Reduzindo Placas de Circuito Impresso com Conversores de Energia Piezoelétrica

“Pequeno é Grande,” uma frase amplamente popular, tem provado seu mérito repetidas vezes. Intervenções tecnológicas que melhoraram nosso dia a dia estão ficando menores, economizando espaço e aumentando a eficiência. 

Em uma das últimas ocorrências de tal intervenção, cientistas da University of California San Diego e da CEA-Leti desenvolveram um conversor DC-DC baseado em piezoelétrico de ponta, altamente sofisticado que poderia unificar todos os interruptores de energia em um único chip. 

Vamos começar analisando o mérito dessa inovação e por que ela está sendo elogiada com tanto entusiasmo no mundo científico. 

Um Conversor de Alta Densidade de Potência

Compactar o conversor em um único chip alcança principalmente um aumento da densidade de potência e cria novas dinâmicas de energia ao combinar os benefícios dos conversores piezoelétricos com os dos conversores DC-DC baseados em capacitância. Essa tecnologia substitui os indutores volumosos anteriores e está pronta para alimentar em breve smartphones, computadores, fazendas de servidores, headsets de AR/VR e muito mais.

Outras vantagens e qualidades inovadoras desta solução foram listadas no artigo intitulado “Um Conversor DC-DC de 20 a 2,2 V baseado em Ressonador Piezoelétrico Dual-Side Série/Paralelo Integrado, Alcançando uma Redução de Perdas de 310%”. Alguns desses benefícios foram os seguintes:

• É o primeiro circuito integrado usado para conversão de energia baseada em PR. 
• A solução pode alcançar até 310% de redução de perdas. 
• O conversor pode oferecer desempenho aprimorado em relações de conversão de baixa tensão, mantendo alta eficiência ao utilizar materiais piezoelétricos de forma otimizada. 
• É capaz de oferecer estágios de energia sofisticados em uma área pequena em comparação com projetos discretos, permitindo operação eficiente do dispositivo em relações de conversão de tensão inferiores a 0,1.
• Como o circuito integrado possibilita consolidar todos os interruptores de energia em um único chip, a pegada da PCB é reduzida significativamente. Também é possível alcançar maior precisão no controle de fase.

Esses benefícios se acumulam em algo maior: eles não apenas reduzem a demanda por material piezoelétrico, mas também capacitam a comunidade científica a produzir servidores de computação de alta potência, sistemas automotivos, carregadores USB e dispositivos alimentados por bateria com o conversor DC-DC de faixa VCR baixa. 

Dispositivos Eficientes de Piezo-Fotomotion e Medição de Força Estática

Inovações técnicas como a que mencionamos acima decorrem de uma sequência consistente de pesquisas sobre o assunto. Por exemplo, a edição de dezembro de 2023 da Sensors and Actuators apresentou um estudo que analisou o desempenho de piezo/fotodiodos acoplados em chip, sugerindo uma abordagem numérica para calcular a eficiência mecânica de dispositivos de piezo-fotomotion. 

Esses dispositivos, integrando atuadores piezoelétricos com células solares de silício, podem converter energia óptica em energia mecânica, tornando-os adequados para microrobôs e nanorobôs controlados remotamente. 

Os resultados indicaram que a eficiência mecânica dos dispositivos não dependia da tensão de entrada e poderia melhorar com afinamento e gravação da parte traseira.

Além disso, um estudo de 2021 explorou o papel dos sensores piezoelétricos na medição de forças estáticas, destacando sua popularidade em aplicações de medição de força devido ao baixo custo, resposta linear e alta sensibilidade. Esses sensores convertem eficientemente forças dinâmicas em sinais elétricos.

Clique aqui para saber como os avanços em compósitos piezoelétricos estão tornando possível capturar e interpretar energia cinética.

Estudos sobre a Redução de Tamanhos de Placas de Circuito Impresso

No que diz respeito à redução de tamanho das placas de circuito impresso, muita pesquisa também foi realizada nessa área. Um estudo notável de 2020, publicado pelo IEEE, investigou como os componentes eletrônicos têm diminuído como resultado do aumento da densidade das placas de circuito impresso eletrônicas. 

Esta pesquisa reconheceu o fato de que dispositivos passivos discretos menores, como capacitores e resistores de montagem em superfície, estavam aumentando em uso, apontando uma tendência para tamanhos que eventualmente exigiriam ampliação. 

