Energie
Krimpende Printplaten met Piëzo-elektrische Vermogensomzetters
“Klein is Groot,” een veelgebruikt gezegde, heeft keer op keer zijn waarde bewezen. Technologische interventies die ons dagelijks leven hebben verbeterd, worden steeds kleiner, besparen ruimte en verhogen de efficiëntie.
In een van de recentste voorbeelden van zo’n interventie hebben wetenschappers van de University of California San Diego en CEA-Leti een geavanceerde, hooggesofisticeerde piëzo-elektrische DC-DC-omzetter ontwikkeld die alle vermogensschakelaars in één enkele chip zou kunnen integreren.
Laten we beginnen met het bekijken van de waarde van deze innovatie en waarom deze met veel enthousiasme wordt geprezen in de wetenschappelijke wereld.
Een converter met hoge vermogensdichtheid
Het comprimeren van de converter tot één enkele chip levert in de eerste plaats een verhoogde vermogensdichtheid op en creëert nieuwe vermogensdynamieken door de voordelen van piëzo-elektrische omzetters te combineren met die van capacitieve DC-DC-omzetters. Deze technologie vervangt de eerdere omvangrijke inductoren en staat klaar om binnenkort smartphones, computers, serverfarms, AR/VR-headsets en meer van stroom te voorzien.
Verdere voordelen en nieuwe eigenschappen van deze oplossing werden opgesomd in het artikel met de titel “An Integrated Dual-Side Series/Parallel Piezoelectric Resonator-based 20-to-2.2V DC-DC Converter Achieving a 310% Loss Reduction”. Enkele van deze voordelen waren als volgt:
- Het is de eerste geïntegreerde schakeling die wordt gebruikt voor PR-gebaseerde vermogensomzetting.
- De oplossing kan een verliesreductie tot 310% realiseren.
- De converter kan verbeterde prestaties leveren bij lage spanningsomzettingsverhoudingen, waarbij een hoge efficiëntie behouden blijft en piëzo-elektrische materialen optimaal worden benut.
- Hij is in staat om geavanceerde vermogensstadia aan te bieden op een klein oppervlak in vergelijking met discrete ontwerpen, terwijl hij efficiënte apparaatwerking mogelijk maakt bij spanningsomzettingsverhoudingen van minder dan 0,1.
- Aangezien de geïntegreerde schakeling het mogelijk maakt om alle vermogensschakelaars op één chip te consolideren, wordt de PCB-voetafdruk aanzienlijk verkleind. Het is ook mogelijk om een verbeterde fase‑control precisie te bereiken.
Deze voordelen stapelen zich gezamenlijk op tot iets groters: ze verminderen niet alleen de vraag naar piëzo‑elektrisch materiaal, maar stellen de wetenschappelijke gemeenschap ook in staat om high‑power computerservers, autosystemen, USB‑laders en batterij‑aangedreven apparaten te produceren met de DC‑DC‑converter voor een laag VCR‑bereik.
Efficiënte Piëzo‑Fotobeweging- en Statische Krachtmeetapparaten
Technische innovaties zoals de hierboven genoemde komen voort uit een consistente reeks onderzoeken over het onderwerp. Bijvoorbeeld, het december 2023‑nummer van Sensors and Actuators bevatte een studie die de prestaties analyseerde van on‑chip gekoppelde piëzo/fotodiodes, en een numerieke benadering suggereerde voor het berekenen van de mechanische efficiëntie van piëzo‑foto‑bewegingsapparaten.
Deze apparaten, die piëzo‑elektrische actuatoren integreren met siliciumzonnecellen, kunnen optische energie omzetten in mechanische energie, waardoor ze geschikt zijn voor op afstand bestuurde micro‑ en nanorobots.
De bevindingen gaven aan dat de mechanische efficiëntie van de apparaten niet afhankelijk was van de ingangsspanning en kon verbeteren door dunner maken en backside‑etsen.
Verder onderzocht een studie uit 2021 de rol van piëzo‑elektrische sensoren bij het meten van statische krachten, waarbij hun populariteit in krachtmeettoepassingen werd benadrukt vanwege hun lage kosten, lineaire respons en hoge gevoeligheid. Deze sensoren zetten dynamische krachten efficiënt om in elektrische signalen.
Studies over het verkleinen van printplaten
Wat het aspect van het verkleinen van printplaten betreft, is er ook veel onderzoek in dat gebied gedaan. Een opmerkelijke studie uit 2020, gepubliceerd door het IEEE, ging dieper in op hoe elektronische componenten kleiner zijn geworden als gevolg van steeds dichtere elektronische printplaten.
Dit onderzoek erkende het feit dat kleinere discrete passieve componenten zoals oppervlakte‑gemonteerde condensatoren en weerstanden in gebruik toenamen, en een trend identificeerde naar afmetingen die uiteindelijk vergroting zouden vereisen.
