Krympande kretskort med piezoelektriska kraftomvandlare

“Small is Big,” en mycket populär fras, har gång på gång visat sitt värde. Teknologiska insatser som gjort vårt dagliga liv bättre blir allt mindre, sparar utrymme och ökar effektiviteten. 

I ett av de senaste exemplen på en sådan insats har forskare vid University of California San Diego och CEA-Leti utvecklat en banbrytande, mycket sofistikerad piezoelektrisk DC-DC-omvandlare som kan förena alla strömbrytare på ett enda chip. 

Låt oss börja med att undersöka fördelarna med denna innovation och varför den hyllas med så stor entusiasm i den vetenskapliga världen. 

En hög effekt­täthetsomvandlare

Att komprimera omvandlaren till ett enda chip ger främst en ökad effekt­täthet och skapar nya kraftdynamiker genom att kombinera fördelarna med piezoelektriska omvandlare med de hos kapacitiva DC‑DC‑omvandlare. Denna teknik ersätter de tidigare skrymmande induktorerna och är redo att snart driva smartphones, datorer, serverfarmar, AR/VR‑headset och mer.

Ytterligare fördelar och nya egenskaper hos denna lösning listas i artikeln med titeln ”An Integrated Dual-Side Series/Parallel Piezoelectric Resonator-based 20-to-2.2V DC-DC Converter Achieving a 310% Loss Reduction.” Några av dessa fördelar var följande:

• Det är den första integrerade kretsen som används för PR‑baserad kraftomvandling. 
• Lösningen kan uppnå upp till 310 % förlustreduktion. 
• Omvandlaren kan leverera förbättrad prestanda vid låga spänningsomvandlingsförhållanden, bibehålla hög effektivitet samtidigt som piezoelektriska material utnyttjas optimalt. 
• Den kan erbjuda sofistikerade kraftsteg på ett litet område jämfört med diskreta konstruktioner samtidigt som den möjliggör effektiv enhetsdrift vid spänningsomvandlingsförhållanden under 0,1.
• Eftersom den integrerade kretsen möjliggör att samla alla strömbrytare på ett enda chip, minskas PCB‑avtrycket avsevärt. Det är också möjligt att uppnå förbättrad fas‑kontrollprecision.

Dessa fördelar samverkar till något större: de minskar inte bara efterfrågan på piezoelektriskt material utan ger även forskarsamhället möjlighet att producera högpresterande datorservrar, fordonsystem, USB‑laddare och batteridrivna enheter med den låga VCR‑området DC‑DC‑omvandlaren. 

Effektiva piezo‑fotomotions‑ och statiska kraftmätningsenheter

Tekniska innovationer som den vi nämnde ovan härrör från en kontinuerlig forskningslinje inom ämnet. Till exempel presenterade december 2023‑numret av Sensors and Actuators en studie som analyserade prestandan hos on‑chip kopplade piezo/fotodioder, och föreslog ett numeriskt tillvägagångssätt för att beräkna den mekaniska effektiviteten hos piezo‑fotomotionsenheter. 

Dessa enheter, som integrerar piezoelektriska aktuatorer med kisel‑solceller, kan omvandla optisk energi till mekanisk energi, vilket gör dem lämpliga för fjärrstyrda mikro‑ och nanorobotar. 

Resultaten indikerade att den mekaniska effektiviteten hos enheterna inte berodde på ingångsspänningen och kunde förbättras genom tunna och baksides‑etsning.

Vidare undersökte en studie från 2021 rollen för piezoelektriska sensorer vid mätning av statiska krafter, och framhöll deras popularitet i kraftmätningsapplikationer på grund av låg kostnad, linjär respons och hög känslighet. Dessa sensorer omvandlar effektivt dynamiska krafter till elektriska signaler.

Klicka här för att lära dig hur framsteg inom piezoelektriska kompositer gör det möjligt att utnyttja & tolka kinetisk energi.

Studier om krympande kretskort

När det gäller krympning av kretskort har också mycket forskning ägt rum inom detta område. En anmärkningsvärd studie från 2020, publicerad av IEEE, gick in på hur elektroniska komponenter har krympt som en följd av att elektroniska kretskort blir tätare.

Denna forskning erkände att mindre diskreta passiva komponenter som ytmonterade kondensatorer och motstånd ökade i användning, och pekade på en trend mot storlekar som så småningom skulle kräva förstoring.

