Krympende trykte kretskort med piezoelektriske kraftomformere

“Small is Big,” er et svært populært uttrykk som gang på gang har vist sin verdi. Teknologiske inngrep som har gjort hverdagen vår bedre blir stadig mindre, sparer plass og øker effektiviteten. 

I et av de nyeste eksemplene på et slikt inngrep utviklet forskere ved University of California San Diego og CEA-Leti en banebrytende, svært sofistikert piezoelektrisk DC‑DC‑omformer som kan samle alle strømbrytere på én enkelt chip. 

La oss begynne med å se på verdien av denne innovasjonen og hvorfor den blir hyllet med så stor entusiasme i vitenskapens verden. 

En høy effekt-tetthetsomformer

Å komprimere omformeren til én enkelt chip gir primært økt effekt-tetthet og skaper nye kraftdynamikker ved å kombinere fordelene med piezoelektriske omformere og de med kapasitansbaserte DC‑DC‑omformere. Denne teknologien erstatter de tidligere klumpete induktorene og er klar til snart å drive smarttelefoner, datamaskiner, serverparker, AR/VR‑briller og mer.

Ytterligere fordeler og nye egenskaper ved denne løsningen ble listet i artikkelen med tittelen, “An Integrated Dual-Side Series/Parallel Piezoelectric Resonator-based 20-to-2.2V DC-DC Converter Achieving a 310% Loss Reduction.” Noen av disse fordelene var følgende:

• Det er den første integrerte kretsen som brukes for PR‑basert kraftomforming. 
• Løsningen kunne oppnå opptil 310 % reduksjon i tap. 
• Omformeren kan levere forbedret ytelse ved lave spenningsomregningsforhold, opprettholde høy effektivitet samtidig som den utnytter piezoelektriske materialer optimalt. 
• Den er i stand til å tilby sofistikerte kraftstadier på et lite område sammenlignet med diskrete design, samtidig som den muliggjør effektiv enhetsdrift ved spenningsomregningsforhold på mindre enn 0,1.
• Siden den integrerte kretsen gjør det mulig å samle alle strømbrytere på én chip, reduseres PCB‑fotavtrykket betydelig. Det er også mulig å oppnå forbedret fasekontrollpresisjon.

Disse fordelene samler seg til noe større: de reduserer ikke bare etterspørselen etter piezoelektrisk materiale, men gir også forskningsmiljøet mulighet til å produsere høy‑ytelses datamaskin‑servere, bilsystemer, USB‑ladere og batteridrevne enheter med DC‑DC‑omformeren i lav VCR‑område. 

Effektive piezo‑fotobevegelses‑ og statiske kraftmåle‑enheter

Tekniske innovasjoner som den vi nevnte ovenfor stammer fra en kontinuerlig forskningsrekke på temaet. For eksempel presenterte desember‑utgaven 2023 av Sensors and Actuators en studie som analyserte ytelsen til på‑chip koblede piezo/fotodioder, og foreslo en numerisk tilnærming for å beregne den mekaniske effektiviteten tilpiezo‑fotobevegelses‑enheter. 

Disse enhetene, som integrerer piezoelektriske aktuatorer med silisiumsolceller, kan konvertere optisk energi til mekanisk energi, noe som gjør dem egnet for fjernstyrte mikro‑ og nanoroboter. 

Funnene indikerte at den mekaniske effektiviteten til enhetene ikke avhenger av inngangsspenningen og kan forbedres med tynning og backside‑etsing.

Videre undersøkte en studie fra 2021 rollen til piezoelektriske sensorer i måling av statiske krefter, og fremhevet deres popularitet i kraftmåle‑applikasjoner på grunn av lav kostnad, lineær respons og høy følsomhet. Disse sensorene konverterer effektivt dynamiske krefter til elektriske signaler.

Klikk her for å lære hvordan fremskritt innen piezoelektriske kompositter gjør det mulig å utnytte og tolke kinetisk energi.

Studier om krympende trykte kretskort

Når det gjelder krymping av trykte kretskort, har det også blitt gjort mye forskning på dette området. En merkbar studie fra 2020, publisert av IEEE, undersøkte hvordan elektroniske komponenter har blitt mindre som følge av at trykte kretskort blir tettere. 

Denne forskningen anerkjente at mindre diskrete passive enheter som overflatemonterte kondensatorer og motstander ble brukt i økende grad, og identifiserte en trend mot størrelser som til slutt vil kreve forstørrelse. 

