Piezoelektrik Güç Dönüştürücüleri ile Baskılı Devre Kartlarının Küçültülmesi

Yaygın olarak kullanılan "Küçük Büyüktür" sözü haklılığını defalarca kanıtlamıştır. Günlük hayatımızı daha iyi hale getiren teknolojik müdahaleler küçülüyor, yerden tasarruf sağlıyor ve verimliliği artırıyor. 

Bu tür bir müdahalenin en son örneklerinden birinde, California San Diego Üniversitesi ve CEA-Leti'deki bilim insanları son teknoloji ürünü, son derece sofistike piezoelektrik tabanlı DC-DC dönüştürücü Tüm güç anahtarlarını tek bir çipte birleştirebilecek. 

Bu yeniliğin değerini ve bilim dünyasında neden büyük bir coşkuyla karşılandığını inceleyerek başlayalım. 

Yüksek Güç Yoğunluklu Dönüştürücü

Dönüştürücünün tek bir çipe sıkıştırılması, öncelikle daha yüksek bir güç yoğunluğu sağlar ve aşağıdakilerin faydalarını karıştırarak yeni güç dinamikleri doğurur piezoelektrik dönüştürücüleri kapasitif tabanlı DC-DC dönüştürücülerle değiştiriyor. Bu teknoloji daha önceki hantal indüktörlerin yerini alıyor ve yakında akıllı telefonlara, bilgisayarlara, sunucu çiftliklerine, AR/VR kulaklıklara ve daha fazlasına güç vermeye hazırlanıyor.

Bu çözümün diğer avantajları ve yeni nitelikleri "An Integrated Dual-Side Series/Parallel Piezoelectric Resonator-based 20-to-2.2V DC-DC Converter Achieving a 310% Loss Reduction" başlıklı makalede listelenmiştir. Bu faydalardan bazıları aşağıdaki gibidir:

• PR tabanlı güç dönüşümü için kullanılan ilk entegre devredir. 
• Çözüm, 310%'ye kadar kayıp azaltımı sağlayabilir. 
• Dönüştürücü, piezoelektrik malzemeleri en iyi şekilde kullanırken yüksek verimliliği koruyarak düşük voltaj dönüşüm oranlarında gelişmiş performans sağlayabilir. 
• Ayrık tasarımlara kıyasla küçük bir alanda sofistike güç aşamaları sunabilirken, 0,1'den daha düşük voltaj dönüştürme oranlarında verimli cihaz çalışması sağlar.
• Entegre devre, tüm güç anahtarlarının tek bir çip üzerinde birleştirilmesini mümkün kıldığından, PCB ayak izi önemli ölçüde azaltılır. Ayrıca gelişmiş faz kontrol hassasiyeti elde etmek de mümkündür.

Bu faydalar toplu olarak daha büyük bir şeye dönüşüyor: sadece piezoelektrik malzemeye olan talebi azaltmakla kalmıyor, aynı zamanda düşük VCR aralıklı DC-DC dönüştürücü ile yüksek güçlü bilgi işlem sunucuları, otomotiv sistemleri, USB şarj cihazları ve pille çalışan cihazlar üretmek için bilim camiasını güçlendiriyor. 

Verimli Piezo-Fotomosyon ve Statik Kuvvet Ölçüm Cihazları

Yukarıda bahsettiğimiz gibi teknik yenilikler, konuyla ilgili tutarlı bir dizi araştırmadan kaynaklanmaktadır. Örneğin, Sensors and Actuators dergisinin Aralık 2023 sayısında, çip üzerinde birleştirilmiş piezo/fotodiyotların performansını analiz eden ve piezo/fotodiyotların mekanik verimliliğini hesaplamak için sayısal bir yaklaşım öneren bir çalışma yer aldı. piezo-foto hareket cihazları. 

Piezoelektrik aktüatörleri silikon güneş pilleriyle entegre eden bu cihazlar, optik enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürerek uzaktan kumandalı mikro ve nanorobotlar için elverişli hale getirebiliyor. 

