압전 전력 변환기를 사용한 인쇄 회로 기판 축소

널리 알려진 문구인 "Small is Big"은 그 장점을 몇 번이고 입증했습니다. 우리의 일상을 더 좋게 만든 기술적 개입은 점점 작아지고, 공간을 절약하고, 효율성을 높이고 있습니다. 

그러한 개입의 최신 사례 중 하나에서 캘리포니아 대학교 샌디에고 캠퍼스와 CEA-Leti의 과학자들은 다음을 개발했습니다. 최첨단의 매우 정교한 압전 기반 DC-DC 컨버터 모든 전원 스위치를 단일 칩으로 통합할 수 있습니다. 

먼저 이 혁신의 장점과 그것이 과학계에서 많은 열광을 받는 이유를 살펴보겠습니다. 

고전력 밀도 변환기

컨버터를 단일 칩으로 압축하면 주로 전력 밀도가 증가하고 다음과 같은 이점을 혼합하여 새로운 전력 역학이 탄생합니다. 압전 용량성 기반 DC-DC 컨버터와 컨버터. 이 기술은 이전의 부피가 큰 인덕터를 대체하며 곧 스마트폰, 컴퓨터, 서버 팜, AR/VR 헤드셋 등에 전력을 공급할 준비가 되어 있습니다.

이 솔루션의 추가 장점과 새로운 품질은 "20% 손실 감소를 달성하는 통합 듀얼 사이드 직렬/병렬 압전 공진기 기반 2.2~310V DC-DC 컨버터"라는 제목의 논문에 나열되어 있습니다. 이러한 이점 중 일부는 다음과 같습니다.

• PR 기반 전력 변환에 사용되는 최초의 집적 회로입니다. 
• 이 솔루션은 최대 310%의 손실 감소를 달성할 수 있습니다. 
• 컨버터는 낮은 전압 변환 비율에서 향상된 성능을 제공하여 압전 재료를 최적으로 활용하면서 높은 효율을 유지할 수 있습니다. 
• 개별 설계에 비해 작은 면적에서 정교한 전력 스테이지를 제공하는 동시에 0.1 미만의 전압 변환 비율에서 효율적인 장치 작동을 가능하게 합니다.
• 집적 회로를 사용하면 모든 전원 스위치를 단일 칩에 통합할 수 있으므로 PCB 설치 공간이 크게 줄어듭니다. 향상된 위상 제어 정밀도를 달성하는 것도 가능합니다.

이러한 이점은 집합적으로 눈덩이처럼 불어나 더 큰 것으로 나타납니다. 압전 재료에 대한 수요를 줄일 뿐만 아니라 과학계가 낮은 VCR 범위 DC-DC를 갖춘 고전력 컴퓨팅 서버, 자동차 시스템, USB 충전기 및 배터리 구동 장치를 생산할 수 있도록 지원합니다. 변환기. 

효율적인 피에조-포토모션 및 정적 힘 측정 장치

위에서 언급한 것과 같은 기술 혁신은 해당 주제에 대한 일관된 일련의 연구에서 비롯됩니다. 예를 들어, Sensors and Actuators 2023년 XNUMX월호에는 온칩 결합 피에조/포토다이오드의 성능을 분석한 연구 결과가 실렸으며, 이는 기계적 효율을 계산하기 위한 수치적 접근 방식을 제안했습니다. 피에조 포토 모션 장치. 

압전 액추에이터와 실리콘 태양전지를 통합한 이 장치는 광학 에너지를 기계 에너지로 변환할 수 있어 원격 제어 마이크로 및 나노 로봇에 도움이 됩니다. 

연구 결과는 장치의 기계적 효율이 입력 전압에 의존하지 않으며 박형화 및 후면 에칭을 통해 향상될 수 있음을 나타냅니다.

또한, 2021 연구 정적 힘 측정에서 압전 센서의 역할을 탐구하고 저렴한 비용, 선형 응답 및 높은 감도로 인해 힘 측정 응용 분야에서 인기를 강조했습니다. 이 센서는 동적 힘을 전기 신호로 효율적으로 변환합니다.

압전 복합재의 발전으로 어떻게 운동 에너지를 활용하고 해석할 수 있는지 알아보려면 여기를 클릭하세요.

인쇄회로기판의 수축에 관한 연구

인쇄 회로 기판을 축소하는 측면에 관한 한, 해당 분야에서도 많은 연구가 이루어졌습니다. ㅏ 2020년 주목할만한 연구IEEE가 발행한 에서는 전자 인쇄 회로 기판의 밀도가 높아짐에 따라 전자 부품이 어떻게 줄어들고 있는지 조사했습니다. 

이 연구는 표면 실장 커패시터 및 저항기와 같은 더 작은 개별 수동 장치의 사용이 증가하고 있다는 사실을 인정하여 결국 확대가 필요한 크기에 대한 추세를 정확히 지적했습니다. 

