Ультразвуковые импульсные генераторы MAX4940: выбор высоковольтных конденсаторов.

Ультразвуковые импульсные генераторы MAX4940: выбор высоковольтных конденсаторов.

Резюме

Интегрированные микросхемы ультразвуковых импульсных генераторов объединяют 16-канальный H-мост в одном корпусе, а пассивная сеть вокруг них определяет качество передачи. Падение напряжения питания во время тонального импульса сокращает последующие циклы, смещение напряжения на земле сдвигает время эхо-сигнала, а звон напряжения питания увеличивает интервал гашения приемника. В этой статье приводятся уравнения энергии, падения напряжения и CV²f, пять режимов отказов серийных плат импульсных генераторов, а также значения развязки и компоновки, которые обеспечивают соответствие формы сигнала техническим характеристикам.

1. Введение

В промышленном ультразвуковом интерфейсе используются интегральные высоковольтные импульсные микросхемы. Такие компоненты, как MAX4940 или MAX14820, объединяют в одном корпусе H-мост, переключатель передачи и приема, а также логику.

Усиление значительное. Для 16-канальной антенной решетки, которая раньше требовала 64 дискретных транзистора, теперь достаточно одной микросхемы и ее пассивной сети. Амплитуда передачи, качество фронта сигнала и стабильность импульсов обеспечиваются компонентами, расположенными вокруг микросхемы.

Три ключевых элемента — это накопитель энергии, развязывающая емкость и путь возврата на землю. Каждый из них пропускает полный импульсный ток, и каждый из них сам по себе может исказить форму сигнала.

В этой статье приводятся уравнения для энергии передачи, просадки напряжения на шине питания и CV²f, пять типов неисправностей, наблюдаемых на промышленных платах импульсных генераторов, а также значения параметров микросхемы и конденсатора, которые восстанавливают точность передачи при частоте повторения импульсов 5–20 кГц.

2. Основной механизм

2.1 Энергия передачи на импульс

Каждый цикл передачи заряжает зажатую емкость преобразователя C_t до напряжения питания V. Энергия, передаваемая за импульс, мала, а переходный ток — нет.

E = ½ · C_t · V²

где E — энергия импульса в мкДж, C_t — емкость преобразователя в нФ, а V — напряжение питания в В. Преобразователь емкостью 1 нФ на шине питания 200 В потребляет 20 мкДж за импульс, что составляет 0.2 Вт средней мощности при частоте повторения импульсов 10 кГц.

Ток на краю плазмы формируется из тех же двух величин.

I = C_t · dV/dt = 1 nF · 200 V / 20 ns = 10 A

где I — ток заряда преобразователя в А, dV/dt — скорость нарастания фронта в В/нс, C_t — емкость в нФ, а 20 нс — время фронта. Этот переходный ток в 10 А — это то, что должны обеспечивать конденсаторы шины питания без обвала напряжения шины.

2.2 Провисание рельса во время пакетной передачи

Во время импульсного сигнала блок шин питания подает импульсный ток, и напряжение на шине падает во время выполнения импульса.

ΔV = I_pulse · t_pulse / C_rail

где ΔV — падение напряжения на шине в В, I_pulse — импульсный ток в А, t_pulse — длительность импульса в нс, а C_rail — емкость шины в нФ. Импульс 10 А длительностью 500 нс, подаваемый на блок емкостей 100 нФ, вызывает падение напряжения на 50 В, что составляет 25% от напряжения на шине 200 В.

Падение напряжения на 25% сокращает второй и третий циклы пятициклового импульса и искажает фазу формирования луча в фазированной антенной решетке. Если поддерживать падение напряжения ниже 2% от напряжения питания, то для получения того же импульса длительностью 500 нс и током 10 А потребуется конденсатор емкостью 2.5 мкФ.

2.3 Потери CV²f и тепловая нагрузка на чип

Каждый фронт сигнала заряжает и разряжает емкость преобразователя, поэтому потери при переключении возрастают прямо пропорционально частоте повторения импульсов.

P_sw = C_t · V² · f

где P_sw — потери при переключении в Вт, C_t — емкость в нФ, V — напряжение питания в В, а f — частота повторения импульсов в кГц. Преобразователь емкостью 1 нФ при напряжении 200 В и частоте 10 кГц, при подсчете обоих фронтов биполярного импульса, рассеивает 0.8 Вт на канал.