Den tok også opp bekymringer knyttet til feil i disse produktene, og oppfordret til bruk av passende designparametere for trykte kretskort ved fastsettelse av pad‑geometrier. 

Funnene understreket at mindre pad‑geometrier spiller en kritisk rolle i å dempe «tombstoning» – en tilstand der en kondensator eller motstand kun loddes på den ene enden på grunn av komponentens vertikale rotasjon, noe som fører til en åpen krets. Forskerne anbefalte også å fjerne loddemasken mellom pad‑ene for å oppnå feilfrie resultater. 

Utover institusjonell og akademisk forskning investerer mange bedrifter betydelig i disse teknologiene og utvikler effektive løsninger. Følgende segmenter vil utforske noen av disse selskapene og de innovative produktene de utvikler.

#1. ON Semiconductor

ON Semiconductor Corporation ervervet Fairchild Semiconductor for 2,4 milliarder USD i kontanter i september 2016. På tidspunktet for oppkjøpet var Fairchild svært aktive innen feltet piezoelektriske kraftomformere. For eksempel var deres FAN8831 single-chip piezoelectric actuator et produkt som bestod av en step‑up DC‑DC‑omformer med en integrert 36V boost‑bryter og en full‑bridge utgangsstadie. 

Enheten kunne drive en piezo bi‑retning med 120V topp‑til‑topp fra en enkelt 3V litiumcelle. Den kunne operere i kritisk ledningsmodus (CRM), optimalisert for å fungere i en koblet induktor‑konfigurasjon som leverer utgangsspenninger over 60V. Løsningen kom med over‑spennings‑ og over‑strømsbeskyttelse samt innebygde muligheter for termisk avstenging ved behov. 

Et internt kretsløp aktiverer full‑bridge gate‑driveren når step‑up DC‑DC‑omformerens utgangsspenning når et nivå som tilsvarer hysterese. Eksterne motstander hjelper med å sette boost‑spenningen, mens step‑up strømgrensen kan programmeres via den eksterne motstanden på OCP‑pinnen. H‑bridge‑utgangen har fire integrerte 75V P‑ og N‑kanaler for sinus‑bølge‑drift av piezo‑aktuatoren. 

For året som endte 31. desember 2023, ON Semiconductor registrerte en omsetning på 8,253 milliarder USD, en liten nedgang fra forrige års omsetning på 8,326 milliarder USD. For det siste året var nettoresultatet tilknyttet ON Semiconductor 2,183 milliarder USD, en liten økning fra forrige regnskapsår på 1,902 milliarder USD. 

#2. Texas Instruments 

En annen industrikvalitets piezo‑driver med integrert boost‑omformer kom fra Texas Instruments. Produktet DRV2700 var en enkelt‑chip piezo‑driver med en integrert 105‑V boost‑bryter, integrert kraftdiode og fullt differensialforsterker. Enheten, på grunn av sin iboende allsidighet, kunne drive både høy‑spennings‑ og lav‑spennings‑piezoelektriske belastninger. Inngangssignalet kunne være differensialt eller enkelt‑ended, AC‑ eller DC‑koblet. Enheten støttet fire GPIO‑styrte forsterkninger, inkludert 28,8 dB, 34,8 dB, 38,4 dB og 40,7 dB.

På samme måte som ON Semiconductors løsning, bruker også denne to eksterne motstander for å øke spenningen. Det finnes to uavhengige batterier. Ett støttes av bryter‑pinnen, mens det andre støttes av VDD‑pinnen. 

Takket være produktets unike boost‑omformer‑arkitektur er det mulig å optimalisere DRV2700‑kretsens ytelse for en gitt induktor. Siden omformeren trekker tungt fra en hysteretisk arkitektur, kan man minimere brytnings‑tap og øke effektiviteten. 

Enheten har en typisk oppstartstid på 1,5 ms, noe som gjør den i stand til raskt å komme seg ut av hvilemodus. Den har termisk overbelastningsbeskyttelse som beskytter den mot skade ved over‑drift. 

Texas Instruments Incorporated og dets datterselskaper rapporterte en omsetning på 17,519 milliarder USD for året som endte 31. desember 2023, noe som var et betydelig fall fra forrige års omsetning på 20,028 milliarder USD. For regnskapsåret 2023 var fortynnet resultat per ordinær aksje 7,07 USD, mens for 2022 var det 9,41 USD. 

