압전 전력 변환기로 인쇄 회로 기판 축소

“Small is Big”는 널리 알려진 문구로, 그 가치를 여러 차례 입증해 왔습니다. 우리의 일상을 개선한 기술적 개입들은 점점 작아지면서 공간을 절약하고 효율성을 높이고 있습니다. 

이러한 개입의 최신 사례 중 하나로, 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스와 CEA-Leti의 과학자들은 최첨단이며 고도로 정교한 압전 기반 DC-DC 변환기를 개발했으며, 이는 모든 전력 스위치를 하나의 칩으로 통합할 수 있습니다. 

이 혁신의 장점을 살펴보고 왜 과학계에서 큰 열광을 받고 있는지 알아보겠습니다. 

고전력 밀도 변환기

변환기를 하나의 칩으로 압축하면 주로 전력 밀도가 증가하고, 압전 변환기의 장점과 정전용량 기반 DC-DC 변환기의 장점을 결합함으로써 새로운 전력 역학이 탄생합니다. 이 기술은 기존의 부피가 큰 인덕터를 대체하며, 곧 스마트폰, 컴퓨터, 서버 팜, AR/VR 헤드셋 등 다양한 기기에 전력을 공급할 준비가 되어 있습니다.

이 솔루션의 추가적인 장점과 새로운 특성은 “An Integrated Dual-Side Series/Parallel Piezoelectric Resonator-based 20-to-2.2V DC-DC Converter Achieving a 310% Loss Reduction” 논문에 나열되었습니다. 이러한 이점은 다음과 같습니다::

• PR 기반 전력 변환에 사용된 최초의 집적 회로입니다. 
• 이 솔루션은 최대 310%의 손실 감소를 달성할 수 있습니다. 
• 이 변환기는 낮은 전압 변환 비율에서도 향상된 성능을 제공하며, 압전 재료를 최적화하여 높은 효율을 유지합니다. 
• 이 장치는 개별 설계와 비교했을 때 작은 면적에 정교한 전력 단계를 제공하며, 전압 변환 비율이 0.1 미만인 경우에도 효율적인 장치 작동을 가능하게 합니다.
• 집적 회로 덕분에 모든 전력 스위치를 하나의 칩에 통합할 수 있어 PCB 면적이 크게 감소합니다. 또한 향상된 위상 제어 정밀도를 달성할 수 있습니다.

이러한 이점들은 서로 결합되어 더 큰 효과를 만들어냅니다. 압전 재료에 대한 수요를 줄일 뿐만 아니라, 낮은 VCR 범위 DC-DC 변환기를 사용해 고전력 컴퓨팅 서버, 자동차 시스템, USB 충전기 및 배터리 구동 장치를 생산할 수 있도록 과학 공동체에 힘을 실어줍니다. 

효율적인 압전-광운동 및 정적 힘 측정 장치

위에서 언급한 기술 혁신은 해당 분야에 대한 지속적인 연구에서 비롯되었습니다. 예를 들어, 2023년 12월호 Sensors and Actuators에서는 온칩 결합 압전/포토다이오드의 성능을 분석하고, 압전-광운동 장치의 기계 효율을 계산하는 수치적 접근법을 제시한 연구가 실렸습니다. 

이 장치들은 압전 액추에이터와 실리콘 태양 전지를 통합하여 광 에너지를 기계 에너지로 변환할 수 있으며, 원격 제어 마이크로 및 나노 로봇에 적합합니다. 

연구 결과, 장치들의 기계 효율은 입력 전압에 의존하지 않으며, 박화 및 뒷면 식각을 통해 향상될 수 있음을 보여주었습니다.

또한, 2021년 연구는 정적 힘을 측정하는 데 있어 압전 센서의 역할을 탐구했으며, 저비용, 선형 응답, 높은 민감도로 인해 힘 측정 응용 분야에서 인기가 높다는 점을 강조했습니다. 이러한 센서는 동적 힘을 전기 신호로 효율적으로 변환합니다.

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인쇄 회로 기판 축소에 관한 연구

인쇄 회로 기판 축소와 관련해서도 많은 연구가 진행되었습니다. IEEE에서 발표한 2020년 주목할 만한 연구는 전자 인쇄 회로 기판이 밀도가 높아짐에 따라 전자 부품이 어떻게 축소되고 있는지를 탐구했습니다. 

이 연구는 표면 실장형 커패시터와 저항기와 같은 소형 이산형 수동 소자가 사용이 증가하고 있으며, 결국 확대가 필요할 정도의 크기 추세를 보이고 있음을 인정했습니다. 