Het ging ook in op de zorgen over defecten in deze producten en pleitte voor het toepassen van geschikte ontwerpparameters voor printplaten bij het bepalen van de pad‑geometrieën.
De bevindingen benadrukten dat kleinere pad‑geometrieën een cruciale rol spelen bij het verminderen van tombstoning — een toestand waarbij een condensator of weerstand slechts aan één uiteinde soldeert door de verticale rotatie van het component, wat leidt tot een open circuit. De onderzoekers adviseerden ook om de soldeermasker tussen de pads te verwijderen om defectvrije resultaten te behalen.
Naast institutioneel en academisch onderzoek investeren talrijke bedrijven aanzienlijk in deze technologieën en ontwikkelen ze efficiënte oplossingen. De volgende segmenten zullen enkele van deze bedrijven en de innovatieve producten die ze ontwikkelen verkennen.
#1. ON Semiconductor
ON Semiconductor Corporation heeft met succes Fairchild Semiconductor verworven voor US$2,4 miljard in contanten in september 2016. Ten tijde van de overname was Fairchild zeer actief op het gebied van piëzo‑elektrische vermogensomzetters. Bijvoorbeeld, hun FAN8831 single-chip piëzo‑elektrische actuator was een product dat bestond uit een step‑up DC‑DC‑omzetter met een geïntegreerde 36 V boost‑schakelaar en een full‑bridge uitgangsstadium.
Het apparaat kon een piëzo bi‑directioneel aansturen met 120 V piek‑tot‑piek vanaf een enkele 3 V lithiumcel. Het kon opereren in een kritieke geleidingsmodus (CRM), geoptimaliseerd om functioneel te blijven in een gekoppelde inductorconfiguratie die uitgangsspanningen boven 60 V biedt. De oplossing werd geleverd met over‑spannings‑ en over‑stroombeveiliging en ingebouwde mogelijkheden voor thermische uitschakeling wanneer nodig.
Een interne schakeling maakt de full‑bridge gate‑driver mogelijk zodra de uitgangsspanning van de step‑up DC‑DC‑omzetter een niveau bereikt dat overeenkomt met de hysterese. Externe weerstanden hielpen de boost‑spanning in te stellen, terwijl de step‑up stroomlimiet geprogrammeerd kon worden via de externe weerstand op de OCP‑pin. De uitgangs‑H‑bridge bevatte vier geïntegreerde 75 V P‑ en N‑kanalen voor de sinusgolf‑aandrijving van de piëzo‑actuator.
(ON )
Voor het jaar eindigend op 31 december 2023 registreerde ON Semiconductor een omzet van US$8,253 miljard, een lichte daling ten opzichte van de omzet van US$8,326 miljard in het voorgaande jaar. Voor het meest recente jaar bedroeg de nettowinst toegeschreven aan ON Semiconductor US$2,183 miljard, een lichte stijging ten opzichte van US$1,902 miljard in het vorige fiscale jaar.
#2. Texas Instruments
Een andere industriële piëzo‑driver met een geïntegreerde boost‑omzetter kwam van Texas Instruments. Het product DRV2700 was een single‑chip piëzo‑driver met een geïntegreerde 105‑V boost‑schakelaar, geïntegreerde vermogensdiode en volledig differentiële versterker. Het apparaat kon, dankzij zijn inherente veelzijdigheid, zowel hoge‑spannings‑ als lage‑spannings‑piëzo‑belastingen aansturen. Het ingangssignaal kon differentieel of single‑ended zijn, AC‑ of DC‑gekoppeld. Het apparaat ondersteunde vier GPIO‑gestuurde versterkingen, namelijk 28,8 dB, 34,8 dB, 38,4 dB en 40,7 dB.
Net als de oplossing van ON Semiconductor verhogen hier twee externe weerstanden de spanning. Er zijn twee onafhankelijke batterijen. Eén wordt ondersteund door de switch‑pin, terwijl de andere door de VDD‑pin.
Dankzij de unieke boost‑converterarchitectuur van het product is het mogelijk de prestaties van het DRV2700‑circuit te optimaliseren voor een gegeven inductor. Aangezien de converter sterk leunt op een hysteretische architectuur, kan men schakelschade minimaliseren en de efficiëntie verhogen.
Het apparaat heeft een typische opstarttijd van 1,5 ms, waardoor het snel uit de slaapstand kan komen. Het beschikt over thermische overbelastingsbescherming die het beschermt tegen schade bij overbelasting.
(TXN )
Texas Instruments Incorporated en haar dochterondernemingen rapporteerden een omzet van US$17,519 miljard voor het jaar eindigend op 31 december 2023, wat een aanzienlijke daling was ten opzichte van de omzet van US$20,028 miljard in het voorgaande jaar. Voor FY 2023 bedroegen de verwaterde winst per gewone aandeel US$7,07, terwijl die voor FY 2022 US$9,41 waren.