또한 보드 패드 형상을 결정할 때 적절한 인쇄 회로 기판 설계 매개변수의 채택을 옹호하면서 이러한 제품의 결함에 대한 우려를 다루었습니다. 

연구 결과에 따르면 더 작은 패드 형상이 툼스토닝(부품의 수직 회전으로 인해 커패시터나 저항기가 한쪽 끝에만 납땜되어 개방 회로로 이어지는 상태)을 완화하는 데 중요한 역할을 한다는 것이 강조되었습니다. 연구원들은 또한 결함 없는 결과를 얻기 위해 패드 사이의 솔더 마스크를 제거할 것을 권장했습니다. 

기관 및 학술 연구 외에도 수많은 기업들이 이러한 기술에 상당한 투자를 하고 효율적인 솔루션을 개발하고 있습니다. 다음 세그먼트에서는 이러한 기업 중 일부와 그들이 개발 중인 혁신적인 제품을 살펴보겠습니다.

# 1. 온 세미 컨덕터

온세미컨덕터 주식회사 성공적으로 획득 Fairchild Semiconductor는 2.4년 2016월 현금 XNUMX억 달러에 인수되었습니다. 인수 당시 Fairchild는 압전 전력 변환기 분야에서 매우 활발하게 활동하고 있었습니다. 예를 들어, FAN8831 단일 칩 압전 액추에이터 36V 부스트 스위치가 통합된 승압 DC-DC 컨버터와 풀브리지 출력단으로 구성된 제품이었습니다. 

이 장치는 단일 120V 리튬 셀에서 3V 피크 대 피크로 피에조를 양방향으로 구동할 수 있습니다. CRM(임계 전도 모드)에서 작동할 수 있으며 60V 이상의 출력 전압을 제공하는 결합 인덕터 구성에서 기능을 유지하도록 최적화되었습니다. 이 솔루션에는 과전압 및 과전류 보호 기능이 내장되어 있으며 필요할 때 열 차단 기능을 사용할 수 있습니다. . 

내부 회로는 승압 DC-DC 컨버터 출력 전압이 히스테리시스에 상응하는 수준에 도달할 때 풀 브리지 게이트 드라이버를 활성화합니다. 외부 저항기는 부스트 전압을 설정하는 데 도움이 되었으며, 승압 전류 제한은 OCP 핀의 외부 저항기를 통해 프로그래밍할 수 있었습니다. 출력 H-브리지는 피에조 액추에이터의 사인파 구동을 위한 75개의 통합 XNUMX VP 및 N 채널을 특징으로 합니다. 

ON Semiconductor는 31년 2023월 XNUMX일로 종료되는 회계연도에 대해 수익을 등록했습니다 8.253억 8.326만 달러로 전년도 매출 2.183억 1.902만 달러보다 소폭 감소했습니다. 최근 연도 ON Semiconductor의 순이익은 XNUMX억 XNUMX만 달러로, 전년도 XNUMX억 XNUMX만 달러보다 소폭 증가했습니다. 

# 2. 텍사스 인스트루먼트 

부스트 컨버터가 통합된 또 다른 산업 등급 피에조 드라이버는 Texas Instruments에서 나왔습니다. 그만큼 제품 DRV2700 통합 105V 부스트 스위치, 통합 전력 다이오드 및 완전 차동 증폭기를 갖춘 단일 칩 피에조 드라이버였습니다. 이 장치는 고유한 다양성으로 인해 고전압 및 저전압 압전 부하를 모두 구동할 수 있습니다. 입력 신호는 차동 또는 단일 종단, AC 또는 DC 결합일 수 있습니다. 이 장치는 28.8dB, 34.8dB, 38.4dB 및 40.7dB를 포함하여 XNUMX개의 GPIO 제어 이득을 지원했습니다. 

ON Semiconductor 솔루션과 유사하게, 두 개의 외부 저항이 전압을 높입니다. 두 개의 독립적인 배터리가 있습니다. 하나는 스위치 핀을 지원하고 다른 하나는 VDD 핀을 지원합니다. 

본 제품의 고유한 부스트 컨버터 아키텍처 덕분에 DRV2700 회로의 성능을 주어진 인덕터에 맞춰 최적화할 수 있습니다. 이 컨버터는 히스테리시스 아키텍처를 적극적으로 활용하므로 스위칭 손실을 최소화하고 효율을 높일 수 있습니다. 

장치의 일반적인 시작 시간은 1.5ms이므로 신속하게 절전 모드에서 벗어날 수 있습니다. 과열 시 손상을 방지하는 열 과부하 보호 기능이 있습니다. 

텍사스 인스트루먼트(Texas Instruments Incorporated)와 그 자회사 수익을 올렸습니다 17.519년 31월 2023일 마감 회계연도에 20.028억 2023만 달러의 순이익을 기록했는데, 이는 전년도 7.07억 2022만 달러의 매출에 비해 상당히 감소한 수치입니다. 9.41 회계연도의 희석 주당순이익은 XNUMX달러였고, XNUMX 회계연도에는 XNUMX달러였습니다. 

