Table of Contents

Носимая технология вышла за рамки простых фитнес-трекеров и умных часов в быстро расширяющуюся экосистему мониторов здоровья, очков дополненной реальности, умной одежды и имплантируемых медицинских устройств. В основе каждого устройства, которое потребляет энергию от настенной розетки - будь то для зарядки или прямой работы - лежит преобразователь переменного тока (AC) к преобразователю постоянного тока (DC). По мере того, как носимые устройства становятся меньше, легче и более функциональными, преобразователи мощности, которые заряжают или приводят их в движение, должны уменьшаться пропорционально, не жертвуя эффективностью, надежностью или безопасностью. В этой статье рассматриваются последние тенденции, раздвигающие границы миниатюризации для преобразователей AC-DC в носимых приложениях, от передовых полупроводниковых материалов до новых упаковочных и интеграционных методов.

Современные проблемы миниатюризации AC-DC конвертеров для носимых устройств

Проектирование компактного преобразователя AC-DC для носимого устройства представляет собой уникальный набор инженерных препятствий. В отличие от промышленных или автомобильных источников питания, носимые устройства накладывают серьезные ограничения на объем, вес и тепловое рассеивание. Выделяются несколько ключевых проблем:

Тепловое управление в ограниченных пространствах

Традиционные преобразователи AC-DC полагаются на громоздкие радиаторы и вентиляторы для рассеивания тепла, генерируемого переключающими потерями силовых транзисторов и магнитных компонентов. В носимом устройстве доступная площадь поверхности для рассеивания тепла чрезвычайно ограничена, и устройство часто находится в тесном контакте с кожей пользователя. Высокие температуры не только ухудшают срок службы компонентов, но и создают дискомфорт или даже опасности безопасности. Миниатюризация преобразователя без эффективного теплового пути может привести к горячим точкам, которые ограничивают производительность или вызывают преждевременный сбой.

Поддержание высокой эффективности при уменьшенном размере

Эффективность и размер обратно связаны во многих конструкциях преобразователя мощности. Меньшие компоненты обычно имеют более высокое сопротивление и меньшую тепловую массу, увеличивая потери проводимости. Достижение эффективности преобразования выше 90% в упаковке, занимающей всего несколько кубических сантиметров, является значительным инженерным достижением. Потери, которые были незначительными в настольном зарядном устройстве, становятся критическими, когда преобразователь должен поместиться внутри умных часов или пары умных очков.

Электромагнитная совместимость (EMC) в плотных слоях

Носимые устройства упаковывают несколько радиостанций (Bluetooth, Wi-Fi, NFC) и чувствительных аналоговых датчиков в крошечный корпус. Высокочастотное переключение внутри преобразователя AC-DC может генерировать электромагнитные помехи (EMI), которые ухудшают беспроводную производительность или повреждают физиологические измерения. Решения для щитирования и фильтрации добавляют размер и стоимость, поэтому дизайнеры должны внедрять инновации для подавления EMI у источника без добавления объема.

Механические и надежные ограничения

Носимые устройства подвержены частым движениям, ударам и воздействию окружающей среды. Соляные соединения, разъемы и магнитные ядра должны выдерживать вибрацию и температурный цикл. В то же время преобразователь должен соответствовать строгим стандартам безопасности (например, IEC 62368 для аудио / видео и ИТ-оборудования) и требованиям к изоляции медицинского класса для носимых мониторов здоровья. Баланс надежности с ультраминиатюрной упаковкой является постоянным напряжением.

Новые тенденции, приводящие к миниатюризации конверсии

Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователи и производители компонентов проводят несколько параллельных путей. Наиболее эффективные тенденции включают новые материалы, стратегии интеграции и форм-факторы, которые коренным образом меняют дизайн преобразователей AC-DC.

