לוחות מעגלים מודפסים מתכווצים עם ממירי חשמל פיזואלקטריים

"קטן זה גדול", ביטוי פופולרי, הוכיח את הכשרון שלו שוב ושוב. התערבויות טכנולוגיות שהפכו את חיי היומיום שלנו לטובים יותר הופכות קטנות יותר, חוסכות מקום ומגבירות את היעילות. 

באחד המקרים האחרונים של התערבות אחת כזו, מדענים מאוניברסיטת קליפורניה סן דייגו ו-CEA-Leti פיתחו ממיר DC-DC מתקדם ומתוחכם במיוחד מבוסס פיזואלקטרי שיכול לאחד את כל מתגי החשמל לשבב אחד. 

הבה נתחיל בלבדוק את הכשרון של החידוש הזה ומדוע הוא זוכה לשבחים בהתלהבות רבה בעולם המדעי. 

ממיר צפיפות הספק גבוהה

דחיסת הממיר לשבב בודד משיגה בעיקר צפיפות הספק מוגברת ומולידת דינמיקת הספק חדשה על ידי ערבוב היתרונות של פיזואלקטרי ממירים עם אלו של ממירי DC-DC מבוססי קיבול. טכנולוגיה זו מחליפה את המשרנים המסורבלים הקודמים והיא מוכנה להפעיל בקרוב סמארטפונים, מחשבים, חוות שרתים, אוזניות AR/VR ועוד.

יתרונות נוספים ואיכויות חדשות של פתרון זה פורטו במאמר שכותרתו, "ממיר דו-צדדי משולב/מקביל מבוסס תהודה 20-ל-2.2V DC-DC משיג הפחתת הפסד של 310%. חלק מהיתרונות הללו היו כדלקמן:

• זהו המעגל המשולב הראשון המשמש להמרת הספק מבוססת PR. 
• הפתרון יכול להשיג עד 310% הפחתת אובדן. 
• הממיר יכול לספק ביצועים משופרים ביחסי המרה של מתח נמוך, שמירה על יעילות גבוהה תוך ניצול מיטבי של חומרים פיזואלקטריים. 
• הוא מסוגל להציע שלבי הספק מתוחכמים בשטח קטן בהשוואה לעיצובים נפרדים תוך מתן אפשרות לפעולה יעילה של המכשיר ביחסי המרת מתח של פחות מ-0.1.
• מכיוון שהמעגל המשולב מאפשר לאחד את כל מתגי החשמל על גבי שבב בודד, טביעת הרגל של ה-PCB מצטמצמת באופן משמעותי. אפשר גם להשיג דיוק משופר של בקרת פאזה.

היתרונות האלה ביחד כדור שלג למשהו גדול יותר: הם לא רק מפחיתים את הביקוש לחומרים פיזואלקטריים אלא גם מעצימים את הקהילה המדעית לייצר שרתי מחשוב בעלי הספק גבוה, מערכות רכב, מטעני USB ומכשירים מונעי סוללה עם טווח VCR נמוך DC-DC מֵמִיר. 

התקני מדידת כוחות סטטיים יעילים לפיזו-פוטומושן

חידושים טכניים כמו זה שהזכרנו לעיל נובעים משרשרת עקבית של מחקרים בנושא. לדוגמה, גיליון דצמבר 2023 של חיישנים ומפעילים הציג מחקר שניתח את הביצועים של פיזו/פוטודיודות מקושרות בשבב, והציע גישה מספרית לחישוב היעילות המכנית של מכשירי תנועה של פיזו-צילום. 

התקנים אלה, המשלבים מפעילים פיזואלקטריים עם תאים סולאריים סיליקון, יכולים להמיר אנרגיה אופטית לאנרגיה מכנית, מה שהופך אותם למתאימים עבור מיקרו וננו-רובוטים הנשלטים מרחוק. 