#3. Boreas Technologies

Boreas Technologies’ produkt med betegnelsen ‘BOS1901’ er en annen effektiv single-chip piezo actuator driver som drives av selskapets patenterte capDrive‑teknologi, noe som gir forbedrede standarder for energigjenvinning. Produktet kan drive aktuatorer med bølgeformer opp til 190 Vpk‑pk mens det opererer fra en forsyningsspenning mellom 3 og 5,5 V. 

På grunn av sin lille størrelse finner produktet anvendelse i en rekke sluttbruksområder hvor minimering av strømforbruk og varmetap er nødvendig. 

Den høyhastighets‑SPI‑en produktet bruker i sin digitale front‑end gjør det mulig å dele en enkelt kommunikasjonsbuss blant flere aktuatorsystemer. Den digitale front‑end gjør også at alle innstillinger kan justeres med kun syv passive diskrete komponenter. 

BOS1901 er kompatibel med en rekke kommersielle, standard induktorer. Den er også effektiv for systemer som ikke er utstyrt for å håndtere revers strømflyt. BOS1901 leveres med en ensrettet strømtilførsel. Når den er aktivert, får driveren oppførselen til en resistiv last uten å redusere strøm‑effektiviteten. BOS1901 har en oppstartstid på mindre enn 300 mikrosekunder. Dens latens er ubetydelig. 

Ifølge den siste tilgjengelige informasjonen avsluttet Boreas Technologies en finansieringsrunde på 12 millioner USD i november 2023. Selskapet hadde besluttet å bruke midlene til å akselerere høy‑volums produksjon av sine ultra‑lav‑effekt piezo‑haptiske halvledere i mobil‑, PC‑ og bilapplikasjoner.

Små omformere og deres fordeler

Ingeniører over hele verden takler utfordringen med å lage systemdesign som enten er mindre eller pakker flere funksjoner innen de eksisterende dimensjonene. For å få plass til mer på trykte kretskort har oppnåelse av høyere PCB‑tetthet blitt avgjørende. Dette introduserer imidlertid flere kompleksiteter for designere, spesielt ved ruting og layout av kortet. 

Jakten på å overvinne disse hindringene har ført til utviklingen av analog signal‑kjede‑produkter som hjelper ingeniører med å optimalisere kortplass uten å ofre funksjoner, kostnad, enkelhet eller robusthet. En slik bemerkelsesverdig oppfinnelse er operasjonsforsterkere, som sikrer høy ytelse og en usedvanlig stabil forsterkningskrets med kun noen få passive komponenter. 

Texas Instruments’ operasjonsforsterkere er for eksempel tilgjengelige i 16 forskjellige pakker, inkludert bransjens minste enkelt‑ og fire‑kanals pakker. På samme måte finnes det små komparatorer designet med to innganger, en utgang og to strømforsyningspinner, laget for å sammenligne inngangsspenninger og justere utgangen deretter. Den minste komparatoren i bransjen passer i en WCSP‑pakke som måler 0,7 × 0,7 mm, 4 % mindre enn konkurrerende enheter og opererer ned til 1,7 V, noe som gjør den ideell for plass‑kritiske design som smarttelefoner og andre bærbare eller batteridrevne applikasjoner. 

Små strøm‑føle‑forsterkere har også kommet inn i bildet med den økende etterspørselen etter systemintelligens og strøm‑effektivitet. Kritiske systemer krever bedre overvåking. Måling og overvåking av strøm er mulig ved å måle spenningsfallet over en shunt‑ eller strøm‑føle‑motstand. 

Med små‑outline transistorer så små som 1,6 mm × 1,6 mm har det blitt mulig å utvikle strøm‑føle‑forsterkere som er 40 % mindre enn deres nærmeste konkurrerende ledende pakker. Disse løsningene er designet for bruk i plass‑begrensede applikasjoner. 

Alt i alt har forskning og utvikling gjort det mulig å redusere PCB‑fotavtrykket betydelig samtidig som kanal‑tettheten økes og høyere integrasjon av andre komponenter og funksjoner med en liten datakonverter utnyttes. Slike utviklinger vil resultere i mer spart plass og mer effektive design. 

Etter hvert som elektroniske enheter blir mindre og mindre for hver dag som går, og etterspørselen etter nye funksjoner øker, vil disse utviklingene bare samle enda mer momentum.