또한 이러한 제품들의 결함 문제를 다루며, 보드 패드 기하학을 결정할 때 적절한 인쇄 회로 기판 설계 매개변수를 채택할 것을 권고했습니다.

연구 결과, 작은 패드 기하학이 토미스톤 현상(부품이 수직으로 회전하여 커패시터나 저항기가 한쪽 끝만 납땜되어 개방 회로가 되는 현상)을 완화하는 데 중요한 역할을 한다는 것이 강조되었습니다. 연구자들은 또한 결함 없는 결과를 얻기 위해 패드 사이의 솔더 마스크를 제거할 것을 권장했습니다. 

학술 및 기관 연구를 넘어, 다수의 기업이 이 기술에 크게 투자하여 효율적인 솔루션을 고안하고 있습니다. 다음 섹션에서는 이러한 기업들과 그들이 개발 중인 혁신적인 제품들을 살펴보겠습니다.

#1. ON Semiconductor

ON Semiconductor (ON ) Corporation는 2016년 9월 현금 24억 달러로 Fairchild Semiconductor를 성공적으로 인수했습니다. 인수 당시 Fairchild는 압전 전력 변환기 분야에서 활발히 활동하고 있었습니다. 예를 들어, 그들의 FAN8831 단일 칩 압전 액추에이터는 통합 36V 부스트 스위치와 풀 브리지 출력 단계를 갖춘 승압 DC-DC 변환기로 구성된 제품이었습니다. 

이 장치는 단일 3V 리튬 셀로부터 120V 피크‑투‑피크 양방향 압전 구동이 가능했습니다. 60V 이상의 출력 전압을 제공하는 결합 인덕터 구성에서 기능을 유지하도록 최적화된 임계 전도 모드(CRM)로 작동할 수 있었습니다. 이 솔루션은 과전압 및 과전류 보호와 필요 시 열 차단을 수행하는 내장 기능을 갖추고 있었습니다. 

내부 회로는 승압 DC-DC 변환기 출력 전압이 히스테리시스와 일치하는 수준에 도달하면 풀 브리지 게이트 드라이버를 활성화합니다. 외부 저항은 부스트 전압을 설정하는 데 사용되며, 승압 전류 제한은 OCP 핀의 외부 저항을 통해 프로그래밍할 수 있습니다. 출력 H-브리지는 압전 액추에이터의 사인파 구동을 위해 75V P 및 N 채널 4개가 통합되어 있습니다. 

2023년 12월 31일 기준, ON Semiconductor는 8.2530억 달러의 매출을 기록했으며, 전년 매출 8.3260억 달러보다 약간 감소했습니다. 최신 연도에 ON Semiconductor에 귀속된 순이익은 2.1830억 달러로, 전 회계연도 1.9020억 달러보다 약간 증가했습니다. 

#2. Texas Instruments 

Texas Instruments에서 또 다른 산업용 급압 압전 드라이버가 출시되었습니다. 제품 DRV2700은 105V 부스트 스위치, 통합 전력 다이오드 및 완전 차동 증폭기가 포함된 단일 칩 압전 드라이버였습니다. 이 장치는 고전압 및 저전압 압전 부하를 모두 구동할 수 있는 다재다능함을 가지고 있습니다. 입력 신호는 차동 또는 단일 종단, AC 또는 DC 결합이 가능했습니다. 장치는 28.8dB, 34.8dB, 38.4dB, 40.7dB의 네 가지 GPIO 제어 이득을 지원했습니다.

ON Semiconductor 솔루션과 유사하게, 여기서도 두 개의 외부 저항이 전압을 상승시킵니다. 두 개의 독립적인 배터리가 있으며, 하나는 스위치 핀을, 다른 하나는 VDD 핀을 지원합니다.

제품의 독특한 부스트 변환기 구조 덕분에 특정 인덕터에 대해 DRV2700 회로의 성능을 최적화할 수 있습니다. 변환기가 히스테리시스 구조를 크게 활용하므로 스위칭 손실을 최소화하고 효율을 높일 수 있습니다.

이 장치는 일반적인 시작 시간이 1.5ms이며, 빠르게 슬립 모드에서 복귀할 수 있습니다. 과구동 시 손상을 방지하는 열 과부하 보호 기능도 갖추고 있습니다.

Texas Instruments (TXN ) Incorporated와 그 자회사는 2023년 12월 31일 기준 매출 175.19억 달러를 기록했으며, 전년 매출 200.28억 달러보다 크게 감소했습니다. FY 2023의 희석 주당 순이익은 7.07달러였으며, FY 2022는 9.41달러였습니다.

