Прецизионный привод постоянного тока для светодиодных УФ-полимеризационных головок

Прецизионный привод постоянного тока для светодиодных УФ-полимеризационных головок

Резюме

Светодиодная УФ-отверждающая головка поддерживает напряжение от 48 В до 120 В на последовательно-параллельных цепочках при токе от 10 А до 30 А, а доза отверждения зависит от тока цепочки. В этой статье выведены цепочка точности, частота среза фильтра измерения, уравнение распределения напряжения между цепочками и дрейф прямого напряжения этого привода, перечислены четыре проблемных момента и приведены шесть этапов проектирования. Фильтр класса I емкостью 100 нФ на шунтирующих клеммах снижает погрешность шума с 5% до 0.16%.

1. Введение

Светодиодная УФ-отверждение излучает свет с длиной волны 365 нм, 385 нм или 395 нм, мгновенно переключается, не выделяет озон и ртуть, а также работает от 20 000 до 50 000 часов. Эти свойства сделали его предпочтительным источником излучения для струйной печати, ламинирующих клеев, трафаретной печати и нанесения покрытий на рулонные материалы.

Одна производственная головка размещает сотни УФ-светодиодных кристаллов, соединенных последовательно-параллельными цепочками, питаемых от 48 В постоянного тока до 120 В постоянного тока при токе от 10 А до 30 А. Ключевым требованием является точность по току, а не по напряжению.

Прямое напряжение светодиода падает примерно на 2 мВ/°C на кристалл. Поэтому нерегулируемый источник напряжения изменяет свой ток на несколько процентов в процессе прогрева, что приводит к изменению интенсивности излучения и нарушению воспроизводимости дозы для чувствительных подложек.

Требования к точности ужесточились с отказом от ртутного излучения. Узкополосное излучение делает глубину отверждения и адгезию гораздо более чувствительными к дозе, поэтому 2%-ная погрешность тока, которая была незаметна на ртутной линии, проявляется в виде полосы блеска или риска расслоения на светодиодной линии.

2. Основной механизм

2.1 Уравнение установки тока

Регулятор сравнивает напряжение шунта с опорным значением и модулирует коэффициент заполнения до тех пор, пока они не совпадут:

I_target = V_ref / R_shunt

где I_target — средний ток светодиодной ленты в амперах, V_ref — опорное напряжение на усилителе ошибки в вольтах, а R_shunt — сопротивление датчика в омах.

Шунт сопротивлением 10 мОм и опорное напряжение 100 мВ обеспечивают ток 10 А. Напряжение шунта при таком токе составляет всего 100 мВ, поэтому каждый милливольт шума на измерительной паре передает 0.1 А кажущегося тока.

2.2 Цепочка точности

Три составляющие умножаются в цикле и складываются в виде дробных ошибок:

δI / I = δV_ref / V_ref + δR_shunt / R_shunt + δA_sense / A_sense

где δI / I — относительная погрешность тока, V_ref — опорное напряжение, R_shunt — сопротивление датчика, а A_sense — коэффициент усиления изолирующего усилителя.

Опорный сигнал 1%, шунт 0.5% и усилитель 0.5% обеспечивают наихудший случай ±2%. Для достижения ±1% необходимы компоненты с температурной компенсацией с точностью до 0.1%, поскольку верхний предел определяется арифметической суммой значений трех коэффициентов.

2.3 Фильтр датчика и подавление шума

Конденсатор, подключенный параллельно клеммам шунта, и последовательный резистор в каждой линии измерения образуют фильтр нижних частот:

f_c = 1 / (2π × R_f × C_f)

где f_c — частота среза фильтра в герцах, R_f — общее последовательное сопротивление в цепи измерения в омах, а C_f — дифференциальная емкость на параллельных выводах в фарадах.

