Enerhiya
Pagpapaikli ng mga Printed Circuit Board Gamit ang mga Piezoelectric Power Converters
“Maliit ay Malaki,” isang tanyag na kasabihan, ay patuloy na pinapatunayan ang kahalagahan nito. Ang mga teknolohikal na interbensyon na nagpaginhawa ng ating pang-araw-araw na buhay ay nagiging mas maliit, nakakatipid ng espasyo, at nagpapataas ng kahusayan.
Sa isa sa mga pinakabagong halimbawa ng ganitong interbensyon, ang mga siyentipiko sa University of California San Diego at CEA-Leti ay nakabuo ng isang napaka-advanced, lubos na sopistikadong piezoelectric-based DC-DC converter na maaaring pagsamahin ang lahat ng power switch sa iisang chip.
Magsimula tayo sa pagtingin sa kahalagahan ng inobasyong ito at kung bakit ito pinupuri nang may malaking sigasig sa mundo ng agham.
Isang Converter na May Mataas na Power Density
Ang pag-compress ng converter sa iisang chip ay pangunahing nagdudulot ng mas mataas na power density at lumilikha ng mga bagong dinamika sa kapangyarihan sa pamamagitan ng pagsasama ng mga benepisyo ng piezoelectric converters at ng mga capacitive-based DC-DC converters. Ang teknolohiyang ito ay pumapalit sa mga dating malalaking inductors at inaasahang magpapagana sa mga smartphone, computer, server farm, AR/VR headset, at iba pa.
Ang karagdagang mga kalamangan at mga bagong katangian ng solusyong ito ay nakalista sa papel na may pamagat na “An Integrated Dual-Side Series/Parallel Piezoelectric Resonator-based 20-to-2.2V DC-DC Converter Achieving a 310% Loss Reduction.” Ilan sa mga benepisyong ito ay ang mga sumusunod:
- Ito ang unang integrated circuit na ginamit para sa PR-based power conversion.
- Ang solusyon ay maaaring makamit ang hanggang 310% na pagbawas ng pagkawala.
- Ang converter ay maaaring maghatid ng pinahusay na pagganap sa mababang voltage conversion ratios, pinapanatili ang mataas na kahusayan habang optimal na ginagamit ang mga piezoelectric material.
- Ito ay kayang magbigay ng sopistikadong power stages sa maliit na espasyo kumpara sa discrete designs habang pinapahintulutan ang epektibong operasyon ng aparato sa voltage conversion ratios na mas mababa sa 0.1.
- Dahil ang integrated circuit ay nagpapahintulot na pagsamahin ang lahat ng power switch sa iisang chip, ang PCB footprint ay nababawasan nang malaki. Posible rin na makamit ang pinahusay na precision sa phase-control.
Ang mga benepisyong ito ay nagbubuo ng mas malaking epekto: hindi lamang nila binabawasan ang pangangailangan para sa piezoelectric material kundi pinapalakas din ang komunidad ng agham na lumikha ng high-power computing servers, automotive systems, USB charger, at mga battery-powered na aparato gamit ang low VCR range DC-DC converter.
Mga Epektibong Piezo-Photomotion at Static Force Measurement Devices
Ang mga teknikal na inobasyon tulad ng nabanggit natin ay nagmula sa patuloy na linya ng pananaliksik sa paksa. Halimbawa, ang Disyembre 2023 na isyu ng Sensors and Actuators ay naglathala ng pag-aaral na sinuri ang pagganap ng on-chip coupled piezo/photodiodes, na nagmumungkahi ng numerikal na pamamaraan para kalkulahin ang mechanical efficiency ng piezo-photo motion devices.
Ang mga aparatong ito, na nag-iintegrate ng piezoelectric actuators sa silicon solar cells, ay maaaring mag-convert ng optical energy tungo sa mechanical energy, na ginagawang angkop para sa remote-controlled na micro at nanorobots.
Ipinakita ng mga natuklasan na ang mechanical efficiency ng mga aparato ay hindi nakadepende sa input voltage at maaaring mapabuti sa pamamagitan ng pagpapapayat at backside etching.
Dagdag pa, isang pag-aaral noong 2021 ay sinuri ang papel ng piezoelectric sensors sa pagsukat ng static forces, na binigyang-diin ang kanilang kasikatan sa mga aplikasyon ng force measurement dahil sa kanilang mababang gastos, linear na tugon, at mataas na sensitivity. Ang mga sensor na ito ay epektibong nagko-convert ng dynamic forces sa electrical signals.
Mga Pag-aaral sa Pagpapaikli ng mga Printed Circuit Board
Sa usapin ng pagpapaikli ng mga printed circuit board, marami ring pananaliksik ang naganap sa larangang ito. Ang isang kapansin-pansing pag-aaral noong 2020, na inilathala ng IEEE, ay sumisid sa kung paano ang mga electronic component ay nagiging mas maliit dahil sa pagtaas ng densidad ng mga printed circuit board.