Расширенные полупроводники: GaN и SiC

Широкополосные материалы, такие как нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC), произвели революцию в силовой электронике за последнее десятилетие. По сравнению с традиционными кремниевыми MOSFET, GaN FETs предлагают более низкие частоты переключения (в мегагерцовом диапазоне) при сохранении высокой эффективности. Более высокие частоты переключения непосредственно уменьшают размер магнитных компонентов - индукторы и трансформаторы могут быть сделаны значительно меньше, потому что они требуют меньше поворотов ядра и меньших поперечных сечений ядра. Для носимых приложений, AC-DC преобразователи на основе GaN могут достигать плотности мощности, превышающей 30 Вт / см3, намного выше, чем то, что может доставить кремний. Например, Эффективная конверсия мощности (EPC) производит монолитные полумостовые энергетические стадии GaN, которые интегрируют драйвер и два FET в одном пакете с 3 мм на 5 мм, идеально подходит для космических конструкций. SiC, в то время как более

Пример: адаптеры на основе GaN для умных часов

Несколько производителей зарядных устройств теперь поставляют адаптеры AC-DC с поддержкой GaN, которые на 30-50% меньше своих кремниевых предшественников при одновременной доставке одинаковой мощности. В сочетании с контроллером USB-C PD (Power Delivery) эти адаптеры могут быстро заряжать носимые устройства без перегрева. Уменьшенный объем позволяет интегрировать адаптер в форм-фактор настенной вилки, который исчезает в розетке - важное эргономичное улучшение для пользователей, которые путешествуют или заряжают несколько устройств.

Высокоинтегрированная система на чипе (SoC) и силовые модули

Еще одна трансформирующая тенденция - интеграция всей цепочки преобразования AC-DC - выпрямитель, коррекция коэффициента мощности (PFC), регулирование DC-DC, логика управления и изоляция - в один чип или модуль. Преобразователи мощности на чипе устраняют многочисленные дискретные компоненты, сокращают площадь ПХД и упрощают процесс проектирования. Например, семейство InnoSwitch от Power Integrations объединяет контроллер, первичный MOSFET, вторичную синхронную ректификацию и обратную связь с безопасностью в единый пакет, достигая эффективности до 94% и устраняя необходимость в оптопарогенераторе. В то время как первоначально предназначенные для зарядных устройств смартфонов, эти чипы теперь адаптируются для носимых зарядных устройств, которые требуют менее 10 Вт выход. Снижение количества компонентов также повышает надежность за счет уменьшения припоев и потенциальных точек отказа.

В то же время интегрированные пассивные компоненты (например, встроенные индукторы в подложках ПХД) позволяют дизайнерам закапывать магниты внутри слоев платы. В сочетании с кремниевыми конденсаторами, которые предлагают высокую плотность емкости, целые преобразователи AC-DC теперь могут быть построены на нескольких квадратных миллиметрах недвижимости ПХБ. Такие компании, как Murata , предлагают ультракомпактные модули DC-DC с интегрированными индуктивностями, и аналогичная интеграция для AC-DC находится на горизонте.

Гибкие и тонкие компоненты питания

Носимые устройства все более конформны - они должны изгибаться, растягиваться и обертываться вокруг кривых человеческого тела. Традиционные жесткие сборки печатных плат ограничивают гибкость конструкции. Новые тонкопленочные и гибкие технологии компонентов позволяют преобразователи AC-DC, которые могут быть ламинированы на гибкие подложки или даже непосредственно интегрированы в ткани. Исследователи продемонстрировали гибкие выпрямители с использованием печатных органических полупроводников и тонкопленочных транзисторов, которые преобразуют сигналы переменного тока в DC на уровнях мощности милливатт. В то время как все еще экспериментальные для маломощных сенсорных узлов, эти системы обещают питать носимые патчи и умную одежду без громоздких аккумуляторных батарей или жестких преобразователей.

Тонкие пленочные индукторы и трансформаторы, осаждаемые в виде магнитных слоев толщиной всего несколько микрометров, являются еще одной активной областью исследований. Эти компоненты могут быть изготовлены непосредственно на гибкой полиимидной или ПЭТ-пленке, что позволяет использовать электронику преобразования мощности, соответствующую форме устройства. Институт Гарварда Wyss разработал гибкую силовую электронику для носимых биосенсоров, которые собирают энергию из тепла тела или окружающих радиоволн, используя тонкопленочные компоненты, толщина которых составляет всего 10 мкм. Хотя эти технологии еще не производятся массово для преобразования AC-DC на типичных уровнях мощности стенки (100-240 В переменный ток), они представляют собой четкую траекторию к действительно гибким носимым устройствам.