Bulgular, cihazların mekanik verimliliğinin giriş voltajına bağlı olmadığını ve inceltme ve arka taraf aşındırma ile iyileştirilebileceğini göstermiştir.

Daha ileri, 2021 tarihli bir çalışma piezoelektrik sensörlerin statik kuvvetlerin ölçülmesindeki rolünü araştırmış ve düşük maliyetleri, doğrusal tepkileri ve yüksek hassasiyetleri nedeniyle kuvvet ölçüm uygulamalarındaki popülerliklerini vurgulamıştır. Bu sensörler dinamik kuvvetleri verimli bir şekilde elektrik sinyallerine dönüştürür.

Piezoelektrik kompozitlerdeki gelişmelerin kinetik enerjiyi kullanmayı ve yorumlamayı nasıl mümkün kıldığını öğrenmek için buraya tıklayın.

Baskılı Devre Kartlarının Küçültülmesi Üzerine Çalışmalar

Baskılı devre kartlarının küçültülmesi konusuna gelince, bu alanda da pek çok araştırma yapıldı. A 2020'den itibaren kayda değer çalışmaIEEE tarafından yayınlanan bu rapor, elektronik baskılı devre kartlarının daha yoğun hale gelmesinin bir sonucu olarak elektronik bileşenlerin nasıl küçüldüğünü inceledi. 

Bu araştırma, yüzey montajlı kapasitörler ve dirençler gibi daha küçük ayrık pasif cihazların kullanımının arttığı gerçeğini kabul ederek, sonunda büyütme gerektirecek boyutlara doğru bir eğilim olduğunu tespit etti. 

Ayrıca, bu ürünlerdeki kusurlarla ilgili endişelere de değinerek, kart pedi geometrilerinin belirlenmesinde uygun baskılı devre kartı tasarım parametrelerinin benimsenmesini savunmuştur. 

Bulgular, daha küçük ped geometrilerinin, bir kondansatör veya direncin, bileşenin dikey dönüşü nedeniyle yalnızca bir ucunda lehimlenerek açık devreye yol açtığı bir durum olan tombstoning'in azaltılmasında kritik bir rol oynadığının altını çizdi. Araştırmacılar ayrıca hatasız sonuçlar elde etmek için pedler arasındaki lehim maskesinin çıkarılmasını önerdi. 

Kurumsal ve akademik araştırmaların ötesinde, çok sayıda işletme bu teknolojilere önemli ölçüde yatırım yapıyor ve verimli çözümler geliştiriyor. Aşağıdaki bölümlerde bu şirketlerden bazıları ve geliştirdikleri yenilikçi ürünler incelenecektir.

#1. ON Yarı İletken

ON Semiconductor Corporation başarıyla satın alındı Fairchild Semiconductor'ı Eylül 2016'da 2,4 milyar ABD doları nakit karşılığında satın aldı. Satın alma sırasında Fairchild piezoelektrik güç dönüştürücüleri alanında oldukça aktifti. Örneğin, onun FAN8831 tek çipli piezoelektrik aktüatör entegre 36V boost anahtarı ve tam köprü çıkış katına sahip bir yükseltici DC-DC dönüştürücüden oluşan bir üründü. 

Cihaz, tek bir 3 V lityum hücreden 120V tepeden tepeye çift yönlü olarak bir Piezo'yu çalıştırabilir. Kritik iletim modunda (CRM) çalışabilir, 60 V'un üzerinde çıkış gerilimleri sunan birleşik bir indüktör konfigürasyonunda işlevsel kalmak için optimize edilmiştir. Çözüm, aşırı gerilim ve aşırı akım koruması ve gerektiğinde termal kapatmalara sahip olmak için dahili kapasitelerle birlikte geldi. 

Dahili bir devre, yükseltici DC-DC dönüştürücü çıkış voltajı histerezis ile orantılı bir seviyeye ulaştığında tam köprü geçit sürücüsünü etkinleştirir. Harici dirençler yükseltme voltajının ayarlanmasına yardımcı olurken, yükseltme akım limiti OCP pimindeki harici direnç aracılığıyla programlanabilir. Çıkış H-köprüsü, Piezo aktüatörün sinüs dalgası sürücüsü için dört entegre 75 V P ve N kanalına sahipti. 

