Преобразователи повышающего типа на низкотемпературных поликремниевых тонкоплёночных транзисторах с высокой выходной мощностью для приложений с крупноформатными датчиками и приводами

Питание следующего поколения носимых устройств

Представьте себе электронный участок, похожий на кожу, который может слушать ваш пульс, чувствовать движение или позволять «прикасаться» к объектам в виртуальной реальности — и всё это без громоздких батарей или жёстких плат. Чтобы такие большие и удобные электронные поверхности стали практичными, нужны тонкие гибкие силовые схемы, способные безопасно выдавать мощность уровня ваттов. В этой статье исследуют, как строить такие силовые цепи на основе тонкоплёночных транзисторов, приближая гибкую электронику к повседневному применению в мониторинге здоровья, умной одежде и иммерсивных AR/VR системах.

Почему важно гибкое питание

Крупные поля датчиков и приводов — такие как электронная кожа, умные ткани или тактильные перчатки и жилеты — должны покрывать большие участки тела и часто содержат тысячи отдельных элементов. Многие из них, например ультразвуковые преобразователи для визуализации органов или элементы тактильной отдачи, требуют относительно высоких напряжений или токов. Традиционные кремниевые микросхемы мощны, но они жёсткие и рассчитаны на малые площади: чтобы распространить такую мощность по рубашке, перчатке или жилету, потребовались бы многочисленные «твёрдые» островки, соединённые между собой, что делает систему тяжёлой и неудобной. Тонкоплёночные транзисторы, которые можно изготовить на больших и даже гибких поверхностях при низкой стоимости, представляют привлекательную альтернативу — но до сих пор их силовые цепи в основном ограничивались микроваттами и милливаттами, что далеко не соответствует потребностям амбициозных приложений.

Постройка гибкого «насоса» мощности

Авторы сосредотачиваются на одном ключевом блоке: повышающем преобразователе — схеме, которая принимает сравнительно низкое входное напряжение (в данном случае 3,3 В) и «повышает» его до более высокого уровня, одновременно выдавая значимый ток. Они реализуют эти схемы в низкотемпературной поликремниевой тонкоплёночной технологии, которую можно обрабатывать на стекле, а затем отделять в гибкую плёнку. Их первая разработка использует простую «диодно-подключённую» конфигурацию, где один транзистор всегда ведёт себя как односторонний клапан. Даже после отделения схемы в гибкую форму она способна выдавать до примерно 2 ватт выходной мощности, с КПД, достигающим около 59 процентов, и остающимся выше ≈47 процентов в полезном диапазоне нагрузок и напряжений. Это само по себе представляет скачок на несколько порядков по сравнению с предыдущими тонкоплёночными силовыми схемами.

Уменьшение занимаемой площади при сохранении мощности

Чтобы сделать силовые схемы более компактными без потери характеристик, команда использует особый тип транзистора с двумя затворами вместо одного. Одновременное управление обоими затворами эффективно удваивает контроль над каналом тока, что позволяет сократить общую площадь транзистора, необходимую для заданного выходного тока. Сравнивая одно- и двухзатворные варианты преобразователя, они показывают, что двухзатворные конструкции могут уменьшать занимаемую площадь, сохраняя при этом аналогичный КПД и выходные характеристики. Это важно для будущих систем, где преобразователь мощности должен разделять площадь с плотными массивами датчиков и приводов на одной гибкой подложке.

От простых клапанов к более умным переключателям

Далее исследователи заменяют диодно-подобный транзистор полностью управляемым ключом, управляемым более сложным сигналом синхронизации. Такой «ключевой» преобразователь ведёт себя ближе к повышающим схемам, используемым в обычных силовых микросхемах. Выигрыш — значительное: пик эффективности достигает почти 70 процентов при протекании 0,4 А тока, при выходных напряжениях немного выше входного. Однако дополнительная коммутационная активность также увеличивает потери при очень высоких рабочих скважностях, особенно потому, что крупные тонкоплёночные транзисторы имеют существенные паразитные ёмкости, которые нужно заряжать и разряжать каждый цикл. Команда также показывает, что на первый взгляд неважные детали — например, насколько далеко расположены дроссель и конденсатор от транзисторов — заметно влияют на характеристики через скрытые сопротивления и ёмкости в проводниках.

Управление скрытыми потерями и подтверждение надёжности

Чтобы справиться с этими скрытыми потерями, авторы создают ещё одну версию, в которой дроссель, ключевой элемент для хранения энергии, припаян непосредственно к тонкоплёнке рядом с транзисторами. Укорачив соединения, они уменьшают паразитное сопротивление и улучшают как КПД, так и выходное напряжение в широком диапазоне режимов работы. Затем они проводят часовые стресс-тесты как для диодно-основанных, так и для ключевых преобразователей. В течение этого времени дрейф выходного напряжения и эффективности составляет всего несколько процентов, что указывает на то, что тонкоплёночная технология выдерживает продолжительную работу при высокой мощности. Детальные сравнения с ранними тонкоплёночными работами и коммерческими кремниевыми микросхемами показывают, что впервые гибкие тонкоплёночные преобразователи способны выдавать мощность уровня ваттов с КПД, сопоставимым с традиционными интегрированными схемами.

Что это значит для повседневных устройств

Для неспециалиста главный вывод таков: гибкая электроника учится выполнять «тяжёлую работу» по части питания, а не только мягкое осязание. Демонстрация повышающих преобразователей, выдающих примерно от 0,6 до 2,2 Вт при КПД до ≈70 процентов на гибкой тонкоплёночной технологии, сокращает значительную часть разрыва между гибкими цепями и жёсткими кремниевыми силовыми чипами. Это делает гораздо более реалистичным представление о рубашках, которые мониторят сердцебиение, перчатках, позволяющих ощущать виртуальные текстуры, или электронных повязках для визуализации органов — всё это при питании от тонкой, прилегающей аппаратуры вместо громоздких устройств. Хотя остаются вызовы, такие как внедрение точных схем регулирования напряжения и изучение долговременных эффектов изгиба, это исследование закладывает прочную основу для доставки питания в следующем поколении крупноформатной, дружественной к телу электроники.

Цитирование: Velazquez Lopez, M., Papadopoulos, N., Coulson, P. et al. High output power low temperature polysilicon thin-film transistor boost converters for large-area sensor and actuator applications. npj Flex Electron 10, 32 (2026). https://doi.org/10.1038/s41528-026-00536-6

Ключевые слова: гибкая электроника, тонкоплёночные транзисторы, повышающий преобразователь, носимые датчики, тактильные устройства