При сопротивлении 100 Ом и емкости 100 нФ частота среза составляет 15.9 кГц. Пульсации переключения на частоте 500 кГц ослабляются в 31 раз, поэтому шум в 5 мВ достигает усилителя в виде 0.16 мВ, что составляет 0.16% от сигнала в 100 мВ.

2.4 Распределение тока между параллельными цепочками

Две цепи на одном регуляторе распределяют ток в соответствии с разницей в прямом напряжении и динамическим сопротивлением:

I_A − I_B = ΔV_f / R_dyn

где I_A и I_B — токи двух струн в амперах, ΔV_f — прямое рассогласование напряжений между струнами в вольтах, а R_dyn — динамическое сопротивление одной струны в омах.

Разница в 0.5 В между двумя цепочками с динамическим сопротивлением 0.5 Ом разделяет ток 20 А на 10.5 А и 9.5 А. В результате более горячая цепочка пропускает на 5% больше тока, рассеивает на 30 Вт больше и работает примерно на 4.5 К горячее на пути с расходом 0.15 К/Вт.

2.5 Дрейф прямого напряжения в зависимости от температуры перехода

Прямое напряжение светодиода падает по мере нагревания перехода, что превращает цепочку светодиодов, управляемую напряжением, в цепочку, управляемую током:

V_f(T_j) = V_f(25) − k_v × (T_j − 25)

где V_f(T_j) — прямое напряжение при температуре перехода T_j, V_f(25) — значение при 25 °C, а k_v — коэффициент дрейфа, примерно 2 мВ/°C на кристалл.

Напряжение в цепочке из 20 кристаллов изменяется на 40 мВ/°C. При нагреве до 35 К напряжение в цепочке падает на 1.4 В, а на шине с фиксированным напряжением ток возрастает до тех пор, пока не начнет действовать последовательное сопротивление или контур. Именно этот рост и является механизмом теплового пробоя.

Рис. 1 — Вклад погрешностей в ток светодиодной гирлянды; использование только традиционного шунта позволяет достичь целевого значения в 1.0%, в то время как градуированный комплект сохраняет 0.6% за счет влияния печатной платы.

3. Проблемы проектирования

Проблемный момент 1: Изменение заданного значения в зависимости от температуры.

Опорный или шунтирующий резистор, значение которого изменяется в зависимости от температуры окружающей среды, превращает фиксированное значение в изменяющееся. В лампе при внутренней температуре окружающей среды 60 °C опорное значение ±100 ppm/°C изменяется на 0.35% до того, как начнет учитываться старение светодиода.

Конденсатор класса II в компенсационной цепи добавляет собственное колебание. Потеря 15% его емкости сдвигает точку пересечения контура и позволяет пульсациям тока расти, что проявляется на подложке в виде видимых полос.

Проблема 2: Введение шума в тракт восприятия

Напряжение на шунте при полном токе составляет от 50 мВ до 100 мВ, поэтому 5 мВ синфазного коммутационного шума соответствуют 5–10% от кажущегося тока. Без фильтрующего конденсатора на выводах шунта контур модулирует ток синхронно с переключением.

Ошибка является синфазной, поэтому дифференциальный усилитель устраняет её часть. Остальная часть передается через паразитные элементы трассы, и только фильтр, установленный на шунтирующих клеммах, устраняет её на источнике.

Проблемный момент 3: Распределение тока между параллельными цепочками.

Светодиоды сортируются по прямому напряжению, и диапазоны сортировки достаточно широкие. Две цепочки на одном регуляторе с разницей в 0.5 В разделяют 20 А на 10.5 А и 9.5 А, при этом более горячая цепочка изнашивается быстрее.

Согласно соотношению Аррениуса, 5%-ный дисбаланс тока сокращает срок службы модуля примерно на 27%, поскольку дополнительные 30 Вт повышают температуру перехода примерно на 4.5 К. Сбалансированные цепочки позволяют обеим половинам модуля находиться на одной и той же кривой старения.

Проблема 4: Износ компонентов, определяющих ток.