Восемь активных каналов потребляют до 6.4 Вт в одном небольшом корпусе. Часть этого тепла отводится через рельсовую сеть, поэтому качество развязывающего блока проявляется в температуре перехода микросхемы.

2.4 Разъединение, игнорирование и роль английского как второго языка

На выводы высокого напряжения должен поступать сигнал от конденсатора, эквивалентная последовательная индуктивность которого составляет лишь малую часть индуктивности контура. В противном случае, фронт тока 10 А будет звенеть на соединительных проводах и выводах корпуса.

f_SR = 1 / (2 · π · √(ESL · C))

где f_SR — собственная резонансная частота в МГц, ESL — эквивалентная последовательная индуктивность в нГн, а C — развязывающая емкость в нФ. Компонент емкостью 100 нФ с ESL 20 нГн резонирует на частоте 3.6 МГц, а компонент емкостью 10 нФ с ESL 5 нГн — на частоте 22 МГц.

Развязывающий контур должен оставаться емкостным до частотного спектра фронта передаваемого сигнала. Выше f_SR напряжение на шине сигнала превращается в резонансный контур, искажающий каждый импульс.

Рис. 1 — Падение напряжения на шине питания при импульсе 10 А длительностью 500 нс: блок конденсаторов емкостью 100 нФ вызывает падение напряжения на 50 В, а конденсатор емкостью 2.5 мкФ поддерживает падение напряжения на уровне 2 В.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Срыв направляющей, приводящий к укорочению импульсов тонального сигнала.

Плата фазированной антенной решетки с 16 каналами, имеющая общую шину питания 200 В и всего 470 нФ объемной емкости, демонстрирует падение напряжения на 10–25 В при каждом импульсе. Фазовые ошибки в формировании луча достигают нескольких градусов, а уровень боковых лепестков возрастает, что ухудшает контрастное разрешение. Тестирование на одном канале никогда этого не показывает, поскольку суммарная мощность 16 каналов составляет 160 А.

Проблема 2: Отскок от земли, нарушающий синхронизацию.

Через плоскость заземления протекает обратный ток 10 А. При общей обратной индуктивности 5 нГн опорное напряжение заземления смещается на 2.5 В во время каждого фронта сигнала. АЦП приемника считывает это смещение как временной сдвиг в несколько наносекунд, что искажает измерение времени пролета, которое должно повторяться с интервалом в 1 нс.

Проблема 3: Получение заготовки, растянутой рельсовыми звонами.

После каждого передающего импульса переключателю T/R требуется время для ограничения входного сигнала приемника. Колебания напряжения на шине, вызванные слабой развязывающей цепью, увеличивают этот интервал на 1–3 мкс. Затем система маскирует эхо-сигналы, поступающие вблизи поверхности, или замедляет сканирование для их защиты.

Проблемный момент 4: превышение допустимого уровня нагрева CV²f, указанного на упаковке.

При высокой частоте повторения импульсов и наличии нескольких активных каналов потери на канал в микросхеме генератора импульсов достигают 6–10 Вт. Температура перехода повышается на 40–60 °C по сравнению с температурой окружающей среды, выходное сопротивление возрастает, а амплитуда передачи падает. Сбой проявляется в виде изменения яркости при сдвиге частоты.

Проблемный момент 5: разряд из разъема в микросхему.

В системе электростатического разряда и разряда кабеля высоковольтная шина и разъем преобразователя подвержены воздействию этих явлений. Слабая развязывающая цепь приводит к высокому импедансу шины на высоких частотах, поэтому дуговой разряд в разъеме передает свой переходный процесс в микросхему. За этим следует периодическое выпадение сигнала в канале, а затем и отказ выходного каскада.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Выберите микросхему, соответствующую потребностям передачи, а затем уменьшите её мощность.

Выберите компонент, выходное напряжение и пиковый ток которого превышают требуемые значения на 20–30%. Выходной каскад с пониженной номинальной мощностью работает с меньшим нагревом и имеет низкое сопротивление в открытом состоянии. Проверьте время восстановления приемопередающего переключателя в соответствии с требуемым покрытием ближней поверхности, поскольку время восстановления в 100 нс позволяет сэкономить целую микросекунду гашения каждого импульса.