Планарная магнитика и воздушные трансформаторы

Магниты традиционно являются крупнейшими и самыми тяжелыми компонентами в преобразователе AC-DC. Планарные магнитные элементы - где обмотки выгравированы как медные следы на печатной плате или напечатаны на плоском сердечнике - резко уменьшают высоту и позволяют лучше управлять температурой. Используя плоское ядро (обычно E- или I-образный феррит), трансформатор может быть установлен на поверхности и помещен близко к коммутационным компонентам. Для очень высоких частот (10 МГц и выше), трансформаторы с воздушным ядром становятся осуществимыми, полностью устраняя потери ядра и уменьшая магнитный объем на порядок. Такие компании, как Würth Elektronik предлагают плоские трансформаторы, специально предназначенные для изолированных преобразователей высокой плотности, используемых в медицинских и носимых зарядных устройствах.

Цифровой контроль и адаптивный переключатель

Традиционные аналоговые контроллеры заменяются цифровыми сигнальными процессорами (DSP) или микроконтроллерами, которые могут адаптировать схемы переключения частоты, мертвого времени и модуляции в режиме реального времени. Цифровое управление позволяет работать в режиме разрыва при легких нагрузках - критически важно для носимых устройств, которые проводят большую часть своего времени в режиме ожидания или зарядки при очень низком токе. Благодаря динамической настройке на нагрузку цифровой конденсатор AC-DC может поддерживать высокую эффективность в широком диапазоне выходных данных и уменьшать размер выходных конденсаторов, необходимых для обработки переходных реакций. Кроме того, цифровые контроллеры позволяют использовать передовые методы смягчения EMI, такие как скачок частоты с расширенным спектром, что снижает потребность в громоздких фильтрах ввода. Несколько производителей чипсетов теперь предлагают цифровые контроллеры питания со встроенными протоколами зарядки USB и аккумулятора, что еще больше снижает количество компонентов.

Примеры применения: миниатюрные конвертеры в действии

Следующие примеры иллюстрируют, как эти тенденции применяются к реальным носимым и смежным устройствам.

Смарт-часы быстрые зарядные устройства

Ведущие производители смарт-часов приняли зарядные устройства на основе GaN, которые могут полностью заряжать часы менее чем за 30 минут. Эти зарядные устройства используют специальный разъем USB-C и небольшой форм-фактор с застежкой. Внутри полумостовой преобразователь GaN, работающий на частоте 1 МГц, приводит в действие плоский трансформатор толщиной всего 2 мм. Выход регулируется цифровым контроллером, который поддерживает пользовательский протокол быстрой зарядки. В результате получается зарядное устройство, которое весит менее 30 граммов и занимает около четверти объема кремниевого зарядного устройства мощностью 5 Вт. Высокая частота переключения также уменьшает размер конденсаторов входного фильтра. Ожидается, что этот подход к проектированию станет стандартным для всех премиальных носимых устройств.

Медицинские носимые пятна для непрерывного мониторинга глюкозы

Непрерывные глюкозомониторы (ЦГМ) и другие изношенные телом медицинские датчики требуют частой зарядки или замены батареи. Несколько систем CGM следующего поколения используют тонкопленочные батареи в сочетании с небольшим преобразователем AC-DC для подзарядки через специальную колыбель. Преобразователь должен быть ультракомпактным и безопасным для использования в медицинской среде, с изоляцией, которая предотвращает попадание токов утечки в пациент. Производители обратились к интегрированным модулям с использованием изоляции кремния на чипе (SoC) и микротрансформаторов, которые соответствуют стандартам IEC 60601-1. Эти модули измеряют только 4 мм × 5 мм и предлагают изоляцию 3 кВ. Благодаря интеграции конвертера в колыбель сам носимый пластырь можно сделать одноразовым и без батареи - значительное преимущество в стоимости и удобстве.

Очки дополненной реальности (AR)

Очки AR требуют сложной архитектуры мощности: им нужно преобразовать мощность стенки переменного тока в несколько низковольтных рельсов для дисплея, процессора, датчиков и беспроводных модулей, при этом сохраняя компактный и легкий аккумуляторный блок. Ранние прототипы использовали отдельные преобразователи AC-DC для зарядки и внутренние регуляторы DC-DC, что приводило к чрезмерной нагрузке. Более новые конструкции сочетают зарядное устройство IC на основе GaN (с интегрированными FET и защитой) на одной печатной плате, которое полностью помещается внутри шарнира очков. Использование высокочастотных плоских магнитов и встроенных пассивных устройств позволяет конвертер встраиваться в гибкую схему, которая изгибается вокруг рамы. Эта интеграция имеет решающее значение для достижения цели в 100 граммов для носимой AR на весь день.