# 3. 보레아스 테크놀로지스

Boreas Technologies의 제품 중 태그 이름이 'BOS1901'인 제품은 또 다른 효율적인 제품입니다. 단일 칩 피에조 액추에이터 드라이버 회사의 특허받은 capDrive 기술로 구동되는 이 제품은 향상된 에너지 회수 기준을 제공합니다. 이 제품은 190~3V의 공급 전압에서 작동하면서 최대 5.5Vpk-pk의 높은 파형으로 액추에이터를 구동할 수 있습니다. 

이 제품은 작은 크기로 인해 전력 소비 및 열 방출의 최소화가 필요한 다양한 최종 사용 영역에 적용됩니다. 

제품이 디지털 프런트 엔드에서 사용하는 고속 SPI를 통해 다중 액추에이터 시스템 간에 단일 통신 버스를 공유할 수 있습니다. 또한 디지털 프런트 엔드를 사용하면 7개의 패시브 개별 구성 요소만으로 모든 설정을 조정할 수 있습니다. 

BOS1901은 다양한 상용 인덕터와 호환됩니다. 역전류 흐름을 처리할 수 있는 장비가 없는 시스템에도 효과적입니다. BOS1901에는 단방향 전원 입력이 제공됩니다. 활성화되면 이 전원 입력은 드라이버가 전력 효율성을 감소시키지 않고 저항성 부하로 동작하도록 합니다. BOS1901의 시작 시간은 300마이크로초 미만입니다. 대기 시간은 중요하지 않습니다.  

이에 따르면 최신 정보, Boreas Technologies는 12년 2023월에 XNUMX만 달러 규모의 자금 조달 라운드를 마감했습니다. 회사는 모바일, PC 및 자동차 애플리케이션에서 초저전력 압전 햅틱 반도체의 대량 생산을 가속화하기 위해 자금을 활용하기로 결정했습니다.

소형 컨버터와 그 장점

전 세계의 엔지니어들은 기존 크기 내에서 더 작거나 더 많은 기능을 포함하는 시스템 설계를 만드는 문제에 맞서고 있습니다. 인쇄 회로 기판에 더 많은 것을 수용하려면 더 높은 PCB 밀도를 달성하는 것이 중요해졌습니다. 그러나 이로 인해 특히 보드 라우팅 및 보드 레이아웃 작업을 수행할 때 설계자에게 더 많은 복잡성이 발생합니다. 

이러한 장애물을 극복하려는 노력은 다음과 같은 결과를 가져왔습니다. 아날로그 신호 체인 제품 개발 엔지니어가 기능, 비용, 단순성 또는 견고성을 희생하지 않고 보드 공간을 최적화하는 데 도움이 됩니다. 그러한 주목할만한 발명 중 하나는 단 몇 개의 수동 구성 요소만으로 고성능과 매우 안정적인 증폭 회로를 보장하는 연산 증폭기입니다. 

예를 들어 Texas Instrument의 연산 증폭기는 업계 최소형 단일 및 16채널 패키지를 포함하여 0.7가지 패키지로 제공됩니다. 마찬가지로, 두 개의 입력, 하나의 출력, 그리고 입력 전압을 비교하여 그에 따라 출력을 조정하는 두 개의 전원 공급 핀으로 설계된 소형 비교기도 있습니다. 업계에서 가장 작은 비교기는 0.7x4mm 크기의 WCSP 패키지에 탑재되어 경쟁 제품보다 1.7% 작고 최저 XNUMXV까지 작동하므로 스마트폰 및 기타 휴대용 또는 배터리 구동 애플리케이션과 같이 공간이 중요한 설계에 이상적입니다. 

시스템 인텔리전스 및 전력 효율성에 대한 수요가 증가함에 따라 소형 전류 감지 증폭기도 주목받고 있습니다. 중요한 시스템에는 더 나은 모니터링이 필요합니다. 이러한 전류 측정 및 모니터링은 션트 또는 전류 감지 저항기의 전압 강하를 감지하여 가능합니다. 

1.6mm X 1.6mm 크기의 소형 아웃라인 트랜지스터를 사용하면 가장 가까운 경쟁 리드 패키지보다 40% 더 작은 전류 감지 증폭기를 만들 수 있습니다. 이러한 솔루션은 공간이 제한된 애플리케이션에 사용하도록 설계되었습니다. 

전체적으로 연구 개발을 통해 채널 밀도를 높이고 작은 데이터 변환기로 다른 구성 요소 및 기능의 더 높은 통합을 활용하면서 PCB 설치 공간을 상당히 줄일 수 있게 되었습니다. 이러한 개발로 인해 더 많은 공간이 절약되고 더 효율적인 설계가 가능해졌습니다. 

전자 장치가 날이 갈수록 작아지고 새로운 기능에 대한 수요가 높아짐에 따라 이러한 개발은 점점 더 많은 추진력을 얻게 될 것입니다.