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Los rápidos avances en el Internet de las cosas (IoT), la inteligencia artificial (IA), las tecnologías inalámbricas y la carga inalámbrica son algunos de los principales impulsores del desarrollo de nuevos componentes electrónicos en 2022. Junto con la digitalización en la mayoría de los sectores de fabricación con grandes tendencias como la Industria 4.0 , ciudades inteligentes y atención médica, ingeniería ecológica, redes 5G y movilidad autónoma: enfrentan desafíos complejos en términos de tamaño, consumo de energía, conectividad, procesamiento de sensores e incluso facilidad de implementación. Juntos, estos están impulsando algunas de las mayores tendencias de componentes en la industria.
Sin embargo, en los próximos años, uno de los mayores problemas que enfrenta la industria y el mundo es el consumo de energía, especialmente con una cartera creciente de dispositivos IoT. También existe una mayor preocupación por el medio ambiente y la necesidad de reducir los gases de efecto invernadero, lo que ha ejercido más presión sobre la industria para desarrollar nuevos componentes que aborden estas preocupaciones.
Los diseñadores se enfrentan a dos grandes desafíos en 2022: reducir el consumo de energía y mejorar la eficiencia. Aquí verá tres tendencias de componentes clave que seguirán evolucionando en los próximos años: dispositivos de energía de nitruro de galio (GaN), sistemas de administración de baterías (BMS) para vehículos eléctricos (EV) y recolección de energía.
Otras tecnologías que realizan avances significativos incluyen detección de luz y sensores de distancia (LiDAR) para mejorar la seguridad en sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS) y vehículos autónomos (AV), y sensores de gas para mejorar la salud y la seguridad de las personas.
1. Dispositivos de alimentación de GaN
Lo que impulsa el mercado de los circuitos integrados de potencia de GaN es diverso. GaN es un material de banda prohibida ancha (WBG) que ofrece una mayor frecuencia de conmutación, menores pérdidas, mayor densidad de potencia y una mejor gestión térmica en comparación con sus homólogos de silicio (Si). Se ha demostrado que todos son mejores que el silicio en términos de propiedades fundamentales como la banda prohibida, el campo eléctrico crítico y la movilidad de los electrones.
Los dispositivos de potencia y RF de GaN están avanzando a pasos agigantados en las redes 5G junto con el carburo de silicio semiconductor (SiC) de WBG. Estos circuitos integrados de potencia WBG encuentran su lugar en aplicaciones por encima de 6 GHz y ondas milimétricas. En particular, esté atento a los avances en amplificadores de potencia (PA) GaN y módulos PA. Estos dispositivos son cada vez más pequeños y eliminan o al menos reducen la necesidad de componentes externos gracias a su mayor rendimiento y/o mayor integración.
Otra aplicación importante es el control de motores industriales, donde GaN puede reemplazar MOSFET e IGBT. Espere nuevos transistores GaN HEMT y etapas de potencia que utilicen tecnologías patentadas de GaN para lograr una mayor eficiencia y una menor resistencia.
Yole Group espera que el mercado GaN de comunicación de datos/telecomunicaciones alcance más de 617,8 millones de dólares estadounidenses en 2027 con una tasa de crecimiento anual compuesto (CAGR) del 69 % durante el período de pronóstico 2021-2027. Otro gran impulsor de la demanda será la industria automotriz, que Yole pronostica que superará los $ 227 millones para 2027, a una CAGR del 99% durante el período de pronóstico.
Sin embargo, una de las áreas de mayor crecimiento y avance son los cargadores rápidos de GaN para dispositivos móviles. Ha habido una variedad de cargadores rápidos con potencias nominales de 65 W, 100 W, 140 W, 150 W y 250 W. Los fabricantes de dispositivos GaN como GaN Systems y Navitas informan una carga significativamente más rápida con diseños mucho más livianos y pequeños para un ahorro de energía cercano al 40 %. en comparación con las soluciones de silicio.
Lo que podemos esperar en la nueva hoja de ruta de GaN son mejoras en la eficiencia, el tamaño y la integración. También existe la expectativa de que los costos mejoren con una mayor adopción.
