Circuiti stampati restringenti con convertitori di potenza piezoelettrici

“Piccolo è grande”, una frase molto popolare, ha dimostrato più e più volte il suo valore. Gli interventi tecnologici che hanno migliorato la nostra vita quotidiana stanno diventando più piccoli, risparmiando spazio e aumentando l’efficienza. 

In uno degli ultimi casi di uno di questi interventi, hanno sviluppato scienziati dell’Università della California a San Diego e del CEA-Leti un convertitore DC-DC all'avanguardia e altamente sofisticato basato su piezoelettrico che potrebbe unificare tutti gli interruttori di alimentazione in un unico chip. 

Cominciamo esaminando i meriti di questa innovazione e il motivo per cui viene lodata con tanto entusiasmo nel mondo scientifico. 

Un convertitore ad alta densità di potenza

La compressione del convertitore in un singolo chip consente di ottenere principalmente una maggiore densità di potenza e dà vita a nuove dinamiche di potenza combinando i vantaggi di piezoelettrico convertitori con quelli dei convertitori DC-DC a base capacitiva. Questa tecnologia sostituisce i precedenti ingombranti induttori ed è pronta ad alimentare presto smartphone, computer, server farm, visori AR/VR e altro ancora.

Ulteriori vantaggi e nuove qualità di questa soluzione sono stati elencati nel documento intitolato "Un convertitore CC-CC da 20 a 2.2 V integrato in serie dual-side/parallelo piezoelettrico basato su risonatore piezoelettrico che raggiunge una riduzione delle perdite del 310%". Alcuni di questi vantaggi erano i seguenti:

• È il primo circuito integrato utilizzato per la conversione di potenza basata su PR. 
• La soluzione potrebbe raggiungere una riduzione delle perdite fino al 310%. 
• Il convertitore potrebbe fornire prestazioni migliorate con rapporti di conversione a bassa tensione, mantenendo un'elevata efficienza e utilizzando al tempo stesso i materiali piezoelettrici in modo ottimale. 
• È in grado di offrire stadi di potenza sofisticati in una piccola area rispetto ai design discreti, consentendo al tempo stesso un funzionamento efficiente del dispositivo con rapporti di conversione della tensione inferiori a 0.1.
• Poiché il circuito integrato consente di consolidare tutti gli interruttori di alimentazione su un singolo chip, l'ingombro del PCB viene ridotto in modo significativo. È anche possibile ottenere una maggiore precisione del controllo di fase.

Questi benefici si trasformano collettivamente in qualcosa di più grande: non solo riducono la domanda di materiale piezoelettrico, ma consentono anche alla comunità scientifica di produrre server informatici ad alta potenza, sistemi automobilistici, caricabatterie USB e dispositivi alimentati a batteria con la bassa gamma VCR DC-DC. convertitore. 

Efficienti dispositivi piezo-fotomovimentali e di misurazione della forza statica

Innovazioni tecniche come quella menzionata sopra derivano da una serie coerente di ricerche sull’argomento. Ad esempio, il numero di dicembre 2023 di Sensors and Actuators presentava uno studio che analizzava le prestazioni di piezo/fotodiodi accoppiati su chip, suggerendo un approccio numerico per calcolare l'efficienza meccanica di dispositivi di movimento piezo-foto. 

Questi dispositivi, integrando attuatori piezoelettrici con celle solari al silicio, possono convertire l'energia ottica in energia meccanica, rendendoli adatti alla realizzazione di micro e nanorobot telecomandati. 

I risultati hanno indicato che l'efficienza meccanica dei dispositivi non dipendeva dalla tensione di ingresso e poteva migliorare con l'assottigliamento e l'incisione sul retro.

Ulteriormente, uno studio 2021 hanno esplorato il ruolo dei sensori piezoelettrici nella misurazione delle forze statiche, evidenziando la loro popolarità nelle applicazioni di misurazione della forza a causa del loro basso costo, della risposta lineare e dell'elevata sensibilità. Questi sensori convertono in modo efficiente le forze dinamiche in segnali elettrici.

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Studi sui circuiti stampati termoretraibili

Per quanto riguarda l'aspetto del restringimento dei circuiti stampati, sono state condotte molte ricerche anche in questo ambito. UN studio notevole del 2020, pubblicato dall'IEEE, ha approfondito il modo in cui i componenti elettronici si sono ridotti a causa dell'aumento della densità dei circuiti stampati elettronici. 

Questa ricerca ha riconosciuto il fatto che i dispositivi passivi discreti più piccoli come condensatori e resistori a montaggio superficiale erano in aumento, individuando una tendenza verso dimensioni che alla fine avrebbero richiesto un ingrandimento. 

