피에조 전기 파워 컨버터를 사용한 인쇄 회로 기판의 축소

“작은 것이 큰 것이다”라는 널리 인기 있는 문구는 그 가치를 여러 번 입증해왔다. 우리의 일상 생활을 더 좋게 만든 기술적 개입은 작아지고, 공간을 절약하며, 효율성을 높이고 있다.

최신의 기술 개입 중 하나에서는 캘리포니아 샌디에고 대학교와 CEA-Leti의 과학자들이 단일 칩에 모든 전원 스위치를 통합할 수 있는 최첨단의 고급 피에조 전기 기반 DC-DC 컨버터를 개발했다. 이 기술은 기존의 불필요한 부피가 큰 인덕터를 대체하며, 곧 스마트폰, 컴퓨터, 서버 팜, AR/VR 헤드셋 등에 전력을 공급할 수 있을 것이다.

이 혁신의 가치와 과학계에서 왜如此热烈하게 환영되는지 살펴보자.

고밀도 전력 컨버터

컨버터를 단일 칩으로 압축하면 주로 전력 밀도가 증가하고, 피에조 전기 컨버터와 정전기 기반 DC-DC 컨버터의 이점을 결합하여 새로운 전력 역학이 생성된다. 이 기술은 기존의 불필요한 부피가 큰 인덕터를 대체하며, 곧 스마트폰, 컴퓨터, 서버 팜, AR/VR 헤드셋 등에 전력을 공급할 수 있을 것이다.

이 솔루션의 추가적인 이점과 새로운 특징은 “An Integrated Dual-Side Series/Parallel Piezoelectric Resonator-based 20-to-2.2V DC-DC Converter Achieving a 310% Loss Reduction”라는 논문에 나와 있다. 이러한 이점 중 일부는 다음과 같다:

• PR 기반 전력 변환을 위한 최초의 통합 회로이다.
• 최대 310%의 손실 감소를 달성할 수 있다.
• 저전압 변환 비율에서 향상된 성능을 제공하며, 높은 효율성을 유지하고 피에조 전기 재료를 최적화하여 사용할 수 있다.
• 소형 영역에서 정교한 전력 단계를 제공할 수 있으며, 0.1 미만의 전압 변환 비율에서 효율적인 장치 작동을 가능하게 한다.
• 통합 회로로 인해 단일 칩에 모든 전원 스위치를 통합할 수 있으며, PCB 부품이 크게 줄어든다. 또한 향상된 위상 제어 정밀도를 달성할 수 있다.

이러한 이점들은 모두 더 큰 것을 만들어내는데, 피에조 전기 재료의 수요를 줄이고, 과학계가 저전압 변환 비율의 DC-DC 컨버터를 사용하여 고전력 컴퓨팅 서버, 자동차 시스템, USB 충전기, 배터리 구동 장치 등을 생산할 수 있게 한다.

효율적인 피에조-광학 운동 및 정적 힘 측정 장치

이와 같은 기술적 혁신은 피에조 전기와 관련된 연구의 일련에 기인한다. 예를 들어, 2023년 12월에 발행된 Sensors and Actuators의 한 연구에서는 온칩 결합 피에조/포토다이오드의 성능을 분석하여 피에조-광학 운동 장치의 기계적 효율성을 계산하는 수치적 접근 방식을 제안했다.

이러한 장치는 피에조 전기 작동기와 실리콘 太陽能 전지를 통합하여 광학 에너지를 기계적 에너지로 변환할 수 있으며, 원격 제어 마이크로 및 나노 로봇에 유용하다.

연구 결과는 장치의 기계적 효율이 입력 전압에 의존하지 않으며, 얇고 뒤쪽 에칭을 통해 개선될 수 있음을 나타냈다.