Kinilala ng pananaliksik na ang mas maliliit na discrete passive devices tulad ng surface mount capacitors at resistors ay tumataas ang paggamit, na nagtatakda ng trend patungo sa mga sukat na sa kalaunan ay mangangailangan ng magnification.
Tinugunan din nito ang mga alalahanin tungkol sa mga depekto sa mga produktong ito, na nagtataguyod ng paggamit ng angkop na mga disenyo ng printed circuit board sa pagtukoy ng board pad geometries.
Ipinakita ng mga natuklasan na ang mas maliliit na pad geometries ay may kritikal na papel sa pag-iwas sa tombstoning—isang kondisyon kung saan ang capacitor o resistor ay nag-solder lamang sa isang dulo dahil sa vertical rotation ng component, na nagdudulot ng open circuit. Inirerekomenda rin ng mga mananaliksik na alisin ang solder mask sa pagitan ng mga pad upang makamit ang mga resulta na walang depekto.
Higit pa sa institusyonal at akademikong pananaliksik, maraming negosyo ang malaki ang pamumuhunan sa mga teknolohiyang ito, na nagde-develop ng mga epektibong solusyon. Ang mga sumusunod na bahagi ay susuri sa ilan sa mga kumpanyang ito at sa mga makabagong produktong kanilang binubuo.
#1. ON Semiconductor
ON Semiconductor Corporation ay matagumpay na nakuha Fairchild Semiconductor para sa US$2.4 bilyon sa cash noong Setyembre 2016. Sa panahon ng pagkuha, ang Fairchild ay aktibo sa larangan ng piezoelectric power converters. Halimbawa, ang kanilang FAN8831 single-chip piezoelectric actuator ay isang produkto na binubuo ng step-up DC-DC converter na may integrated 36V boost switch at full-bridge output stage.
Ang aparato ay maaaring magpatakbo ng Piezo nang bi-directionally sa 120V peak-to-peak mula sa isang solong 3 V lithium cell. Maaari itong mag-operate sa critical conduction mode (CRM), na na-optimize upang manatiling functional sa isang coupled inductor configuration na nag-aalok ng output voltages na higit sa 60 V. Ang solusyon ay may overvoltage at overcurrent protection at may built-in na kakayahan para sa thermal shutdown kapag kinakailangan.
Ang internal circuitry ay nagpapahintulot sa full-bridge gate driver kapag ang output voltage ng step-up DC-DC converter ay umabot sa antas na katumbas ng hysteresis. Ang mga external resistor ay tumutulong itakda ang boost voltage, habang ang step-up current limit ay maaaring i-program sa pamamagitan ng external resistor sa OCP pin. Ang output H-bridge ay nagtataglay ng apat na integrated na 75 V P at N channels para sa sine wave drive ng Piezo actuator.
(ON )
Para sa taong nagtapos noong Disyembre 31, 2023, ang ON Semiconductor ay nagrehistro ng kita na US$8.253 bilyon, bahagyang bumaba mula sa kita noong nakaraang taon na US$8.326 bilyon. Para sa pinakahuling taon, ang netong kita na nauukol sa ON Semiconductor ay umabot sa US$2.183 bilyon, bahagyang tumaas mula sa nakaraang fiscal na US$1.902 bilyon.
#2. Texas Instruments
Ang isa pang industry-grade piezo driver na may integrated boost converter ay nagmula sa Texas Instruments. Ang produktong DRV2700 ay isang single-chip piezo driver na may integrated 105-V boost switch, integrated power diode, at fully differential amplifier. Dahil sa likas nitong versatility, maaaring patakbuhin ng aparato ang parehong high-voltage at low-voltage piezoelectric loads. Ang input signal ay maaaring differential o single-ended, AC o DC coupled. Sinusuportahan ng aparato ang apat na GPIO-controlled gains, kabilang ang 28.8dB, 34.8dB, 38.4dB, at 40.7 dB.
Katulad ng solusyon ng ON Semiconductor, dalawang external resistor ang nag-boost ng voltage dito rin. May dalawang independent na baterya. Ang isa ay sinusuportahan ng switch pin, habang ang isa naman ay ng VDD pin.
Dahil sa natatanging boost converter architecture ng produkto, posible na i-optimize ang performance ng DRV2700 circuit para sa isang partikular na inductor. Dahil ang converter ay malaki ang pag-asa sa hysteretic architecture, posible na mabawasan ang switching losses at mapataas ang kahusayan.
Ang aparato ay may typical startup time na 1.5 ms, na nagbibigay kakayahan na mabilis na makabangon mula sa sleep mode. Mayroon itong thermal overload protection na nagpoprotekta laban sa pinsala kapag overdriven.
(TXN )
Ang Texas Instruments Incorporated at ang mga subsidiary nito ay nag-ulat ng kita na US$17.519 bilyon para sa taong nagtapos noong Disyembre 31, 2023, na isang malaking pagbaba mula sa kita noong nakaraang taon na US$20.028 bilyon. Para sa FY 2023, ang diluted earnings per common share ay US$7.07, habang para sa FY 2022, ito ay US$9.41.