#3. Boreas Technologies

Boreas Technologies의 ‘BOS1901’이라는 태그명을 가진 제품은 또 다른 효율적인 단일 칩 압전 액추에이터 드라이버이며, 회사가 특허받은 capDrive 기술로 구동되어 에너지 회수 효율이 향상되었습니다. 이 제품은 3~5.5V 전원 전압에서 동작하면서 파형이 최대 190V 피크‑투‑피크까지 액추에이터를 구동할 수 있습니다.

소형 크기 덕분에 이 제품은 전력 소비와 열 방출 최소화가 필수적인 다양한 최종 사용 분야에 적용됩니다.

제품이 디지털 프런트 엔드에서 사용하는 고속 SPI는 다중 액추에이터 시스템 간에 단일 통신 버스를 공유하도록 지원합니다. 디지털 프런트 엔드는 또한 7개의 수동 부품만으로 모든 설정을 조정할 수 있게 합니다.

BOS1901은 다양한 상용 오프‑더‑쉘프 인덕터와 호환됩니다. 또한 역전류 흐름을 처리하지 못하는 시스템에도 효과적입니다. BOS1901은 단방향 전원 입력을 제공하며, 활성화될 경우 전력 효율을 감소시키지 않고 저항 부하처럼 동작합니다. BOS1901의 시작 시간은 300마이크로초 미만이며, 지연 시간은 무시할 정도로 짧습니다.  

최신 정보에 따르면, Boreas Technologies는 2023년 11월에 1,200만 달러 규모의 자금 조달 라운드를 마감했습니다. 회사는 이 자금을 모바일, PC 및 자동차 분야에서 초저전력 압전 햅틱 반도체의 대량 생산을 가속화하는 데 사용할 계획입니다.

소형 변환기와 그 장점

전 세계 엔지니어들은 기존 치수 내에서 더 작게 만들거나 더 많은 기능을 탑재하는 시스템 설계 과제에 도전하고 있습니다. 인쇄 회로 기판에 더 많은 부품을 배치하려면 PCB 밀도를 높이는 것이 필수적이며, 이는 설계자에게 특히 보드 라우팅 및 레이아웃 작업에서 더 많은 복잡성을 초래합니다.

이러한 난관을 극복하려는 노력은 아날로그 신호 체인 제품 개발로 이어졌으며, 이는 엔지니어가 기능, 비용, 단순성 또는 견고성을 희생하지 않고 보드 공간을 최적화하도록 돕습니다. 그 중 주목할 만한 발명은 연산 증폭기로, 몇 개의 수동 부품만으로도 높은 성능과 매우 안정적인 증폭 회로를 보장합니다.

예를 들어 Texas Instruments의 연산 증폭기는 16가지 패키지로 제공되며, 여기에는 업계에서 가장 작은 단일 및 4채널 패키지도 포함됩니다. 마찬가지로 두 개의 입력, 하나의 출력, 두 개의 전원 핀으로 설계된 소형 비교기가 있으며, 입력 전압을 비교하고 그에 따라 출력을 조정합니다. 업계에서 가장 작은 비교기는 0.7×0.7 mm 크기의 WCSP 패키지에 들어가며, 경쟁 제품보다 4% 작고 1.7 V까지 동작해 스마트폰 및 기타 휴대용 또는 배터리 구동 애플리케이션과 같은 공간이 중요한 설계에 이상적입니다.

시스템 지능 및 전력 효율에 대한 수요가 증가함에 따라 소형 전류 감지 증폭기도 등장했습니다. 중요한 시스템은 보다 정밀한 모니터링이 필요합니다. 전류를 측정하고 모니터링하는 것은 션트 저항이나 전류 감지 저항에 걸리는 전압 강하를 감지함으로써 가능합니다.

1.6 mm × 1.6 mm 크기의 소형 아웃라인 트랜지스터를 사용함으로써, 가장 근접한 경쟁 리드형 패키지보다 40% 작은 전류 감지 증폭기를 구현할 수 있게 되었습니다. 이러한 솔루션은 공간이 제한된 응용 분야를 위해 설계되었습니다.

전반적으로 연구 및 개발을 통해 PCB 면적을 크게 줄이고 채널 밀도를 높이며, 소형 데이터 변환기를 통해 다른 부품 및 기능의 고통합을 활용할 수 있게 되었습니다. 이러한 발전은 더 많은 공간 절약과 효율적인 설계를 가져올 것입니다.

전자 기기가 날이 갈수록 작아지고 새로운 기능에 대한 수요가 높아짐에 따라, 이러한 발전은 더욱 가속화될 것입니다.