Стратегия 2: Постройте двухуровневую развязывающую сеть, начиная с выводов.

Разместите элемент с очень низким ESL емкостью 1–10 нФ непосредственно у каждого высоковольтного вывода микросхемы. Диэлектрик класса I N4700 Он сохраняет 99% своей емкости при напряжении питания и остается емкостным до 20 МГц, поэтому реагирует на фронт тока 10 А до того, как сработает блок питания.

Добавьте по одному конденсатору на каждую группу каналов для поглощения энергии импульсного сигнала. Используйте конденсатор емкостью от 100 нФ до 1 мкФ. Дверная ручка HVCT8G Размеры блока определяются по формуле C_rail ≥ I_pulse · t_pulse / ΔV, при этом провисание должно составлять менее 2% от длины рельса. Основной блок должен располагаться в пределах 20 мм от обслуживаемой им группы каналов.

Стратегия 3: Проложить обратный путь в виде симметричной петли.

Используйте звездообразную точку заземления или разделенное заземление, чтобы ток возврата передатчика никогда не пересекался с опорным путем АЦП приемника. Площадь контура цепи «переключатель-конденсатор-преобразователь» должна быть менее 4 см², а общая индуктивность возврата — менее 2 нГн. Этот шаг одновременно решает проблемы № 2 и № 3.

Стратегия 4: Учитывать нагрузку CV²f по всем каналам.

Вычислите P_sw = C_t · V² · f на канал при максимальной частоте повторения импульсов, затем просуммируйте по активным каналам. Спроектируйте тепловой путь для температуры перехода ниже 85 °C. Добавьте медную заливку и тепловые переходные отверстия под микросхему, а также принудительную вентиляцию на любой плате с более чем восемью активными каналами.

Стратегия 5: Защитите направляющую и соединитель.

Добавьте ограничитель электростатического разряда на разъеме преобразователя и последовательный резистор в каждом тракте передачи для ограничения di/dt. HVR-BSP толстопленочный резистор Сохраняет свои характеристики до +125 °C и охватывает диапазон от 100 Ом до 10 кОм, необходимый для ограничителя передачи.

Проверьте сопротивление шины питания в зависимости от частоты с помощью анализатора цепей, поскольку плоское низкое сопротивление до 50 МГц свидетельствует о работоспособности развязывающей цепи. Добавьте предохранитель или терморезистор в высоковольтный источник питания и установите... быстровосстанавливающийся диод в выпрямителе, чтобы повреждение одного канала не могло вывести из строя общую шину питания.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Высоковольтные конденсаторы для передающих трактов интегральных схем импульсных генераторов.

Для импульсного генератора необходима поддерживающая сеть, обеспечивающая передачу импульсов с фронтом 10 А без потерь и имеющая индуктивность контура не более 200 нГн. Компания HVC производит керамические конденсаторы класса I N4700 для напряжений от 1 кВ до 150 кВ на заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане. Перекрестная ссылка по отношению к номерам деталей Vishay, Murata и TDK.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• ESR менее 10 мОм на частоте 100 кГц с tanδ ≤ 0.1%, поэтому импульс 10 А достигает преобразователя, а не нагревает шину.
• ESL ниже 20 нГн, а для дисковых типов — ниже 10 нГн, что позволяет поддерживать емкостную развязку на уровне выводов выше 20 МГц.
• Диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ, что обеспечивает 3-5-кратный запас прочности на шине 200 В и исключает проблемы разряда в месте развязки.
• Показатель TCC составляет ±30 ppm/°C, а линейность C(V) лучше 99% в диапазоне от −30 °C до +85 °C, поэтому провисание рельса не изменяется с температурой платы.
• Длительность импульсного режима превышает 10⁶ импульсов при частичном разряде ≤ 5 пКл, что соответствует многомиллиардному импульсному режиму работы промышленного сканера.
• Эпоксидная инкапсуляция, выдерживающая 96-часовое воздействие солевого тумана, плюс резисторы выборки HVRGHP для измерения тока передачи с низкой индуктивностью в рамках одного семейства корпусов.

