Piyzoelektrik Güç Dönüştürücülerle Baskı Devre Kartlarının Küçültülmesi

“Küçük, Büyük’tür,” yaygın bir deyim, defalarca değerini kanıtladı. Günlük hayatımızı iyileştiren teknolojik müdahaleler daha küçük, yer tasarrufu sağlayan ve verimliliği artıran hâle geliyor. 

Bu tür bir müdahalenin en son örneklerinden birinde, California San Diego Üniversitesi ve CEA-Leti bilim insanları keskin, son derece sofistike bir piezoelektrik tabanlı DC-DC dönüştürücü geliştirdiler; bu dönüştürücü tüm güç anahtarlarını tek bir çipte birleştirebilir. 

Bu yeniliğin değerine ve bilim dünyasında neden bu kadar coşkuyla övgü aldığını inceleyerek başlayalım.

Yüksek Güç Yoğunluklu Dönüştürücü

Dönüştürücüyü tek bir çipe sıkıştırmak öncelikle artan bir güç yoğunluğu sağlar ve piezoelektrik dönüştürücülerin avantajlarını kapasitif tabanlı DC-DC dönüştürücülerle birleştirerek yeni güç dinamikleri yaratır. Bu teknoloji, önceki hantal indüktörlerin yerini alır ve yakında akıllı telefonları, bilgisayarları, sunucu çiftliklerini, AR/VR başlıklarını ve daha fazlasını beslemeye hazırdır.

Bu çözümün ek avantajları ve yeni nitelikleri, “Entegre Çift Taraflı Seri/Paralel Piezoelektrik Rezonatör Tabanlı 20‑to‑2.2V DC-DC Dönüştürücü ile %310 Kayıp Azaltması” başlıklı makalede listelenmiştir. Bu faydalardan bazıları şunlardır:

• PR tabanlı güç dönüşümü için kullanılan ilk entegre devredir. 
• Çözüm, %310’a kadar kayıp azaltımı sağlayabilir. 
• Dönüştürücü, düşük voltaj dönüşüm oranlarında geliştirilmiş performans sunabilir, piezoelektrik malzemeleri optimal şekilde kullanarak yüksek verimliliği korur. 
• Ayrık tasarımlara kıyasla küçük bir alanda karmaşık güç aşamaları sunabilir ve 0,1’in altında voltaj dönüşüm oranlarında verimli cihaz çalışmasını sağlar. 
• Entegre devre, tüm güç anahtarlarını tek bir çipe toplama imkanı sağladığından PCB alanı önemli ölçüde azalır. Ayrıca geliştirilmiş faz kontrol hassasiyeti eldeilebilir. 

Bu faydalar topluca daha büyük bir etki yaratır: sadece piezoelektrik malzeme talebini azaltmakla kalmaz, aynı zamanda bilim camiasının düşük VCR aralıklı DC-DC dönüştürücü ile yüksek güçlü bilgisayar sunucuları, otomotiv sistemleri, USB şarj cihazları ve pil ile çalışan cihazlar üretmesini sağlar. 

Verimli Piezo-Fotomoşyon ve Statik Kuvvet Ölçüm Cihazları

Yukarıda bahsedilen gibi teknik yenilikler, konu üzerindeki tutarlı bir araştırma dizisinden kaynaklanır. Örneğin, Sensors and Actuators dergisinin Aralık 2023 sayısı, çip üzerindeki birleştirilmiş piezo/fotodiyotların performansını analiz eden ve piezo-foto hareket cihazlarının mekanik verimliliğini hesaplamak için sayısal bir yaklaşım öneren bir çalışma yayınladı. 

Bu cihazlar, piezoelektrik aktüatörleri silikon güneş hücreleriyle birleştirerek optik enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürebilir; bu da uzaktan kontrol edilen mikro ve nanorobotlar için uygundur. 

Bulgular, cihazların mekanik verimliliğinin giriş voltajına bağlı olmadığını ve incelme ve arka taraf aşındırmasıyla iyileştirilebileceğini gösterdi. 

Ayrıca, 2021 yılında yapılan bir çalışma, piezoelektrik sensörlerin statik kuvvet ölçümündeki rolünü araştırdı; düşük maliyet, doğrusal yanıt ve yüksek hassasiyetleri nedeniyle kuvvet ölçüm uygulamalarında popüler olduklarını vurguladı. Bu sensörler, dinamik kuvvetleri verimli bir şekilde elektrik sinyallerine dönüştürür. 

Piezoelektrik kompozitlerdeki ilerlemelerin kinetik enerjiyi yakalama ve yorumlama imkanı sağladığını öğrenmek için buraya tıklayın.

Baskı Devre Kartlarının Küçültülmesi Üzerine Çalışmalar

Baskı devre kartlarının küçültülmesi konusuna gelince, bu alanda da çok sayıda araştırma yapılmıştır. IEEE tarafından yayınlanan 2020 tarihli önemli bir çalışma, elektronik baskı devre kartlarının daha yoğun hale gelmesiyle elektronik bileşenlerin nasıl küçüldüğüne derinlemesine baktı. 