Ha inoltre affrontato le preoccupazioni relative ai difetti di questi prodotti, sostenendo l'adozione di parametri di progettazione appropriati dei circuiti stampati per determinare le geometrie dei pad della scheda. 

I risultati hanno sottolineato che le geometrie più piccole dei pad svolgono un ruolo fondamentale nel mitigare il tombstoneing, una condizione in cui un condensatore o un resistore si salda solo su un'estremità a causa della rotazione verticale del componente, portando a un circuito aperto. I ricercatori hanno inoltre raccomandato di rimuovere la maschera di saldatura tra i pad per ottenere risultati privi di difetti. 

Al di là della ricerca istituzionale e accademica, numerose aziende stanno investendo in modo significativo in queste tecnologie, ideando soluzioni efficienti. I segmenti seguenti esploreranno alcune di queste aziende e i prodotti innovativi che stanno sviluppando.

#1. ON Semiconductor

ON Semiconductor Corporation acquisito con successo Fairchild Semiconductor per 2.4 miliardi di dollari in contanti nel settembre 2016. Al momento dell'acquisizione, Fairchild era molto attiva nel campo dei convertitori di potenza piezoelettrici. Per esempio, è Attuatore piezoelettrico a chip singolo FAN8831 era un prodotto che consisteva in un convertitore DC-DC step-up con un interruttore boost integrato da 36 V e uno stadio di uscita a ponte intero. 

Il dispositivo potrebbe pilotare un piezoelettrico bidirezionale a 120 V picco-picco da una singola cella al litio da 3 V. Potrebbe funzionare in una modalità di conduzione critica (CRM), ottimizzata per rimanere funzionale in una configurazione con induttore accoppiato che offre tensioni di uscita superiori a 60 V. La soluzione è dotata di protezione da sovratensione e sovracorrente e capacità integrate per avere arresti termici come e quando richiesto . 

Un circuito interno abilita il gate driver a ponte intero quando e quando la tensione di uscita del convertitore DC-DC step-up raggiunge un livello commisurato all'isteresi. I resistori esterni aiutavano a impostare la tensione di boost, mentre il limite di corrente di incremento poteva essere programmato tramite il resistore esterno sul pin OCP. Il ponte H di uscita presentava quattro canali integrati da 75 VP e N per l'azionamento dell'onda sinusoidale dell'attuatore piezoelettrico. 

Per l'anno terminato il 31 dicembre 2023, ON Semiconductor registrato un ricavo di 8.253 miliardi di dollari, un lieve calo rispetto al fatturato dell'anno precedente pari a 8.326 miliardi di dollari. Nell'ultimo anno, l'utile netto attribuibile a ON Semiconductor è stato pari a 2.183 miliardi di dollari, in leggero aumento rispetto ai 1.902 miliardi di dollari dell'anno fiscale precedente. 

#2. Texas Instruments 

Un altro driver piezoelettrico di livello industriale con convertitore boost integrato proveniva dalla casa Texas Instruments. IL prodotto DRV2700 era un driver piezoelettrico a chip singolo con un interruttore boost integrato da 105 V, un diodo di potenza integrato e un amplificatore completamente differenziale. Il dispositivo, grazie alla sua intrinseca versatilità, potrebbe pilotare carichi piezoelettrici sia ad alta che a bassa tensione. Il segnale di ingresso può essere differenziale o single-ended, accoppiato CA o CC. Il dispositivo supportava quattro guadagni controllati da GPIO, inclusi 28.8 dB, 34.8 dB, 38.4 dB e 40.7 dB. 

Similmente alla soluzione di ON Semiconductor, anche qui due resistori esterni aumentano la tensione. Ci sono due batterie indipendenti. Uno ha il supporto del pin switch, mentre l'altro ha quello del pin VDD. 

Grazie all'esclusiva architettura del convertitore boost del prodotto, è possibile ottimizzare le prestazioni del circuito DRV2700 per un dato induttore. Poiché il convertitore sfrutta in larga misura un'architettura isteretica, è possibile ridurre al minimo le perdite di commutazione e aumentare l'efficienza. 

Il dispositivo ha un tempo di avvio tipico di 1.5 ms, che lo rende adeguatamente in grado di uscire rapidamente dalla modalità di sospensione. Dispone di funzioni di protezione da sovraccarico termico che lo proteggono da danni in caso di sovraccarico. 

Texas Instruments Incorporated e sue controllate registrato un ricavo di 17.519 miliardi di dollari per l'anno terminato il 31 dicembre 2023, un calo considerevole rispetto al fatturato dell'anno precedente pari a 20.028 miliardi di dollari. Per l’anno fiscale 2023, l’utile diluito per azione ordinaria è stato pari a 7.07 dollari USA, mentre per l’anno fiscale 2022 è stato di 9.41 dollari USA. 