Den tog också upp oro kring defekter i dessa produkter och förespråkade införandet av lämpliga designparametrar för kretskort vid bestämning av pad‑geometrier.

Resultaten betonade att mindre pad‑geometrier spelar en avgörande roll för att minska tombstoning — ett tillstånd där en kondensator eller ett motstånd bara löder på ena änden på grund av komponentens vertikala rotation, vilket leder till en öppen krets. Forskarna rekommenderade också att ta bort lödmasken mellan padarna för att uppnå defektfria resultat.

Utöver institutionell och akademisk forskning investerar många företag kraftigt i dessa teknologier och utvecklar effektiva lösningar. Följande avsnitt kommer att utforska några av dessa företag och de innovativa produkter de utvecklar.

#1. ON Semiconductor

ON Semiconductor Corporation (ON ) förvärvade framgångsrikt Fairchild Semiconductor för 2,4 miljarder USD i kontanter i september 2016. Vid förvärvstidpunkten var Fairchild mycket aktiva inom området piezoelektriska kraftomvandlare. Till exempel var deras FAN8831‑enkel‑chip‑piezoelektriska aktuator en produkt som bestod av en step‑up DC‑DC‑omvandlare med en integrerad 36 V boost‑switch och en full‑bridge‑utgångssteg. 

Enheten kunde driva en piezo bi‑riktat med 120 V topp‑till‑topp från ett enda 3 V litiumceller. Den kunde fungera i ett kritiskt ledningsläge (CRM), optimerat för att förbli funktionell i en kopplad induktorkonfiguration som levererar utspänningar över 60 V. Lösningen inkluderade över‑spännings‑ och över‑strömsskydd samt inbyggda möjligheter till termisk avstängning vid behov.

En intern krets möjliggör full‑bridge‑gate‑drivrutinen när step‑up DC‑DC‑omvandlarens utspänning når en nivå som motsvarar hysteresen. Externa motstånd hjälpte till att ställa in boost‑spänningen, medan step‑up‑strömgränsen kunde programmeras via det externa motståndet på OCP‑stiftet. Utgångens H‑bridge hade fyra integrerade 75 V P‑ och N‑kanaler för sinusvåg‑drift av piezo‑aktuatorn.

För räkenskapsåret som avslutades den 31 december 2023 rapporterade ON Semiconductor en omsättning på 8,253 miljarder USD, en liten nedgång jämfört med föregående års omsättning på 8,326 miljarder USD. För det senaste året uppgick nettoresultatet som kan hänföras till ON Semiconductor till 2,183 miljarder USD, en liten ökning från föregående räkenskapsårs 1,902 miljarder USD.

#2. Texas Instruments 

En annan industriell piezo‑drivrutin med integrerad boost‑omvandlare kom från Texas Instruments (TXN ). Produkten DRV2700 var en enkel‑chip‑piezo‑drivrutin med en integrerad 105 V boost‑switch, integrerad kraftdiod och en fullt differentiell förstärkare. Enheten, tack vare sin inneboende mångsidighet, kunde driva både hög‑spännings‑ och låg‑spännings‑piezoelektriska laster. Indatasignalen kunde vara differentiell eller enkeländad, AC‑ eller DC‑kopplad. Enheten stödde fyra GPIO‑styrda förstärkningsnivåer, inklusive 28,8 dB, 34,8 dB, 38,4 dB och 40,7 dB.

Liknande ON Semiconductors lösning används två externa motstånd för att öka spänningen även här. Det finns två oberoende batterier. Ett har stöd av switch‑stiftet, medan det andra har VDD‑stiftet.

På grund av produktens unika boost‑omvandlararkitektur är det möjligt att optimera DRV2700‑kretsens prestanda för en given induktor. Eftersom omvandlaren kraftigt utnyttjar en hysteretisk arkitektur kan man minimera switch‑förluster och öka effektiviteten.

Enheten har en typisk uppstartstid på 1,5 ms, vilket gör den tillräckligt kapabel att snabbt vakna ur viloläge. Den har funktioner för termiskt överbelastningsskydd som skyddar den mot skador vid överdriven drift.

Texas Instruments Incorporated och dess dotterbolag rapporterade en omsättning på 17,519 miljarder USD för räkenskapsåret som avslutades den 31 december 2023, vilket var en betydande nedgång jämfört med föregående års omsättning på 20,028 miljarder USD. För räkenskapsåret 2023 var den utspädda vinsten per stamaktie 7,07 USD, medan den för 2022 var 9,41 USD.