2. Sistemas de gestión de baterías para vehículos eléctricos
Un BMS administra y monitorea celdas o paquetes de baterías. Es un componente crítico de un vehículo eléctrico y consta de varios subsistemas que brindan equilibrio de celdas, protección e informes de estado sobre el estado de las baterías.
La seguridad es el gran problema, pero estos BMS también juegan un papel en el ahorro de energía. Los desafíos clave para los diseñadores de productos incluyen optimizar el consumo de energía a través de funciones de monitoreo y control, y garantizar la seguridad y la vida útil de la batería. Al mismo tiempo, también deben reducir el tamaño y el peso.
El mercado de BMS ya es una gran industria: según ReportLinker.com, se prevé que alcance los 10.800 millones de dólares en 2027, frente a los 7.900 millones de dólares de 2020. Sin embargo, el aumento de la demanda de vehículos eléctricos junto con las órdenes gubernamentales impulsarán nuevos avances. y la demanda de estos sistemas de seguridad. Todos los principales fabricantes de automóviles han anunciado objetivos de producción de vehículos eléctricos del 40 % al 50 % de su volumen anual en EE. UU. para 2030. El gobierno de EE. UU. está invirtiendo alrededor de $ 135 mil millones en la fabricación de vehículos eléctricos, la producción de baterías y las estaciones de carga.
La ansiedad por la autonomía sigue siendo un problema para los consumidores, a pesar de que los vehículos eléctricos más nuevos recorren más de 200 millas con una carga completa. Los BMS son fundamentales para eliminar este miedo al optimizar la eficiencia.
Además de aumentar el rango, los fabricantes de circuitos integrados de administración de energía también tienen la tarea de reducir la complejidad y el costo del diseño. Algunos fabricantes ofrecen BMS inalámbricos (wBMS) que cumplen con los requisitos de ASIL-D.
Los actores de la industria creen que wBMS se convertirá en una tendencia más grande en el mercado de vehículos eléctricos debido a su menor complejidad de diseño y menor costo en comparación con los sistemas que utilizan arneses de cableado tradicionales. Estos sistemas eliminan cables, conectores y componentes pasivos, lo que resulta en una reducción de peso que aumenta el alcance.
3. Dispositivos para generar energía
Con la proliferación de dispositivos y dispositivos portátiles IoT edge, se espera que la tecnología de recolección de energía experimente una adopción más amplia, lo que permitirá que los dispositivos funcionen sin baterías. Las nuevas aplicaciones incluyen dispositivos portátiles para el cuidado de la salud y monitoreo remoto del cuidado de la salud.
La recolección de energía se puede utilizar de manera autosuficiente como fuente de energía independiente o como fuente de energía auxiliar para baterías. Estos sistemas usan pequeñas cantidades de energía ambiental de una variedad de fuentes, como B. Vibración, sol, viento, calor y HF. También se ha trabajado para recolectar energía de otras fuentes, como líneas eléctricas, olas del océano e incluso árboles.
Según Grandview Research, se espera que el mercado mundial de sistemas de recolección de energía alcance los 986,3 millones de dólares estadounidenses en 2028, frente a los 488,3 millones de dólares estadounidenses en 2021. El principal motor de crecimiento es IoT, que incluye ciudades inteligentes, hogares inteligentes, IoT industrial y máquina a máquina. comunicación de la máquina. Según el informe, esto está siendo impulsado por la creciente conciencia ambiental, incluidos los objetivos para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y la creciente demanda de energía.
Estos sistemas están formados por muchos componentes, incluidos sensores, circuitos integrados de interfaz de sensor, convertidores, circuitos integrados de gestión de energía y dispositivos de almacenamiento como supercondensadores o pequeñas baterías recargables.
En el futuro, podemos esperar que más empresas investiguen nuevas fuentes de recolección de energía, incluidas aquellas que se pueden usar en redes de sensores inalámbricos para monitorear el estado de las máquinas. Además, una de las grandes áreas de desarrollo serán los circuitos integrados de administración de energía que manejan la energía del subsistema de recolección. Esto se vuelve aún más complicado cuando se necesitan múltiples fuentes de energía para satisfacer las demandas de energía del sistema. Otros avances probablemente incluirán dispositivos de almacenamiento de energía más pequeños y sensores de menor potencia.