#3. Boreas Technologies
Ang produkto ng Boreas Technologies na may tag name na ‘BOS1901’ ay isa pang epektibong single-chip piezo actuator driver na pinapagana ng patented capDrive technology ng kumpanya, na nagreresulta sa pinahusay na pamantayan ng energy recovery. Ang produkto ay maaaring magpatakbo ng mga actuator na may waveforms na umabot hanggang 190 Vpk-pk habang tumatakbo mula sa supply voltage na pagitan ng 3 at 5.5 V.
Dahil sa maliit nitong sukat, ang produkto ay ginagamit sa iba’t ibang end-use areas kung saan kinakailangan ang minimisasyon ng power consumption at heat dissipation.
Ang high-speed SPI na ginagamit ng produkto sa kanyang Digital Front End ay nagbibigay kakayahan na magbahagi ng isang communication bus sa pagitan ng multi-actuator systems. Ang Digital Front End din ay nagpapahintulot na i-adjust ang lahat ng setting gamit lamang pitong passive discrete components.
Ang BOS1901 ay compatible sa iba’t ibang commercial off-the-shelf inductors. Epektibo rin ito para sa mga system na hindi kayang hawakan ang reverse current flow. Ang BOS1901 ay may unidirectional power input. Kapag na-activate, ang power input na ito ay nagpapagana sa driver na kumilos bilang resistive load nang hindi binabawasan ang power efficiency. Ang BOS1901 ay may startup time na mas mababa sa 300 microseconds. Ang latency nito ay hindi kapansin-pansin.
Ayon sa pinakabagong available na impormasyon, ang Boreas Technologies ay nagsara ng US$12 milyong financing round noong Nobyembre 2023. Ang kumpanya ay nagpasya na gamitin ang pondo upang pabilisin ang high-volume production ng kanilang ultra-low-power piezo haptic semiconductors sa mobile, PC, at automotive applications.
Maliit na mga Converter at ang Kanilang mga Benepisyo
Ang mga inhinyero sa buong mundo ay hinaharap ang hamon ng paglikha ng mga system design na mas maliit o naglalaman ng mas maraming functionality sa loob ng umiiral na sukat. Upang magkasya ang mas marami sa mga printed circuit board, ang pag-abot ng mas mataas na PCB density ay naging mahalaga. Gayunpaman, ito ay nagdadala ng mas maraming komplikasyon para sa mga designer, lalo na sa pagganap ng board routing at board layout tasks.
Ang pagsusumikap na malampasan ang mga hadlang na ito ay nagdala sa pag-develop ng mga analog signal-chain products na tumutulong sa mga inhinyero na i-optimize ang board space nang hindi isinasakripisyo ang mga tampok, gastos, kasimplihan, o tibay. Isa sa mga kapansin-pansing imbensyon ay ang Op amps, na nagtitiyak ng mataas na pagganap at napakastableng amplification circuit gamit lamang ilang passive components.
Ang Op amps ng Texas Instruments, halimbawa, ay available sa 16 iba’t ibang packages, kabilang ang pinakamaliit na single- at quad-channel packages sa industriya. Gayundin, may mga maliit na comparators na dinisenyo na may dalawang input, isang output, at dalawang power-supply pins, na nilikha upang ihambing ang input voltages at i-adjust ang output nang naaayon. Ang pinakamaliit na comparator sa industriya ay kasya sa isang WCSP package na may sukat na 0.7X0.7 mm, na 4% mas maliit kaysa sa mga kakompetensyang device at nag-ooperate hanggang 1.7 V, na perpekto para sa space-critical designs tulad ng smartphones at iba pang portable o battery-powered na aplikasyon.
Ang mga maliit na sukat na current-sense amps ay pumasok din sa eksena kasabay ng lumalaking pangangailangan para sa system intelligence at power efficiency. Ang mga kritikal na system ay nangangailangan ng mas mahusay na monitoring. Ang pagsukat at pagmamanman ng current ay posible sa pamamagitan ng pagsens ng voltage drop sa isang shunt o current-sense resistor.
Sa mga small-outline transistors na may sukat na kasing liit ng 1.6 mm X 1.6 mm, naging posible na makabuo ng mga current-sense amplifiers na 40% mas maliit kaysa sa kanilang pinakamalapit na kompetitibong leaded packages. Ang mga solusyong ito ay dinisenyo para magamit sa mga aplikasyon na may limitadong espasyo.
Sa kabuuan, ang pananaliksik at pag-unlad ay nagbigay-daan upang malaki ang mabawasan ang PCB footprint habang pinapataas ang channel density at pinapakinabangan ang mas mataas na integration ng iba pang mga komponent at tampok gamit ang isang maliit na data converter. Ang mga ganitong pag-unlad ay magreresulta sa mas maraming natipid na espasyo at mas epektibong mga disenyo.
Habang ang mga elektronikong gadget ay patuloy na nagiging mas maliit araw-araw at ang pangangailangan para sa mga bagong tampok ay tumataas, ang mga pag-unlad na ito ay patuloy na lalong kumakapit ng momentum.