Também abordou as preocupações com defeitos nesses produtos, defendendo a adoção de parâmetros de design de placa de circuito impresso adequados na determinação das geometrias dos pads da placa. 

Os resultados ressaltaram que geometrias de pads menores desempenham um papel crítico na mitigação do tombstoning — uma condição em que um capacitor ou resistor solda apenas em uma extremidade devido à rotação vertical do componente, levando a um circuito aberto. Os pesquisadores também recomendaram remover a máscara de solda entre os pads para obter resultados sem defeitos. 

Além da pesquisa institucional e acadêmica, inúmeras empresas estão investindo significativamente nessas tecnologias, desenvolvendo soluções eficientes. Os segmentos a seguir explorarão algumas dessas empresas e os produtos inovadores que estão desenvolvendo.

#1. ON Semiconductor

ON Semiconductor Corporation (ON )  adquiriu com sucesso Fairchild Semiconductor por US$2,4 bilhões em dinheiro em setembro de 2016. No momento da aquisição, a Fairchild estava altamente ativa no campo de conversores de energia piezoelétricos. Por exemplo, seu FAN8831 atuador piezoelétrico de chip único era um produto que consistia em um conversor DC-DC step-up com um interruptor de boost integrado de 36 V e um estágio de saída de ponte completa. 

O dispositivo podia acionar um Piezo bidirecionalmente a 120V pico a pico a partir de uma única célula de lítio de 3 V. Poderia operar em modo de condução crítica (CRM), otimizado para permanecer funcional em uma configuração de indutor acoplado oferecendo tensões de saída acima de 60 V. A solução incluía proteção contra sobretensão e sobrecorrente e capacidades incorporadas para desligamento térmico quando necessário. 

Um circuito interno permite o driver de porta de ponte completa quando a tensão de saída do conversor DC-DC step-up atinge um nível compatível com a histerese. Resistores externos ajudavam a definir a tensão de boost, enquanto o limite de corrente do step-up podia ser programado via resistor externo no pino OCP. A ponte H de saída apresentava quatro canais integrados de 75 V P e N para o acionamento em forma de onda senoidal do atuador Piezo. 

Para o ano encerrado em 31 de dezembro de 2023, ON Semiconductor registrou uma receita de US$8,253 bilhões, uma leve queda em relação à receita do ano anterior de US$8,326 bilhões. No último ano, o lucro líquido atribuível à ON Semiconductor foi de US$2,183 bilhões, um pequeno aumento em relação ao US$1,902 bilhões do exercício anterior. 

#2. Texas Instruments 

Outro driver piezo de nível industrial com um conversor boost integrado veio da Texas Instruments (TXN ). O produto DRV2700 foi um driver piezo de chip único com um interruptor boost integrado de 105 V, diodo de potência integrado e amplificador totalmente diferencial. O dispositivo, devido à sua versatilidade inerente, podia acionar cargas piezoelétricas de alta e baixa tensão. O sinal de entrada podia ser diferencial ou single-ended, acoplado AC ou DC. O dispositivo suportava quatro ganhos controlados por GPIO, incluindo 28,8 dB, 34,8 dB, 38,4 dB e 40,7 dB. 

Semelhante à solução da ON Semiconductor, dois resistores externos aumentam a tensão aqui também. Existem duas baterias independentes. Uma tem o suporte do pino de chave, enquanto a outra tem o do pino VDD. 

Devido à arquitetura única do conversor boost do produto, é possível otimizar o desempenho do circuito DRV2700 para um determinado indutor. Como o conversor depende fortemente de uma arquitetura histerética, é possível minimizar perdas de comutação e aumentar a eficiência. 

O dispositivo tem um tempo de inicialização típico de 1,5 ms, tornando-o suficientemente capaz de sair do modo de suspensão rapidamente. Possui recursos de proteção contra sobrecarga térmica que o protegem de danos quando sobrecarregado. 

Texas Instruments Incorporated e suas subsidiárias publicaram uma receita de US$17,519 bilhões para o ano encerrado em 31 de dezembro de 2023, o que representou uma queda considerável em relação à receita do ano anterior de US$20,028 bilhões. Para o FY 2023, o lucro diluído por ação ordinária foi de US$7,07, enquanto para o FY 2022 foi de US$9,41. 