또한, 2021年の 한 연구에서는 정적 힘 측정을 위한 피에조 전기 센서의 역할을 조사하여 저렴한 비용, 선형 응답, 높은 감도로 인해 힘 측정 응용 분야에서 인기 있는 센서임을 강조했다. 이러한 센서는 동적 힘을 효율적으로 전기 신호로 변환할 수 있다.

여기서 피에조 전기 복합재의 발전이 운동 에너지를 활용하고 해석하는 것을 가능하게 하는 방법에 대해 알아보세요.

인쇄 회로 기판 축소 연구

인쇄 회로 기판 축소와 관련하여 많은 연구가 진행되었다. 2020年の 한 연구에서는 전자 부품이 전자 인쇄 회로 기판의 밀도가 증가함에 따라 작아지고 있음을 조사했다.

이 연구는 소형 이산 수동 장치인 표면 실장 캐패시터와 저항기가 점점 더 많이 사용되고 있음을 지적했으며, 이는 결국 확대鏡이 필요할 정도의 크기로 작아질 것임을 나타냈다.

또한, 이러한 제품의 결함에 대한 우려를 해결하기 위해 인쇄 회로 기판 설계 매개변수를 채택하여 보드 패드 기하학을 결정하는 것이 중요함을 강조했다.

연구 결과는 더 작은 패드 기하학이 캡시터나 저항기가 한쪽 끝에만 용접되는 토브스톤 현상(tombstoning)을 방지하는 데 중요한 역할을 함을 강조했다. 연구자들은 또한 결함이 없는 결과를 얻기 위해 패드 사이의 솔더 마스크를 제거하는 것을 권장했다.

학술 연구 외에도 많은 기업이 이러한 기술에大量으로 투자하여 효율적인 솔루션을 개발하고 있다. 다음 섹션에서는 이러한 기업과 그들이 개발 중인 혁신적인 제품에 대해 살펴보겠다.

#1. ON 반도체

ON 반도체는 2016년 9월에 Fairchild Semiconductor를 24억 달러의 현금으로 인수했다. 당시 Fairchild는 피에조 전기 파워 컨버터 분야에서 매우 활발했다. 예를 들어, Fairchild의 FAN8831 싱글 칩 피에조 전기 작동기는 36V 부스트 스위치와 풀 브리지 아웃풋 스테이지를 통합한 스텝업 DC-DC 컨버터였다.

#2. 텍사스 인스트루먼트

텍사스 인스트루먼트의 DRV2700은 싱글 칩 피에조 드라이버로, 105V 부스트 스위치, 통합 파워 다이오드, 그리고 완전 미분 증폭기를 갖추고 있다. 이 장치는 고전압 및 저전압 피에조 전기 부하를 모두 구동할 수 있다.

#3. 보레아스 테크놀로지

보레아스 테크놀로지의 BOS1901은 회사에서 특허받은 capDrive 기술을 사용하여 에너지 회수를 향상시킨 싱글 칩 피에조 작동기이다. 이 제품은 3V에서 5.5V 사이의 공급 전압에서 작동하며, 190Vpk-pk의 파형으로 작동할 수 있다.

작은 컨버터와 그 이점

전 세계의 엔지니어들은 시스템 설계를 더 작게 만들거나 기존의 차원 안에서 더 많은 기능을 포함하는 것을 도전하고 있다. 더 많은 것을 인쇄 회로 기판에 포함시키기 위해 더 높은 PCB 밀도를 달성하는 것이 중요해졌다. 그러나 이것은 디자이너에게 보드 라우팅과 보드 레이아웃 작업을 수행할 때 더 많은 복잡성을 초래한다.

이러한 장벽을 극복하기 위해 아날로그 신호 체인 제품을 개발하여 엔지니어가 보드 공간을 최적화할 수 있게 하면서도 기능, 비용, 단순성, 또는 강건성을 희생하지 않도록 했다. 이러한 발명 중 하나는 Op 앰프로, 높은 성능과 매우 안정적인 증폭 회로를 몇 가지 수동 부품으로 제공한다.