Будущий прогноз: что будет дальше с миниатюрной конверсией AC-DC в носимых устройствах?

Траектория ясна: преобразователи AC-DC для носимых устройств будут продолжать сокращаться, становясь невидимыми для пользователя, обеспечивая при этом более высокую производительность. Несколько новых технологий, вероятно, ускорят эту тенденцию в течение следующих 3-5 лет.

3D гетерогенная интеграция

Решения, которые укладывают несколько матриц (SiP), - GaN FET, кремниевый контроллер, индукторы, сформированные в интерпозиторе, и конденсаторы - в 3D-структуре находятся в стадии разработки. Этот подход снижает паразитную индуктивность и сопротивление, позволяя использовать еще более высокие частоты и меньшие магниты. Такие компании, как Intel и TSMC, продемонстрировали интегрированные модули доставки мощности с использованием упаковки на уровне пластин, которая может быть адаптирована для преобразования AC-DC с низким энергопотреблением. В носимом устройстве весь преобразователь может стать одним чипом, встроенным в основной пакет процессора устройства.

Интеграция энергосбережения

Будущие носимые устройства могут вообще не нуждаться во внешних зарядных устройствах AC-DC, вместо этого они собирают энергию из тепла тела, движения или окружающего света. Однако многие среды по-прежнему требуют надежности проводной зарядки. Гибридные преобразователи, которые сочетают в себе энергосберегающий вход (например, от термоэлектрического генератора) с маршрутом зарядки AC-DC в одном ультракомпактном модуле, изучаются. Такие конструкции используют те же методы миниатюризации - широкополосные FET, гибкие индукторы и цифровое управление - для плавного переключения между несколькими входами. Эта конвергенция уменьшит потребность в отдельных преобразователях и еще больше упростит носимую конструкцию.

Беспроводная передача энергии как альтернатива

Хотя это не является строго преобразовательной тенденцией AC-DC, рост беспроводной зарядки для носимых устройств (Qi, проприетарные резонансные системы) переносит нагрузку преобразования AC-DC с носимой на зарядную панель. Тем не менее, сама панель должна быть компактной, особенно на общественных зарядных станциях. Те же тенденции GaN и интеграции применяются к конструкциям беспроводных передатчиков питания, которые требуют эффективного передающего устройства AC-DC, за которым следует высокочастотный инвертор, приводящий в движение передающую катушку. Несколько компаний теперь предлагают однокристальные беспроводные передающие устройства питания, которые интегрируют выпрямитель AC-DC (для собственного источника питания панели), инвертор и протокол связи. Эта интеграция на уровне чипа сокращает зарядную панель до размера, который может быть легко встроен в мебель или автомобильные интерьеры, еще больше уменьшая потребность в самой носимой для размещения большого конвертера.

Заключение

Миниатюризация преобразователей AC-DC для носимых технологий больше не является периферийной проблемой - это основной активатор следующего поколения гладких, высокопроизводительных и удобных для пользователя устройств. Используя широкополосные полупроводники, такие как GaN, применяя высокоинтегрированные конструкции SoC или SiP, охватывая гибкие и тонкопленочные компоненты и внедряя расширенный цифровой контроль, инженеры могут преодолеть давний компромисс между размером и эффективностью. Примеры зарядных устройств для умных часов, медицинских патчей и очков AR демонстрируют, что эти тенденции уже дают ощутимые результаты. По мере того, как 3D-интеграция и гибридные преобразователи энергии будут практически невидимыми - крошечный, высокоэффективный компонент, о котором пользователи никогда не задумываются, позволяя технологии, которые меньше похожи на гаджет и больше похожи на естественное расширение тела.

Key Takeaways
  • Полупроводники с широким диапазоном пропускания (GaN, SiC) обеспечивают более высокие частоты переключения, уменьшая размер магнитного поля.
  • Интеграция System-on-chip устраняет дискретные компоненты и упрощает компоновку печатной платы для носимых устройств.
  • Гибкие и тонкопленочные компоненты позволяют конформные преобразователи мощности для умной одежды и биомедицинских патчей.
  • Цифровое управление и планарные магниты еще больше уменьшают объем, улучшая тепловую и EMI производительность.
  • Приложения в умных часах, медицинских устройствах и очках AR демонстрируют реальный успех миниатюризации.