הממצאים הצביעו על כך שהיעילות המכנית של המכשירים אינה תלויה במתח הכניסה ויכולה להשתפר עם דילול וחריטה אחורית.

יתר על כן, מחקר 2021 חקר את תפקידם של חיישנים פיזואלקטריים במדידת כוחות סטטיים, תוך הדגשת הפופולריות שלהם ביישומי מדידת כוח בשל העלות הנמוכה, התגובה הלינארית והרגישות הגבוהה שלהם. חיישנים אלה ממירים ביעילות כוחות דינמיים לאותות חשמליים.

לחץ כאן כדי ללמוד כיצד ההתקדמות בחומרים מרוכבים פיזואלקטריים מאפשרת לרתום ולפרש אנרגיה קינטית.

מחקרים על כיווץ לוחות מודפסים

בכל הנוגע להיבט של כיווץ מעגלים מודפסים, מחקר רב קרה גם בחלל זה. א מחקר בולט משנת 2020, שפורסם על ידי IEEE, התעמק כיצד הרכיבים האלקטרוניים הלכו והתכווצו כתוצאה ממעגלים מודפסים אלקטרוניים שהופכים צפופים יותר. 

מחקר זה הכיר בעובדה שהתקנים פסיביים נפרדים קטנים יותר כמו קבלים ונגדים להרכבה על פני השטח גדלו בשימוש, והצביעו על מגמה של גדלים שבסופו של דבר ידרשו הגדלה. 

כמו כן, הוא התייחס לחששות של פגמים במוצרים אלה, ודגל באימוץ פרמטרים מתאימים של עיצוב מעגלים מודפסים בקביעת גיאומטריות רפידות לוח. 

הממצאים הדגישו שגיאומטריות רפידות קטנות יותר ממלאות תפקיד קריטי בהפחתת מצבת מצבות - מצב שבו קבל או נגד מולחמים רק בקצה אחד עקב הסיבוב האנכי של הרכיב, מה שמוביל למעגל פתוח. החוקרים המליצו גם להסיר את מסכת ההלחמה בין הרפידות כדי להשיג תוצאות ללא פגמים. 

מעבר למחקר המוסדי והאקדמי, עסקים רבים משקיעים באופן משמעותי בטכנולוגיות אלו, ומעצבים פתרונות יעילים. הפלחים הבאים יחקרו כמה מהחברות הללו ואת המוצרים החדשניים שהן מפתחות.

# 1. על סמיקונדקטור

תאגיד ON Semiconductor נרכש בהצלחה Fairchild Semiconductor תמורת 2.4 מיליארד דולר במזומן בספטמבר 2016. בזמן הרכישה, Fairchild הייתה פעילה מאוד בתחום ממירי הספק פיזואלקטריים. למשל, שלה מפעיל פיזואלקטרי FAN8831 חד-שבב היה מוצר שהורכב מממיר DC-DC עם מתג דחיפה משולב של 36V ושלב פלט גשר מלא. 

המכשיר יכול להניע Piezo דו-כיווני ב-120V שיא לשיא מתא ליתיום בודד של 3V. זה יכול לפעול במצב הולכה קריטית (CRM), אופטימלי להישאר פונקציונלי בתצורת משרן מצמוד המציעה מתחי מוצא מעל 60 וולט. הפתרון הגיע עם הגנה מפני מתח יתר וזרם יתר ויכולות מובנית לכיבוי תרמי לפי הצורך. . 

מעגל פנימי מאפשר את דרייבר השער המלא של הגשר כאשר וכאשר מתח המוצא של ממיר DC-DC עולה לרמה התואמת להיסטרזה. נגדים חיצוניים עזרו להגדיר את מתח ההגברה, בעוד שניתן לתכנת את מגבלת הזרם העלאת דרך הנגד החיצוני בפין ה-OCP. גשר ה-H הפלט כלל ארבעה ערוצים משולבים של 75 VP ו-N עבור כונן גלי הסינוס של מפעיל Piezo. 