4. LiDAR en la industria automotriz
Los actores de la industria llaman a LiDAR una tecnología clave y un componente básico para los AV. Se espera que los sensores LiDAR hagan un gran avance en ADAS y AV durante los próximos cinco años. Estos dispositivos proporcionan imágenes 3D precisas y en tiempo real del entorno del vehículo. Según Yole Group, se espera que el mercado automotriz LiDAR alcance los 2.000 millones de dólares en 2027, frente a los 38 millones de dólares de 2021.
En imágenes, el escaneo mecánico tradicional todavía tiene la mayor parte de las ganancias de diseño con un 69 %, según Yole, incluso cuando los microespejos MEMS y el flash LiDAR están incursionando en la industria automotriz.
Los LiDAR han evolucionado desde soluciones mecánicas giratorias grandes y toscas en un vehículo que cuesta miles de dólares hasta dispositivos de estado sólido mucho más pequeños. Sin embargo, el mercado sigue siendo una especie de salvaje oeste con más de 80 empresas LiDAR con casi tantas tecnologías, por lo que los fabricantes de automóviles seguirán teniendo muchas opciones para evaluar.
Un ejemplo es el novedoso LiDAR de estado sólido verdadero XenoLidar-X de XenomatiX para ADAS y conducción autónoma, que tiene un alcance de más de 200 metros, funciona en todas las condiciones climáticas y de luz, y utiliza «IA de cuatro dimensiones» para generar la imagen. o punto de imagen para procesar la nube.
Algunas de las últimas innovaciones de LiDAR también se centran en facilitar la integración en los sistemas del vehículo. Un ejemplo es la plataforma de detección inteligente 4Sight de AEye Inc., que proporciona LiDAR adaptativo para vehículos definidos por software, una tendencia creciente en la industria automotriz que habilita funciones y características a través del software, así como actualizaciones inalámbricas.
Los innovadores de LiDAR seguirán centrándose en las mejoras en la detección de objetos, la capacidad de extraer más datos fiables de los sistemas de sensores y una implementación más sencilla en los vehículos.
5. Sensores de gases
Las aplicaciones tradicionales para sensores de gas se pueden encontrar en aplicaciones de monitoreo ambiental, industriales, médicas y automotrices. Sin embargo, están incursionando en las aplicaciones de monitoreo de hogares inteligentes y ciudades inteligentes, impulsadas por una creciente preocupación por la calidad del aire interior y la contaminación exterior, midiendo gases en el rango de partes por mil millones (ppb). También están agregando nuevas funciones de IA.
Según IDTechEx, una tendencia creciente para estas «narices electrónicas» es la combinación de sensores de gas con algoritmos de aprendizaje automático. Al apuntar a mediciones más selectivas de la calidad del aire que los sensores de gas existentes, abren nuevas aplicaciones, por ejemplo, para monitorear incendios forestales.
Por ejemplo, el nuevo sensor de gas BME688 de Bosch Sensortec es parte del sensor de incendios forestales Silvanet de Dryad, que ayuda a detectar incendios forestales incipientes y alerta a las autoridades de forma inalámbrica. El BME688 utiliza IA y sensores integrados de presión, humedad y temperatura con alta linealidad y alta precisión, e incluye una función de escáner de gas que se puede personalizar para sensibilidad, selectividad, velocidad de datos y consumo de energía.
Para monitorear la calidad del aire exterior, el sensor de gas ZMOD4510 de Renesas Electronics Corp. incluye un nuevo algoritmo basado en IA. El algoritmo basado en IA permite mediciones selectivas de ozono con un consumo de energía extremadamente bajo y puede cuantificar niveles selectivos de ozono en concentraciones tan bajas como 20 ppb.
Mirando hacia el futuro, con el uso de software y materiales avanzados para miniaturizar aún más, IDTechEx predice que los sensores de gas se usarán en nuevas aplicaciones para teléfonos inteligentes, dispositivos portátiles y empaques inteligentes. Según el investigador de mercado, aún falta trabajar en la estandarización.
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