Шунт с номинальным допуском 1% может снизиться до 2% после 10 000 часов работы при высокой температуре, а алюминиевый электролитический конденсатор в фильтре стареет из-за пульсаций тока. В результате контур подает ток, который уже не соответствует калиброванной дозе.

Процесс отверждения может протекать недостаточно или чрезмерно, в то время как микропрограмма сообщает о заданном значении. Только измерение тока в каждой зоне позволяет выявить отклонение до того, как клиент увидит его на подложке.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использовать конденсаторы класса I в цепях компенсации и опорного сигнала.

Указывать N4700 Диэлектрик класса I с диэлектрической проницаемостью ±30 ppm/°C и коэффициентом диссипации ниже 0.1%, поэтому коэффициент усиления петли и подавление пульсаций остаются неизменными в диапазоне температур от −40 °C до +105 °C при любом постоянном напряжении смещения.

Сравните с альтернативным вариантом: интеграционный конденсатор X7R, теряющий 70% своего значения при 80% номинального напряжения, сдвигает частоту кроссовера с 1.59 кГц до 5.3 кГц, что изменяет запас по фазе петли на тот же коэффициент.

Стратегия 2: Внедрить измерение температуры в Кельвинах.

Провода шунтирующего сигнала объединены в дифференциальную пару и подключены непосредственно к выделенному фильтрующему узлу. На клеммах установлен конденсатор класса I емкостью 100 нФ с сопротивлением 100 Ом в каждой линии, что обеспечивает частоту среза 15.9 кГц.

Верните пару на отдельный слой, расположив медь сверху и снизу. Добавьте резистор выборки наличие известного коэффициента температурного сопротивления (TCR) в калибровочном тракте позволяет проверить показание 100 мВ по эталонному амперметру.

Стратегия 3: Построение цепочки точности арифметическим методом.

Выделите 0.1% на шунт, 0.1% на опорный сигнал и 0.2% на усилитель, а 0.6% оставьте на эффекты печатной платы и разъемов. Сумма этих четырех составляющих составляет 1.0%, что соответствует целевому показателю, и ничего не остается неявным.

Задокументируйте распределение ресурсов в файле проекта, чтобы каждая заменяемая деталь проверялась на соответствие этому распределению. Используйте толстопленочный резистор с точностью ±15 ppm/°C для делителя частоты, где дрейф 0.05% в зависимости от температуры находится внутри 0.2% члена усилителя.

Стратегия 4: Добавить активную балансировку для каждой строки.

Для каждой цепочки модулей используйте собственный низковольтный стабилизатор или небольшой понижающий каскад со своим собственным резистором-датчиком. Дополнительные 3–5 Вт рассеиваемой мощности окупаются за счет согласованного срока службы цепочек и предсказуемой замены модулей.

Сбалансируйте две половины так, чтобы разница температур в точке контакта не превышала 1%. Это позволит поддерживать разницу температур в точке контакта ниже 1 К, что обеспечит равномерную дозу по всей головке и устранит полосу блеска.

Стратегия 5: Внедрение системы телеметрии течений непосредственно на месте.

Добавьте мониторинговый АЦП для каждой зоны с точностью ±0.5% и отслеживайте изменение текущего состояния с течением времени. Отмечайте любую зону, которая отклоняется более чем на 2% от среднего значения по автопарку, чтобы можно было запланировать техническое обслуживание.

Регистрируйте температуру шкафа вместе с током. Дрейф, отслеживающий температуру, указывает на опорное напряжение или шунт, а дрейф, не отслеживающий температуру, указывает на старение светодиодов или конденсаторов.

Стратегия 6: Согласуйте шину постоянного тока с режимом диммирования.

При регулировке яркости по ширине импульса от 1 кГц до 10 кГц поддерживайте достаточно большой размер выходного блока, чтобы пульсации на шине оставались ниже 1% от номинального значения. При превышении этого значения средний ток светодиода начинает зависеть от коэффициента заполнения, а доза изменяется в зависимости от уровня регулировки яркости.