#3. Tecnologie Borea

Il prodotto di Boreas Technologies con il nome dell'etichetta "BOS1901" è un altro efficiente driver dell'attuatore piezoelettrico a chip singolo che è alimentato dalla tecnologia brevettata capDrive dell'azienda, che garantisce standard migliorati di recupero energetico. Il prodotto può pilotare attuatori con forme d'onda fino a 190 Vpk-pk mentre funziona con una tensione di alimentazione compresa tra 3 e 5.5 V. 

Grazie alle sue dimensioni ridotte, il prodotto trova applicazione in una vasta gamma di aree di utilizzo finale in cui la minimizzazione del consumo energetico e della dissipazione del calore è una necessità. 

L'SPI ad alta velocità utilizzato dal prodotto nel suo front-end digitale gli consente di condividere un unico bus di comunicazione tra sistemi multi-attuatore. Il Digital Front End consente inoltre di regolare tutte le impostazioni con soli sette componenti discreti passivi. 

BOS1901 è compatibile con una gamma di induttori commerciali standard. È efficace anche per i sistemi che non sono attrezzati per gestire il flusso di corrente inversa. Il BOS1901 è dotato di un ingresso di alimentazione unidirezionale. Quando attivato, questo ingresso di potenza fa sì che il driver si comporti come un carico resistivo senza ridurre l'efficienza energetica. BOS1901 ha un tempo di avvio inferiore a 300 microsecondi. La sua latenza è insignificante.  

Secondo il ultime informazioni disponibili, Boreas Technologies ha chiuso un round di finanziamento da 12 milioni di dollari nel novembre 2023. La società aveva deciso di utilizzare i fondi per accelerare la produzione in grandi volumi dei suoi semiconduttori piezoelettrici tattili a bassissimo consumo in applicazioni mobili, PC e automobilistiche.

Piccoli convertitori e i loro vantaggi

Gli ingegneri di tutto il mondo stanno affrontando la sfida di creare progetti di sistemi più piccoli o che racchiudano più funzionalità entro le dimensioni esistenti. Per accogliere di più sui circuiti stampati, ottenere una densità PCB più elevata è diventato fondamentale. Ciò, tuttavia, introduce maggiori complessità per i progettisti, in particolare nell'esecuzione delle attività di instradamento e layout della scheda. 

La spinta a superare questi ostacoli ha portato a lo sviluppo di prodotti per catene di segnale analogiche che aiutano gli ingegneri a ottimizzare lo spazio sulla scheda senza sacrificare funzionalità, costi, semplicità o robustezza. Una di queste invenzioni degne di nota sono gli amplificatori operazionali, che garantiscono prestazioni elevate e un circuito di amplificazione estremamente stabile con solo pochi componenti passivi. 

Gli amplificatori operazionali di Texas Instrument, ad esempio, sono disponibili in 16 pacchetti diversi, che includono i pacchetti a canale singolo e quadruplo più piccoli del settore. Allo stesso modo, ci sono piccoli comparatori progettati con due ingressi, un'uscita e due pin di alimentazione, chiamati così per confrontare le tensioni di ingresso e regolare l'uscita di conseguenza. Il comparatore più piccolo del settore si inserisce in un contenitore WCSP che misura 0.7X0.7 mm, ovvero il 4% più piccolo rispetto ai dispositivi concorrenti e funziona fino a 1.7 V, rendendolo ideale per progetti in cui lo spazio è critico come smartphone e altri dispositivi portatili o alimentati a batteria applicazioni. 

Anche gli amplificatori di rilevamento della corrente di piccole dimensioni sono entrati in scena con la crescente domanda di intelligenza di sistema ed efficienza energetica. I sistemi critici richiedono un monitoraggio migliore. Questa misurazione e monitoraggio della corrente è possibile rilevando la caduta di tensione attraverso uno shunt o un resistore di rilevamento della corrente. 

Con transistor di piccole dimensioni che misurano solo 1.6 mm x 1.6 mm, è stato possibile realizzare amplificatori di rilevamento della corrente che sono più piccoli del 40% rispetto ai contenitori al piombo della concorrenza più vicini. Queste soluzioni sono state progettate per l'uso in applicazioni con vincoli di spazio. 

Nel complesso, la ricerca e lo sviluppo hanno reso possibile ridurre considerevolmente l'ingombro del PCB, aumentando al tempo stesso la densità dei canali e sfruttando una maggiore integrazione di altri componenti e funzionalità con un piccolo convertitore di dati. Tali sviluppi si tradurranno in un maggiore risparmio di spazio e in progetti più efficienti. 

Con i gadget elettronici che diventano sempre più piccoli ogni giorno che passa e la domanda di nuove funzionalità in aumento, questi sviluppi non potranno che acquisire sempre più slancio.