#3. Boreas Technologies

Boreas Technologies produkt med beteckningen ‘BOS1901’ är en annan effektiv enkel‑chip‑piezo‑aktuatordrivrutin som drivs av företagets patenterade capDrive‑teknik, vilket ger förbättrade standarder för energirecirkulation. Produkten kan driva aktuatorer med vågformer upp till 190 V pk‑pk samtidigt som den arbetar från en försörjningsspänning mellan 3 och 5,5 V.

På grund av sin lilla storlek finner produkten tillämpning i en rad slutanvändningsområden där minimering av strömförbrukning och värmeavledning är nödvändig.

Den hög hastighets‑SPI som produkten använder i sin Digital Front End möjliggör att dela en enda kommunikationsbuss bland flera aktuatorsystem. Digital Front End gör också att alla inställningar kan justeras med endast sju passiva diskreta komponenter.

BOS1901 är kompatibel med ett brett sortiment av kommersiella standardinduktorer. Den är också effektiv för system som inte är utrustade för att hantera omvänd strömflöde. BOS1901 levereras med en unidirektional strömingång. När den aktiveras får denna strömingång drivrutinen att fungera som en resistiv belastning utan att minska energieffektiviteten. BOS1901 har en uppstartstid på mindre än 300 mikrosekunder. Dess latens är obetydlig.

Enligt den senaste tillgängliga informationen avslutade Boreas Technologies en finansieringsrunda på 12 miljoner USD i november 2023. Företaget beslutade att använda medlen för att påskynda högvolymproduktionen av sina ultralågeffektiva piezo‑haptiska halvledare för mobila, PC‑ och fordonsapplikationer.

Små omvandlare och deras fördelar

Ingenjörer världen över tar sig an utmaningen att skapa systemdesigner som antingen är mindre eller packar fler funktioner inom befintliga dimensioner. För att rymma mer på kretskort har det blivit avgörande att uppnå högre PCB‑täthet. Detta medför dock ökade komplexiteter för konstruktörer, särskilt vid ledningsspårning och layout av kort.

Drivet att övervinna dessa hinder har lett till utvecklingen av analoga signal‑kedjeprodukter som hjälper ingenjörer att optimera kortutrymmet utan att kompromissa med funktioner, kostnad, enkelhet eller robusthet. En sådan anmärkningsvärd uppfinning är operationsförstärkare, som säkerställer hög prestanda och en extremt stabil förstärkningskrets med bara några få passiva komponenter.

Texas Instruments operationsförstärkare finns till exempel i 16 olika förpackningar, inklusive branschens minsta enkel‑ och fyrkanalspaket. På samma sätt finns små komparatorer designade med två ingångar, en utgång och två strömförsörjningsstift, avsedda för att jämföra ingångsspänningar och justera utgången därefter. Den minsta komparatorn i branschen får plats i ett WCSP‑paket som mäter 0,7 × 0,7 mm, vilket är 4 % mindre än konkurrerande enheter och fungerar ner till 1,7 V, vilket gör den idealisk för rymdkritiska designer som smartphones och andra bärbara eller batteridrivna applikationer.

Små ström‑sensförstärkare har också kommit in i bilden i takt med den växande efterfrågan på systemintelligens och energieffektivitet. Kritiska system kräver bättre övervakning. Detta mätning och övervakning av ström är möjlig genom att känna av spänningsfallet över en shunt‑ eller strömsens‑resistor.

Med små outline‑transistorer som mäter så lite som 1,6 mm × 1,6 mm har det blivit möjligt att utveckla strömsens‑förstärkare som är 40 % mindre än deras närmaste konkurrerande ledade paket. Dessa lösningar har designats för användning i utrymmesbegränsade applikationer.

Sammanlagt har forskning och utveckling gjort det möjligt att avsevärt minska PCB‑avtrycket samtidigt som kanal‑tätheten ökas och högre integration av andra komponenter och funktioner utnyttjas med en liten datakonverter. Sådana utvecklingar kommer att leda till mer sparat utrymme och mer effektiva designer.

När elektroniska prylar blir allt mindre för varje dag som går och efterfrågan på nya funktioner ökar, kommer dessa utvecklingar bara att samla ännu mer momentum.