#3. Boreas Technologies

O produto da Boreas Technologies com o nome de etiqueta ‘BOS1901’ é outro driver de atuador piezo de chip único driver de atuador piezo de chip único que é alimentado pela tecnologia patenteada capDrive da empresa, resultando em padrões aprimorados de recuperação de energia. O produto pode acionar atuadores com formas de onda de até 190 V pico a pico enquanto opera com uma tensão de alimentação entre 3 e 5,5 V. 

Devido ao seu tamanho pequeno, o produto encontra aplicação em uma variedade de áreas de uso final onde a minimização do consumo de energia e da dissipação de calor é necessária. 

O SPI de alta velocidade que o produto utiliza em seu Front End Digital permite compartilhar um único barramento de comunicação entre sistemas de múltiplos atuadores. O Front End Digital também possibilita ajustar todas as configurações com apenas sete componentes discretos passivos. 

O BOS1901 é compatível com uma variedade de indutores comerciais prontos para uso. Também é eficaz para sistemas que não estão equipados para lidar com fluxo de corrente reversa. O BOS1901 vem com uma entrada de energia unidirecional. Quando ativada, essa entrada faz o driver se comportar como uma carga resistiva sem reduzir a eficiência de energia. O BOS1901 tem um tempo de inicialização inferior a 300 microssegundos. Sua latência é insignificante. 

De acordo com as últimas informações disponíveis, a Boreas Technologies concluiu uma rodada de financiamento de US$12 milhões em novembro de 2023. A empresa decidiu utilizar os recursos para acelerar a produção em grande volume de seus semicondutores piezo hápticos de ultra-baixa potência em aplicações móveis, de PC e automotivas.

Conversores Pequenos e seus Benefícios

Engenheiros ao redor do mundo estão enfrentando o desafio de criar designs de sistemas que sejam menores ou que acomodem mais funcionalidades dentro das dimensões existentes. Para acomodar mais em placas de circuito impresso, alcançar maior densidade de PCB tornou-se crucial. Isso, porém, introduz mais complexidades para os projetistas, particularmente na execução de roteamento e layout da placa. 

O esforço para superar esses obstáculos levou ao desenvolvimento de produtos de cadeia de sinal analógica que ajudam os engenheiros a otimizar o espaço da placa sem sacrificar recursos, custo, simplicidade ou robustez. Uma invenção notável desse tipo são os amplificadores operacionais, que garantem alto desempenho e um circuito de amplificação extremamente estável com apenas alguns componentes passivos. 

Os amplificadores operacionais da Texas Instruments, por exemplo, estão disponíveis em 16 pacotes diferentes, que incluem os menores pacotes de canal único e quad de toda a indústria. Da mesma forma, existem comparadores pequenos projetados com duas entradas, uma saída e dois pinos de alimentação, destinados a comparar tensões de entrada e ajustar a saída de acordo. O menor comparador da indústria cabe em um pacote WCSP medindo 0,7 × 0,7 mm, que é 4 % menor que dispositivos concorrentes e opera até 1,7 V, tornando-o ideal para designs críticos de espaço como smartphones e outras aplicações portáteis ou alimentadas por bateria. 

Amplificadores de detecção de corrente de tamanho pequeno também surgiram com a crescente demanda por inteligência de sistema e eficiência energética. Sistemas críticos requerem monitoramento aprimorado. Essa medição e monitoramento de corrente é possível ao detectar a queda de tensão através de um shunt ou resistor de detecção de corrente. 

Com transistores de pequeno formato medindo até 1,6 mm × 1,6 mm, foi possível criar amplificadores de detecção de corrente que são 40 % menores que seus pacotes com terminais concorrentes mais próximos. Essas soluções foram projetadas para uso em aplicações com restrição de espaço. 

No conjunto, a pesquisa e desenvolvimento tornaram possível reduzir consideravelmente a pegada da PCB enquanto aumentam a densidade de canais e aproveitam maior integração de outros componentes e recursos com um pequeno conversor de dados. Esses desenvolvimentos resultarão em mais espaço economizado e designs mais eficientes. 

Com os dispositivos eletrônicos ficando menores a cada dia que passa e a demanda por novos recursos aumentando, esses desenvolvimentos só ganharão mais e mais impulso.