ON Semiconductor, 31 Aralık 2023 tarihinde sona eren yıl için bir gelir kaydetti Geçtiğimiz yıl ON Semiconductor'a atfedilebilen net gelir, bir önceki mali yıldaki $1.902 milyar US$2.183 milyar US$2.183 milyar olarak gerçekleşti. 

#2. Texas Instruments 

Entegre boost dönüştürücüye sahip bir başka endüstri sınıfı piezo sürücü de Texas Instruments'tan geldi. Bu ürün DRV2700 entegre 105-V boost anahtarı, entegre güç diyotu ve tamamen diferansiyel amplifikatöre sahip tek çipli bir piezo sürücüydü. Cihaz, doğasında var olan çok yönlülüğü sayesinde hem yüksek voltajlı hem de düşük voltajlı piezoelektrik yükleri sürebiliyordu. Giriş sinyali diferansiyel veya tek uçlu, AC veya DC kuplajlı olabilir. Cihaz 28,8 dB, 34,8 dB, 38,4 dB ve 40,7 dB olmak üzere dört GPIO kontrollü kazancı destekliyordu. 

ON Semiconductor'ın çözümüne benzer şekilde, iki harici direnç burada da voltajı artırır. İki bağımsız pil vardır. Biri anahtar piminin desteğine sahipken, diğeri VDD piminin desteğine sahiptir. 

Ürünün benzersiz boost dönüştürücü mimarisi sayesinde, DRV2700 devresinin performansını belirli bir indüktör için optimize etmek mümkündür. Dönüştürücü büyük ölçüde histeretik bir mimariden yararlandığından, anahtarlama kayıplarını en aza indirmek ve verimliliği artırmak mümkündür. 

Cihaz, 1,5 ms'lik tipik bir başlatma süresine sahiptir, bu da onu uykudan hızlı bir şekilde çıkma konusunda yeterli hale getirir. Aşırı sürüldüğünde hasar görmesini engelleyen termal aşırı yük koruma özelliklerine sahiptir. 

Texas Instruments Incorporated ve iştirakleri bir gelir gönderdi 31 Aralık 2023'te sona eren yıl için $17.519 milyar ABD$ olarak gerçekleşmiş olup, bu rakam bir önceki yılın $20.028 milyar ABD$'lık gelirine kıyasla önemli bir düşüşe işaret etmektedir. 2023 mali yılı için adi hisse başına seyreltilmiş kazanç $7,07 ABD doları olurken, 2022 mali yılı için bu rakam $9,41 ABD doları olarak gerçekleşmiştir. 

#3. Boreas Teknolojileri

Boreas Technologies'in 'BOS1901' etiketli ürünü bir başka verimli üründür tek çipli piezo aktüatör sürücüsü Şirketin patentli capDrive teknolojisi tarafından desteklenen bu ürün, gelişmiş enerji geri kazanım standartları sağlar. Ürün, 3 ila 5,5 V arasındaki bir besleme voltajından çalışırken 190 Vpk-pk'ya kadar çıkan dalga formlarına sahip aktüatörleri çalıştırabilir. 

Küçük boyutu sayesinde ürün, güç tüketiminin ve ısı yayılımının en aza indirilmesinin gerekli olduğu bir dizi son kullanım alanında uygulama alanı bulmaktadır. 

Ürünün Dijital Ön Uçta kullandığı yüksek hızlı SPI, çoklu aktüatör sistemleri arasında tek bir iletişim veriyolunu paylaşmasını sağlar. Dijital Ön Uç ayrıca tüm ayarların yalnızca yedi pasif ayrık bileşenle yapılmasını mümkün kılıyor. 