Доставка и поддержка

Стандартные детали отгружаются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты развязки — в течение 6–10 недель. Каждая партия сопровождается отчетом о частичном разряде при напряжении, в 1.5 раза превышающем номинальное, и рекордом ресурса импульса более 10⁶ импульсов.

Передайте напряжение питания, количество каналов, емкость преобразователя, время фронта и частоту повторения импульсов. HVC вернет план развязки с учетом просадки напряжения, собственного резонанса и индуктивности петли для каждого канала. пленочный конденсатор сравнение при том же целевом значении снижения и комплект для оценки двух образцов в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какая общая пропускная способность необходима для рельсового пути общего пользования?

Размер импульса определяется формулой ΔV = I_pulse · t_pulse / C_rail, а падение напряжения должно составлять менее 2% от напряжения питания. Импульс 10 А длительностью 500 нс, подаваемый на конденсатор 2.5 мкФ, обеспечивает падение напряжения на 2 В при напряжении питания 200 В. Конденсатор 100 нФ вызывает падение напряжения на 50 В на том же импульсе и искажает пакетную передачу данных.

В2: Почему второй импульс в серии импульсов кажется коротким?

Поскольку блок шин не восстановился после первого импульса, падение напряжения на 10–25 В снижает напряжение заряда в последующих циклах, поэтому амплитуда попадает в зону импульса. Добавьте большую емкость и укоротите обратный путь, затем проверьте падение напряжения на выводе микросхемы.

В3: Где должны располагаться развязывающие конденсаторы?

На высоковольтном выводе каждого канала, в нескольких миллиметрах от корпуса, конденсатор на выводе реагирует на импульс тока 10 А, а основной блок конденсаторов поглощает этот импульс. Конденсатор, расположенный на дальнем конце шины, помогает только среднему току и ничему больше.

Вопрос 4: Какое значение ESL требуется для конденсатора на выводе?

Достаточно низкая, чтобы её собственный резонанс находился выше краевого спектра. Микросхема 10 нФ с 5 нГн резонирует на частоте 22 МГц и остаётся ёмкостной на протяжении 20-нс фронта. Микросхема 100 нФ с 20 нГн резонирует на частоте 3.6 МГц и вместо этого издаёт звон.

В5: Как снизить температуру перехода?

Учтите P_sw = C_t · V² · f на канал и суммируйте по активным каналам. Восемь каналов на частоте 10 кГц достигают мощности 6.4 Вт. Добавьте медную заливку и тепловые переходные отверстия под микросхему, используйте принудительную вентиляцию над восемью каналами и снизьте частоту повторения импульсов, когда температура кристалла превысит 85 °C.

В6: Как отличить эхо от настоящего?

Посмотрите на форму сигнала передачи на широкополосном зонде перед переключателем T/R. Колебания на собственной резонансной частоте развязывающего блока появляются в первые 1–3 мкс и маскируют эхо-сигналы вблизи поверхности. Сократите длину петли и увеличьте f_SR, затем убедитесь, что интервал гашения уменьшается.

7. Рекомендации

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, управления и лабораторных работ — Часть 1: Общие требованияЖенева: МЭК, 2016.
2. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроникиЖенева: МЭК, 2017.
3. МЭК 60384-8:2015, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270:2015, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Ук-Джин Ли и Сын-Ки Соль, Стабилизация напряжения звена постоянного тока для инвертора с уменьшенным количеством конденсаторов в звене постоянного токаIEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 1, стр. 404-414, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2013.2268733
8. Х. Ван и Ф. Блаабьерг, Надежность конденсаторов в силовых электронных преобразователях, использующих звенья постоянного тока: обзор.IEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 5, стр. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
9. США 8,570,711, Многослойный керамический электронный компонент (Подавление дугового разряда для многослойных керамических конденсаторов 1–5 кВ), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., патент выдан в 2013 г., https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
10. Т. Кадзи, Х. Асаи, Т. Нозу, Х. Кодзима и Н. Хаякава, Напряжение начала частичного разряда при импульсном напряжении инвертора с учетом взаимодействия факторов окружающей среды.IEEJ Transactions on Fundamentals and Materials, том 140, № 7, стр. 349-356, 2020. https://doi.org/10.1541/ieejfms.140.349
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com