Bu araştırma, yüzeye montaj kapasitörler ve dirençler gibi daha küçük ayrık pasif cihazların kullanımının arttığını ve nihayetinde büyütme gerektirecek boyutlara doğru bir eğilim olduğunu kabul etti. 

Ayrıca bu ürünlerdeki kusur endişelerini ele alarak, kart pad geometrilerini belirlemede uygun baskı devre kartı tasarım parametrelerinin benimsenmesini savundu. 

Bulgular, daha küçük pad geometrilerinin tombstoning’i azaltmada kritik bir rol oynadığını vurguladı; bu durum, bir kapasitör veya direncin bileşenin dikey dönüşü nedeniyle yalnızca bir ucunun lehimlenmesi ve açık devreye yol açmasıdır. Araştırmacılar ayrıca kusursuz sonuçlar elde etmek için padler arasındaki lehim maskesinin kaldırılmasını önerdi. 

Kurum ve akademik araştırmaların ötesinde, birçok işletme bu teknolojilere önemli yatırımlar yaparak verimli çözümler geliştirmektedir. Aşağıdaki bölümler, bu şirketlerden bazılarını ve geliştirdikleri yenilikçi ürünleri inceleyecek. 

#1. ON Semiconductor

ON Semiconductor Corporation (ON )  başarıyla satın aldı Fairchild Semiconductor’ı Eylül 2016’da 2,4 milyar ABD doları nakit karşılığında. Satın alma sırasında Fairchild, piezoelektrik güç dönüştürücüleri alanında oldukça aktiftir. Örneğin, onun FAN8831 tek çipli piezoelektrik aktüatör bir adım‑up DC‑DC dönüştürücü, entegre 36 V yükseltme anahtarı ve tam köprü çıkış aşamasından oluşan bir üründü.

Cihaz, tek bir 3 V lityum hücresinden 120 V tepe‑tepe (peak‑to‑peak) piezoyu çift yönlü olarak sürdürür. Kritik iletim modu (CRM) içinde çalışabilir; bu, 60 V üzeri çıkış voltajları sunan bir çiftlenmiş indüktör konfigürasyonunda işlevsel kalacak şekilde optimize edilmiştir. Çözüm, aşırı voltaj ve aşırı akım koruması ve gerektiğinde termal kapanma yetenekleriyle birlikte gelir. 

İç devre, adım‑up DC‑DC dönüştürücü çıkış voltajı histerezise uygun bir seviyeye ulaştığında tam köprü kapı sürücüsünü etkinleştirir. Dış dirençler, yükseltme voltajını ayarlamaya yardımcı olurken, adım‑up akım sınırı OCP pinindeki dış direnç üzerinden programlanabilir. Çıkış H‑köprüsü, piezo aktüatörün sinüs dalga sürüşü için dört entegre 75 V P ve N kanalı içerir. 

31 Aralık 2023 tarihinde sona eren yıl için ON Semiconductor 8,253 milyar ABD doları gelir kaydetti; bu, bir önceki yılın 8,326 milyar ABD doları gelirinden hafif bir düşüştür. En son yıl için ON Semiconductor’a ait net gelir 2,183 milyar ABD doları olup, önceki mali yıldaki 1,902 milyar ABD doları üzerinden hafif bir artış göstermiştir. 

#2. Texas Instruments 

Texas Instruments (TXN ) firmasından başka bir endüstri sınıfı piezo sürücü, entegre bir yükseltme dönüştürücü ile geldi. DRV2700 ürünü, entegre 105 V yükseltme anahtarı, entegre güç diyodu ve tam diferansiyel amplifikatöre sahip tek çipli bir piezo sürücüdür. Cihaz, doğası gereği çok yönlülüğü sayesinde yüksek voltaj ve düşük voltaj piezoelektrik yükleri sürdürür. Giriş sinyali diferansiyel ya da tek uçlu, AC ya da DC bağlanabilir. Cihaz, 28,8 dB, 34,8 dB, 38,4 dB ve 40,7 dB dahil olmak üzere dört GPIO‑kontrollü kazancı destekler. 

ON Semiconductor’ın çözümüne benzer şekilde, burada da iki dış direnç voltajı yükseltir. İki bağımsız batarya vardır. Biri anahtar pininin desteğine, diğeri ise VDD pininin desteğine sahiptir. 

Ürünün benzersiz yükseltme dönüştürücü mimarisi sayesinde, DRV2700 devresinin performansı belirli bir indüktör için optimize edilebilir. Dönüştürücü, histeretik bir mimariden yoğun şekilde yararlandığından, anahtarlama kayıpları en aza indirilebilir ve verimlilik artırılabilir. 

Cihazın tipik başlatma süresi 1,5 ms’dir; bu, uyku modundan hızlı bir şekilde çıkmasını sağlar. Aşırı sürülme durumunda zarar görmesini önleyen termal aşırı yük koruma özelliklerine sahiptir. 

Texas Instruments Incorporated ve bağlı şirketleri 17,519 milyar ABD doları gelir açıkladı; bu, bir önceki yılın 20,028 milyar ABD doları gelirinden önemli bir düşüştür. FY 2023 için, seyreltilmiş hisse başına kazanç 7,07 ABD doları iken, FY 2022’de 9,41 ABD dolarıydı. 