עבור השנה שהסתיימה ב-31 בדצמבר 2023, ON Semiconductor רשם הכנסה של 8.253 מיליארד דולר, ירידה קלה מהכנסותיה בשנה הקודמת של 8.326 מיליארד דולר. בשנה האחרונה, הרווח הנקי המיוחס ל-ON Semiconductor עמד על 2.183 מיליארד דולר, עלייה קלה מ-1.902 מיליארד דולר בתקציב הקודם. 

# 2. טקסס אינסטרומנטס 

דרייבר piezo נוסף ברמת התעשייה עם ממיר דחיפה משולב הגיע מבית Texas Instruments. ה מוצר DRV2700 היה דרייבר piezo עם שבב יחיד עם מתג חיזוק משולב של 105V, דיודת כוח משולבת ומגבר דיפרנציאלי מלא. המכשיר, בשל הרבגוניות הטבועה בו, יכול להניע עומסים פיזואלקטריים במתח גבוה ובמתח נמוך כאחד. אות הקלט יכול להיות דיפרנציאלי או חד-קצה, צמוד AC או DC. המכשיר תמך בארבעה רווחים נשלטי GPIO, כולל 28.8dB, 34.8dB, 38.4dB ו-40.7dB. 

בדומה לפתרון של ON Semiconductor, שני נגדים חיצוניים מגבירים את המתח גם כאן. ישנן שתי סוללות עצמאיות. לאחד יש תמיכה של פין המתג, ואילו לשני יש את זו של פין VDD. 

הודות לארכיטקטורת ממיר הדחיפה הייחודית של המוצר, ניתן לייעל את הביצועים של מעגל DRV2700 עבור משרן נתון. מכיוון שהממיר שואב הרבה מארכיטקטורה היסטרית, ניתן למזער את הפסדי המיתוג ולהגביר את היעילות. 

למכשיר זמן הפעלה טיפוסי של 1.5 אלפיות השנייה, מה שהופך אותו למסוגל לצאת מהשינה במהירות. יש לו תכונות הגנת עומס יתר תרמיות המגנות עליו מפני נזק בעת הפעלת יתר. 

Texas Instruments Incorporated וחברות הבנות שלה רשמה הכנסה של 17.519 מיליארד דולר לשנה שהסתיימה ב-31 בדצמבר 2023, שהיווה ירידה ניכרת מההכנסות בשנה הקודמת של 20.028 מיליארד דולר. עבור שנת 2023, הרווח המדולל למניה רגילה עמד על 7.07 דולר, בעוד שבשנת 2022 הם היו 9.41 דולר. 

# 3. Boreas Technologies

המוצר של Boreas Technologies עם שם התג 'BOS1901' הוא יעיל נוסף דרייבר מפעיל פיזו חד-שבב המופעל על ידי טכנולוגיית ה-capDrive המוגנת בפטנט של החברה, וכתוצאה מכך סטנדרטים משופרים של שחזור אנרגיה. המוצר יכול להניע מפעילים עם צורות גל בגובה של עד 190 Vpk-pk תוך כדי עבודה ממתח אספקה ​​בין 3 ל-5.5 וולט. 

בשל גודלו הקטן, המוצר מוצא יישום במגוון תחומי שימוש קצה בהם מזעור צריכת החשמל ופיזור החום הוא הכרח. 

ה-SPI המהיר שבו משתמש המוצר בחזית הדיגיטלית שלו, מאפשר לו לחלוק אפיק תקשורת אחד בין מערכות מרובות מפעילים. ה-Digital Front End מאפשר גם להתאים את כל ההגדרות עם שבעה רכיבים דיסקרטיים פסיביים בלבד. 