#3. Boreas Technologies
Het product van Boreas Technologies met de tagnaam ‘BOS1901’ is een andere efficiënte single‑chip piëzo‑actuator driver dat wordt aangedreven door de gepatenteerde capDrive‑technologie van het bedrijf, wat resulteert in verbeterde normen voor energieterugwinning. Het product kan actuatoren aansturen met golfvormen tot 190 Vpk‑pk terwijl het werkt vanaf een voedingsspanning tussen 3 en 5,5 V.
Vanwege zijn kleine formaat vindt het product toepassing in diverse eindgebruikgebieden waar minimalisatie van energieverbruik en warmteafvoer noodzakelijk is.
De high‑speed SPI die het product gebruikt in zijn Digital Front End stelt het in staat een enkele communicatielijn te delen tussen multi‑actuator systemen. De Digital Front End maakt het bovendien mogelijk alle instellingen aan te passen met slechts zeven passieve discrete componenten.
BOS1901 is compatibel met een reeks commerciële off‑the‑shelf inductoren. Het is ook effectief voor systemen die niet zijn uitgerust om omgekeerde stroom te verwerken. De BOS1901 heeft een unidirectionele stroominvoer. Wanneer geactiveerd, laat deze stroominvoer de driver zich gedragen als een weerstandslast zonder de energie‑efficiëntie te verminderen. BOS1901 heeft een opstarttijd van minder dan 300 microseconden. De latentie is verwaarloosbaar.
Volgens de meest recente beschikbare informatie heeft Boreas Technologies in november 2023 een financieringsronde van US$12 miljoen afgerond. Het bedrijf besloot de middelen te gebruiken om de grootschalige productie van zijn ultra‑low‑power piëzo‑haptische halfgeleiders in mobiele, pc‑ en automotive‑toepassingen te versnellen.
Kleine omzetters en hun voordelen
Ingenieurs over de hele wereld gaan de uitdaging aan om systeemontwerpen te creëren die ofwel kleiner zijn of meer functionaliteit in dezelfde afmetingen bieden. Om meer op printplaten te kunnen plaatsen, is het behalen van een hogere PCB‑dichtheid cruciaal geworden. Dit brengt echter meer complexiteit met zich mee voor ontwerpers, met name bij het uitvoeren van board‑routing en board‑layout taken.
De drang om deze obstakels te overwinnen heeft geleid tot de ontwikkeling van analoge signaalketen‑producten die ingenieurs helpen de board‑ruimte te optimaliseren zonder concessies te doen aan functies, kosten, eenvoud of robuustheid. Een dergelijke opmerkelijke uitvinding zijn operationele versterkers, die hoge prestaties en een buitengewoon stabiel versterkingscircuit garanderen met slechts enkele passieve componenten.
De operationele versterkers van Texas Instruments zijn bijvoorbeeld beschikbaar in 16 verschillende pakketten, waaronder de kleinste enkel‑ en quad‑kanaal pakketten in de industrie. Evenzo zijn er kleine comparatoren ontworpen met twee ingangen, één uitgang en twee voedingspinnen, bedoeld om ingangs‑spanningen te vergelijken en de uitgang dienovereenkomstig aan te passen. De kleinste comparator in de industrie past in een WCSP‑pakket van 0,7 × 0,7 mm, wat 4 % kleiner is dan concurrerende apparaten en werkt tot 1,7 V, waardoor hij ideaal is voor ruimte‑kritische ontwerpen zoals smartphones en andere draagbare of batterij‑aangedreven toepassingen.
Klein‑formaat stroom‑sense versterkers zijn ook opgekomen door de groeiende vraag naar systeemintelligentie en energie‑efficiëntie. Kritieke systemen vereisen betere monitoring. Het meten en monitoren van stroom is mogelijk door de spanningsval over een shunt‑ of stroom‑sense weerstand te detecteren.
Met small‑outline transistors zo klein als 1,6 mm × 1,6 mm is het mogelijk geweest om stroom‑sense versterkers te ontwikkelen die 40 % kleiner zijn dan hun dichtstbijzijnde concurrerende doorvoerpakketten. Deze oplossingen zijn ontworpen voor gebruik in ruimte‑beperkte toepassingen.
Al met al heeft onderzoek en ontwikkeling het mogelijk gemaakt om de PCB‑voetafdruk aanzienlijk te verkleinen, terwijl de kanaaldichtheid wordt verhoogd en een hogere integratie van andere componenten en functies met een kleine dataconverter wordt benut. Dergelijke ontwikkelingen zullen resulteren in meer bespaarde ruimte en efficiëntere ontwerpen.
Naarmate elektronische gadgets elke dag kleiner worden en de vraag naar nieuwe functies hoger, zullen deze ontwikkelingen alleen maar meer momentum krijgen.
