの外部抵抗でステップアップ電流リミットをプログラム可能です。出力Hブリッジは、圧電アクチュエータの正弦波駆動用に4つの統合75V P/Nチャネルを備えています。
ON 価格チャート
2023年12月31日で終了した会計年度におけるON Semiconductorの売上高は8.253億米ドルで、前年度の8.326億米ドルからやや減少しました。純利益は21.83億米ドルで、前年度の19.02億米ドルからわずかに増加しています。
#2. Texas Instruments
Texas Instrumentsからは、統合ブーストコンバータを備えた別の業界向け圧電ドライバが登場しました。製品DRV2700は、統合された105Vブーストスイッチ、統合パワーダイオード、完全差動アンプを備えた単一チップ圧電ドライバです。このデバイスは、固有の汎用性により高電圧および低電圧の圧電負荷の両方を駆動でき、入力信号は差動または単端、ACまたはDC結合が可能です。28.8dB、34.8dB、38.4dB、40.7dBの4つのGPIO制御ゲインをサポートしています。
ON Semiconductorのソリューションと同様に、ここでも2つの外部抵抗で電圧をブーストします。2つの独立したバッテリがあり、1つはスイッチピン、もう1つはVDDピンに接続されています。
製品の独自のブーストコンバータアーキテクチャにより、特定のインダクタに対してDRV2700回路の性能を最適化できます。ヒステリシスアーキテクチャを多用するため、スイッチング損失を最小化し、効率を向上させることが可能です。
デバイスの典型的な起動時間は1.5msで、スリープから迅速に復帰できます。過駆動時に損傷から保護する熱過負荷保護機能も備えています。
TXN 価格チャート
Texas Instruments (TXN ) Incorporatedおよびその子会社は、2023年12月31日で終了した会計年度の売上高が17.519億米ドルで、前年度の20.028億米ドルから大幅に減少したことを報告しました。2023会計年度の希薄化後1株当たり利益は7.07米ドルで、2022会計年度の9.41米ドルから減少しています。
#3. Boreas Technologies
Boreas Technologiesの製品「BOS1901」は、同社の特許取得済みcapDrive技術で駆動される、もう一つの効率的な単一チップ圧電アクチュエータドライバです。供給電圧3〜5.5Vで動作しながら、最大190Vpk-pkの波形でアクチュエータを駆動できます。
小型であるため、電力消費と熱放散の最小化が必要とされるさまざまなエンドユース領域で利用されています。
デジタルフロントエンドで使用される高速SPIにより、複数アクチュエータシステム間で単一の通信バスを共有できます。また、デジタルフロントエンドは、7個の受動離散部品だけで全設定を調整可能にします。
BOS1901は、市販のさまざまなインダクタと互換性があり、逆電流に対応できないシステムでも有効です。単方向電源入力を備えており、作動時にはドライバが抵抗負荷として動作し、電力効率を低下させません。起動時間は300マイクロ秒未満で、レイテンシは無視できるほど小さいです。
最新の情報によると、Boreas Technologiesは2023年11月に1200万米ドルの資金調達ラウンドを完了しました。同社はこの資金を、モバイル、PC、車載向けの超低消費電力圧電ハプティック半導体の大量生産を加速するために活用することを決定しました。
小型コンバータとその利点
世界中のエンジニアは、既存のサイズ内でより小型化または機能を増やすシステム設計の課題に取り組んでいます。プリント基板上により多くを搭載するため、PCB密度の向上が重要となりますが、これにより配線やレイアウト作業がより複雑になります。
これらの課題を克服するために、エンジニアはアナログ信号チェーン製品の開発に取り組んでおり、機能、コスト、シンプルさ、堅牢性を犠牲にせずに基板スペースを最適化できます。その代表的な発明の一つがオペアンプで、少数の受動部品だけで高性能かつ極めて安定した増幅回路を実現します。
例えば、Texas Instrumentsのオペアンプは16種類のパッケージで提供されており、業界最小の単チャンネルおよびクアッドチャンネルパッケージも含まれます。同様に、2つの入力、1つの出力、2つの電源ピンを持つ小型コンパレータが設計されており、入力電圧を比較して出力を調整します。業界最小のコンパレータは0.7×0.7mmのWCSPパッケージで、競合製品より4％小さく、1.7Vまで動作可能で、スマートフォンやその他の携帯・バッテリ駆動アプリケーションなど、スペースが重要な設計に最適です。
システムのインテリジェンスと電力効率への需要が高まる中、小型の電流検知アンプも登場しています。重要なシステムではより高度なモニタリングが必要で、シャントや電流検知抵抗にかかる電圧降下を測定することで電流の測定・監視が可能です。
1.6mm×1.6mmという小型のSOTパッケージのトランジスタにより、最も近いリード付きパッケージより40％小型の電流検知アンプが実現でき、これらのソリューションはスペースが限られた用途向けに設計されています。
総じて、研究開発によりPCBのフットプリントを大幅に削減しつつ、チャネル密度を高め、他の部品や機能との統合を小型データコンバータで実現できるようになりました。これにより、スペースの節約と設計の効率化が進みます。
電子機器が日々ますます小型化し、新機能への需要が高まる中、これらの進展はますます勢いを増すでしょう。