#3. Boreas Technologies

Boreas Technologies’ın ‘BOS1901’ etiketli ürünü, şirketin patentli capDrive teknolojisiyle çalışan bir başka verimli tek çipli piezo aktüatör sürücüsüdür; bu, enerji geri kazanım standartlarını artırır. Ürün, 3‑5,5 V besleme voltajı aralığından çalışırken, 190 Vpk‑pk’ye kadar dalga biçimleriyle aktüatörleri sürdürür. 

Küçük boyutu sayesinde, ürün güç tüketiminin ve ısı yayılımının en aza indirilmesinin gerekli olduğu çeşitli son‑kullanım alanlarında uygulanır. 

Ürünün Dijital Ön Ucunda kullandığı yüksek hızlı SPI, çoklu aktüatör sistemleri arasında tek bir iletişim veri yolunun paylaşılmasını sağlar. Dijital Ön Uç ayrıca tüm ayarların yalnızca yedi pasif ayrık bileşenle yapılabilmesini mümkün kılar. 

BOS1901, çeşitli ticari hazır indüktörlerle uyumludur. Ayrıca ters akım akışını yönetemeyen sistemler için de etkilidir. BOS1901 tek yönlü bir güç girişi ile gelir; etkinleştirildiğinde bu giriş, sürücünün dirençli bir yük gibi davranmasını sağlar ve güç verimliliğini azaltmaz. BOS1901’in başlatma süresi 300 mikrosaniyeden azdır. Gecikmesi önemsizdir.  

En son mevcut bilgilere göre, Boreas Technologies, Kasım 2023’te 12 milyon ABD doları tutarında bir finansman turu kapattı. Şirket, bu fonları mobil, PC ve otomotiv uygulamalarında ultra düşük güçli piezo haptik yarı iletkenlerin yüksek hacimli üretimini hızlandırmak için kullanmayı planladı. 

Küçük Dönüştürücüler ve Faydaları

Dünya çapındaki mühendisler, mevcut boyutlarda daha küçük ya da daha fazla işlevsellik barındıran sistem tasarımları oluşturma zorluğuyla mücadele ediyor. Baskı devre kartlarında daha fazla yer kaplamak için daha yüksek PCB yoğunluğuna ulaşmak kritik hale geldi. Ancak bu, özellikle kart yönlendirme ve yerleşim görevlerinde tasarımcılar için daha fazla karmaşıklık getiriyor. 

Bu engelleri aşma çabası, mühendislerin özellik, maliyet, basitlik ya da sağlamlıktan ödün vermeden kart alanını optimize etmelerine yardımcı olan analog sinyal zinciri ürünlerinin geliştirilmesine yol açtı. Bu tür dikkat çekici bir icat, sadece birkaç pasif bileşenle yüksek performans ve son derece kararlı bir yükseltme devresi sağlayan Op amp’lerdir. 

Örneğin, Texas Instruments’ın Op amp’leri 16 farklı paket içinde sunulmaktadır; bunlar arasında sektörün en küçük tek ve dörtlü kanal paketleri de vardır. Benzer şekilde, iki giriş, bir çıkış ve iki güç besleme piniyle tasarlanmış küçük karşılaştırıcılar da vardır; bunlar giriş voltajlarını karşılaştırıp çıktıyı buna göre ayarlar. Sektörün en küçük karşılaştırıcısı, 0,7 × 0,7 mm ölçülerinde bir WCSP paketine sığar; bu, rakip cihazlardan %4 daha küçüktür ve 1,7 V’a kadar çalışabilir, bu da akıllı telefonlar ve diğer taşınabilir ya da pil ile çalışan uygulamalar gibi alan kritik tasarımlar için idealdir. 

Sistem zekâsı ve güç verimliliği talebinin artmasıyla birlikte, küçük boyutlu akım‑algılayıcı amplifikatörler de ortaya çıktı. Kritik sistemler daha iyi izleme gerektirir. Akımın ölçülmesi ve izlenmesi, bir şönt ya da akım‑algılayıcı direnç üzerindeki voltaj düşüşünün algılanmasıyla mümkündür. 

1,6 mm × 1,6 mm kadar küçük ölçülen küçük‑paket transistörler sayesinde, en yakın rekabetçi ayaklı paketlerinden %40 daha küçük akım‑algılayıcı amplifikatörler geliştirilebildi. Bu çözümler, alan kısıtlamalı uygulamalar için tasarlanmıştır. 

Genel olarak, araştırma ve geliştirme, PCB alanını önemli ölçüde azaltırken kanal yoğunluğunu artırmayı ve diğer bileşenlerin ve özelliklerin daha yüksek entegrasyonundan yararlanarak küçük bir veri dönüştürücü ile mümkün kıldı. Bu tür gelişmeler, daha fazla alan tasarrufu ve daha verimli tasarımlar sağlayacak. 

Elektronik cihazlar her geçen gün daha da küçülürken ve yeni özelliklere olan talep artarken, bu gelişmeler sadece daha da ivme kazanacaktır.