BOS1901 תואם למגוון של משרנים מסחריים מהמדף. זה יעיל גם עבור מערכות שאינן מצוידות לטיפול בזרימת זרם הפוכה. ה-BOS1901 מגיע עם כניסת חשמל חד כיוונית. כאשר מופעלת, קלט כוח זה גורם לנהג להתנהג כעומס התנגדות מבלי להפחית את יעילות החשמל. ל-BOS1901 זמן הפעלה של פחות מ-300 מיקרו-שניות. ההשהיה שלו לא משמעותית.  

על פי המידע הזמין העדכני ביותר, Boreas Technologies סגרה סבב גיוס של 12 מיליון דולר בנובמבר 2023. החברה החליטה לנצל את הכספים כדי להאיץ את הייצור בנפח גבוה של מוליכים למחצה פיזו-הפטיים בעלי הספק נמוך במיוחד ביישומי נייד, מחשבים ומכוניות.

ממירים קטנים והיתרונות שלהם

מהנדסים ברחבי העולם מתמודדים עם האתגר של יצירת עיצובי מערכות שהם קטנים יותר או שמארזים יותר פונקציונליות בתוך הממדים הקיימים. כדי להכיל יותר במעגלים מודפסים, השגת צפיפות PCB גבוהה יותר הפכה חיונית. עם זאת, זה מכניס יותר מורכבות עבור מעצבים, במיוחד בביצוע משימות ניתוב לוח ופריסה של לוח. 

הדחיפה להתגבר על המכשולים הללו הובילה פיתוח מוצרי שרשרת אותות אנלוגיים שעוזרים למהנדסים לייעל את שטח הלוח מבלי לוותר על התכונות, העלות, הפשטות או החוסן. המצאה בולטת אחת כזו היא מגברי Op, המבטיחים ביצועים גבוהים ומעגל הגברה יציב במיוחד עם מספר רכיבים פסיביים בלבד. 

מגברי ה-Op של Texas Instrument, למשל, זמינים ב-16 חבילות שונות, הכוללות את החבילות הקטנות ביותר בתעשייה עם ערוצי יחיד וארבעה ערוצים. באופן דומה, ישנם משווים קטנים שתוכננו עם שתי כניסות, פלט אחד ושני פיני אספקת כוח, על שמם להשוות מתחי כניסה ולהתאים את הפלט בהתאם. המשווה הקטן ביותר בתעשייה משתלב בחבילת WCSP בגודל 0.7X0.7 מ"מ, שהוא קטן ב-4% ממכשירים מתחרים ופועל עד 1.7 וולט, מה שהופך אותו לאידיאלי עבור עיצובים קריטיים לחלל כמו סמארטפונים ועוד ניידים או סוללות אחרים. יישומים. 

גם מגברי חישת זרם בגודל קטן נכנסו לתמונה עם הדרישה ההולכת וגוברת לאינטליגנציה של המערכת ויעילות הספק. מערכות קריטיות דורשות ניטור טוב יותר. מדידה וניטור זו של זרם אפשריים על ידי חישת נפילת המתח על פני shunt או נגד חישת זרם. 

עם טרנזיסטורים בעלי קווי מתאר קטנים בגודל של 1.6 מ"מ X 1.6 מ"מ, ניתן היה להמציא מגברי חישת זרם שקטנים ב-40% מחבילות העופרת התחרותיות הקרובות ביותר שלהם. פתרונות אלה תוכננו לשימוש ביישומים מוגבלי מקום. 

בסך הכל, מחקר ופיתוח אפשרו להפחית במידה ניכרת את טביעת הרגל של ה-PCB תוך הגדלת צפיפות הערוצים ומינוף אינטגרציה גבוהה יותר של רכיבים ותכונות אחרות עם ממיר נתונים קטן. פיתוחים כאלה יביאו לחסכון רב יותר במקום ולעיצובים יעילים יותר. 

עם גאדג'טים אלקטרוניים שנעשים קטנים יותר ויותר בכל יום שעובר והביקוש לפיצ'רים חדשים גבוה יותר, ההתפתחויות הללו רק יצטברו יותר ויותר תאוצה.