BOS1901 bir dizi ticari kullanıma hazır indüktörle uyumludur. Ters akım akışını idare edecek donanıma sahip olmayan sistemler için de etkilidir. BOS1901 tek yönlü bir güç girişi ile birlikte gelir. Etkinleştirildiğinde, bu güç girişi sürücünün güç verimliliğini düşürmeden dirençli bir yük gibi davranmasını sağlar. BOS1901, 300 mikrosaniyeden daha kısa bir başlatma süresine sahiptir. Gecikme süresi önemsizdir.  

Buna göre mevcut en son bilgilerBoreas Technologies, Kasım 2023'te $12 milyon ABD doları tutarında bir finansman turunu tamamladı. Şirket, fonları mobil, PC ve otomotiv uygulamalarında ultra düşük güçlü piezo haptik yarı iletkenlerinin yüksek hacimli üretimini hızlandırmak için kullanmaya karar vermişti.

Küçük Dönüştürücüler ve Faydaları

Dünyanın dört bir yanındaki mühendisler ya daha küçük ya da mevcut boyutlar içinde daha fazla işlevsellik barındıran sistem tasarımları yaratma zorluğunun üstesinden geliyor. Baskılı devre kartlarında daha fazlasını barındırmak için daha yüksek PCB yoğunluğu elde etmek çok önemli hale gelmiştir. Ancak bu, tasarımcılar için özellikle kart yönlendirme ve kart yerleşim görevlerini yerine getirirken daha fazla karmaşıklık getirmektedir. 

Bu engellerin üstesinden gelmek için gösterilen çaba analog sinyal zinciri ürünlerinin geliştirilmesi mühendislerin özelliklerden, maliyetten, basitlikten veya sağlamlıktan ödün vermeden pano alanını optimize etmelerine yardımcı olur. Bu önemli buluşlardan biri, sadece birkaç pasif bileşenle yüksek performans ve son derece kararlı bir amplifikasyon devresi sağlayan Op amperlerdir. 

Örneğin Texas Instrument'in Op amperleri, endüstrinin en küçük tek ve dört kanallı paketlerini içeren 16 farklı pakette mevcuttur. Benzer şekilde, iki giriş, bir çıkış ve iki güç kaynağı pini ile tasarlanmış, giriş voltajlarını karşılaştırmak ve çıkışı buna göre ayarlamak için adlandırılmış küçük karşılaştırıcılar vardır. Sektördeki en küçük karşılaştırıcı, rakip cihazlardan 4% daha küçük olan 0,7X0,7 mm ölçülerindeki WCSP paketine sığar ve 1,7 V'a kadar çalışır, bu da onu akıllı telefonlar ve diğer taşınabilir veya pille çalışan uygulamalar gibi alan açısından kritik tasarımlar için ideal hale getirir. 

Küçük boyutlu akım algılayıcı amfiler de sistem zekası ve güç verimliliğine yönelik artan taleple birlikte ortaya çıkmıştır. Kritik sistemler daha iyi izleme gerektirir. Akımın bu şekilde ölçülmesi ve izlenmesi, bir şönt veya akım algılama direnci üzerindeki voltaj düşüşünün algılanmasıyla mümkündür. 

Ölçüleri 1,6 mm X 1,6 mm kadar küçük olan küçük hatlı transistörlerle, en yakın rakip kurşunlu paketlerinden 40% daha küçük akım algılama amplifikatörleri bulmak mümkün olmuştur. Bu çözümler, alan kısıtlaması olan uygulamalarda kullanılmak üzere tasarlanmıştır. 

Araştırma ve geliştirme çalışmaları, kanal yoğunluğunu artırırken ve küçük bir veri dönüştürücü ile diğer bileşenlerin ve özelliklerin daha yüksek entegrasyonundan yararlanırken PCB ayak izini önemli ölçüde azaltmayı mümkün kılmıştır. Bu gelişmeler, daha fazla alan tasarrufu ve daha verimli tasarımlarla sonuçlanacaktır. 

Elektronik cihazların her geçen gün daha da küçüldüğü ve yeni özelliklere olan talebin arttığı günümüzde, bu gelişmeler giderek daha fazla ivme kazanacaktır.