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应用于OLED 封装的激光器电源设计与仿真

2020-03-24罗云萌钟绪浪

科学技术创新 2020年2期
关键词:磁芯纹波电感

罗云萌 钟绪浪

(1、陕西铁路工程职业技术学院,陕西渭南714000 2、大族激光科技股份有限公司,广东深圳518052)

1 概述

有机发光显示屏(Organic Light Emitting Display,简称OLED)被称为第三代显示器,广泛应用于手机、电脑、数码产品以及国防设备中[1- 2]。激光连接技术由于具有区域可选择、快速制造、非接触和复杂形状加工等优势,不仅有利于热敏材料OLED的封装,而且能够满足其可靠性要求,对水汽和氧气有极佳的阻隔效果[3]。

其中,想要获得稳定的封装工艺,就必须保证高可靠性的激光电源保证激光的输出稳定。

目前,设计稳定、高可靠性的激光电源大多数采用EDA 软件仿真得到结果后,再进行实际的电路设计布局,从而缩短了开发周期、提高开发效率。

仿真软件Saber 与其他电路仿真软件Matlab、Pspice、SIMPL IS 等相比,其具有更丰富的元件库和更精确的仿真描述能力,仿真真实性更好[4]。Saber 仿真软件是美国Synopsys 公司的一款EDA 软件,被誉为全球最先进的系统仿真软件,是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品,现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准,其中,在电源变换器设计中,能够全面分析系统的各项指标如环路频率响应、功率管开关、磁性器件的工作情况、元件的电学应力(电压、电流、功耗及温升)等[5]。

本文研究了EDA 软件设计与实际的激光电源电路的差异,同时采用合理控制方案,详细介绍电路核心器件的选型,给出方案中的详细参数,同时将实验结果与EDA 设计及指标进行对比。

2 Buck 变换器的基本工作原理及参数选择

设计要求:

(1)要求采用Buck 方案,设计并仿真;

(2)输入40-60VDC;

(3)输出5VDC,20A,fs=100KHZ;

图1 基于Buck 变换器主电路图

2.1 开关管选择

功率管能够承受的最高电压u>uin+ud=60+0.7=60.7V

设置一定的冗余量,选择参数如下的NTB52N10 Vdss=100V Idmax=52A

Ciss=2250pF Coss=620pF Crss=135pF

2.2 二极管选择

设置一定的冗余量,选择耐压100V、通态电流40A 的MBR40100。

2.3 电感参数选择

(1)续流阶段

电感两端电压U=5+0.6=5.6V

根据额定电流及计算所得的电感值和相关曲线图求磁心所需的AP 值[6],可得AP 值大约为0.68,故电感磁心型号选择E2627,其AP 值为0.7,具体各相关参数数据如下:

磁芯比例31/9cm,磁芯截面积Ae=0.83cm2,窗口面积Awb=0.85cm2,AP 值=0.7cm4,均磁路长度MPL=6.2cm,每匝的平均长度MLT=4.6cm,磁芯体积5.1cm3。

(2)计算最小匝数

(3)计算磁芯气隙

气隙长度lg(边缘影响忽略)

其中lg为总气隙长度,u0=4π*10-7,ur为1(空气的相对磁导率),N 为匝数,Ae 为有效截面积,L 为电感量。

(4)确定最佳线径

由磁芯的面积乘积和匝数可知,线径在20AWG 到22AWG之间。

(5)计算最佳线径

其中d 为线的直径,Aw为总的绕线窗口面积,Ku 为绕组填充系数,本文中,Ku=0.6(圆导线),选择22AWG。

(6)计算绕组电阻

绕线的总长度lw=MLTN=4.6*90=414cm,可知,在20℃到100℃时22AWG 线的电导率分别是0.53Ω、0.78mΩ/cm,所以本文中总绕线电阻为219mΩ-322mΩ 之间。

(7)确定功率损耗

功率损耗P=i2Rc,电流为20A,可知,功率损耗在50.4-67.6W 之间。

2.4 输出电容的设计

在很大范围内不同电压等级不同容值的常用电解电容[7],其ROCO值近似为常数,为50-80Ω,设输出电压纹波的峰峰值Vrr=0.05V,则RO=Vrr/ΔI=0.05/5=0.01,CO=60*10-6/0.01=8.9uF。

3 系统基于Saber 软件仿真设计

打开Saber Sketch,新建一个原理图,保存命名为buck。基于上述计算,用Saber 软件搭建电路,根据理论计算结果进行相应分析。应用Saber Sketch 完成一个设计后,可利用Saber Guide 的模拟环境来分析设计。

3.1 直流信号的瞬态分析

在这部分,可以利用模拟给定一个电压来模拟电路的各个状态,并通过CosmosScope 来观测各种波形[8]。

(1)在Saber Guide 的工具条中点击瞬态分析工具图标——Transient Analysisicon,它会弹出一个对话窗口,按照图中填好对话窗的各项条目:

放置探针- 观测电路波形图:

(1)在原理图中,单击“aout”电线- 点击右键- 选择“Probe”菜单项——观察“aout”这条线上的电压。

(2)观测电压波形。

(3)在完成了观测之后,先把这个波形窗口关闭,以进行下一步模拟。

3.2 交流信号分析与CosmosScope 波形观测器

(1)点击频率响应工具图标。

(2)在弹出的对话框中完成相应项目,单击OK。

3.3 仿真结果

采用上述仿真方法,仿真结果如下:

(1)仿真模型中,三角波频率为100KHz,幅值为5V,电压环给定电压为2.5V,如图2 所示。

图2 系统仿真图

(2)输入电压为40V,负载为额定负载时,输出电压波形,波形纹波小,电路快速响应。

图3 低压输入时,输出电压波形图

图4 高压输入时,输出电压波形图

(3)输入电压为60V,输出电压波形,其中电压的输出特性很好,纹波较小。

4 结论

本文根据实际案例中设计,通过精确的计算,计算出电感、电容等在特定工作条件下所选取的型号,另外根据计算结果基于Saber 软件仿真,从仿真结果可以得出,设计合理,输出纹波电压为1%,各项指标满足设计要求,同时缩短了开发周期。同时,在根据电路的实际设计过程中,指标基本与仿真偏差不大,可以直接应该用于OLED 的封装应用中,并且工艺验证后,效果非常好。

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