Использовать пленочный конденсатор Для удержания в объеме используется пленочный слой, а для высокочастотной составляющей — керамический блок. Пленочная часть поглощает компонент 300 Гц, а керамический блок обрабатывает пульсации 500 кГц.

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	< 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	< 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	> 10 ГОм при 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	> 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Высоковольтные конденсаторы для цепей измерения и опорного сигнала светодиода-УФ

Для этого узла необходимы три условия: емкость, не изменяющаяся под воздействием смещения или температуры, низкие потери, обеспечивающие охлаждение фильтра внутри герметичного корпуса, и запас по частичному разряду на повышающем каскаде, подающем питание на цепочки конденсаторов. Компания HVC производит конденсаторы от 50 В постоянного тока до 100 кВ на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Диэлектрик класса I с ±30 ppm/°C и без потерь емкости при постоянном смещении, поэтому контур ведет себя одинаково как при 5 В постоянного тока, так и при 100 В постоянного тока.
• Коэффициент рассеяния ниже 0.1% на частоте 1 кГц, поэтому фильтрующие и демпфирующие конденсаторы остаются холодными при пульсациях тока частотой 500 кГц внутри герметичного корпуса.
• Фильтр с ёмкостью 100 нФ в компактном корпусе обеспечивает частоту среза 15.9 кГц при последовательном сопротивлении 100 Ом.
• Частичный разряд составляет менее 5 пКл при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное, поэтому повышающий каскад от 400 В постоянного тока до 800 В постоянного тока никогда не изнашивает разделительные конденсаторы.
• Индуктивность петли ниже 8 нГн на клеммном кабеле длиной 40 мм, поэтому развязка работает в точке переключения, где начинается шум.
• Емкость остается в пределах 2% после 50 000 часов при 85 °C, поэтому калибровка контура сохраняется до конца срока службы светодиодного модуля. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам и габаритам. Murata Высоковольтные конденсаторы, используемые в программах полевого ремонта.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а подобранные комплекты фильтров — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в проверке компоновки измерительного тракта, компенсации контура и измерении стабильности смещения.

Отправьте напряжение и ток цепочки, метод и диапазон диммирования, температуру окружающего освещения корпуса и значение шунта. HVC вернет вам лист выбора с измеренной кривой зависимости емкости от смещения, коэффициентом рассеяния и отчетом о тестировании на частичные разряды, а также образцы в течение двух недель для проверки тока цепочки.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какое значение напряжения шунта следует использовать?

Достаточно большой, чтобы уровень шума оставался низким, и достаточно малый, чтобы рассеиваемая мощность была низкой. Шунт 10 мОм при токе 10 А дает 100 мВ, поэтому 5 мВ шума соответствуют погрешности 5%. Сигнал 100 мВ — это практический минимум для схемы с погрешностью 1%.

В2: Какой уровень шума выдерживает измерительный тракт?

Погрешность составляет менее 0.2 мВ при вкладе ошибки в 0.2%. Конденсатор класса I емкостью 100 нФ с сопротивлением 100 Ом обеспечивает частоту среза 15.9 кГц, что ослабляет пульсации 500 кГц в 31 раз и преобразует 5 мВ в 0.16 мВ.

В3: Почему компенсационному конденсатору необходим диэлектрик класса I?

Потому что частота среза зависит от емкости. Микросхема X7R, теряющая 70% своего значения при 80% номинального напряжения, сдвигает частоту среза с 1.59 кГц до 5.3 кГц, что изменяет запас по фазе и пульсации тока.

Вопрос 4: Как параллельные цепочки могут распределять ток?

Согласно формуле I_A − I_B = ΔV_f / R_dyn, рассогласование 0.5 В между двумя цепочками с динамическим сопротивлением 0.5 Ом разделяет 20 А на 10.5 А и 9.5 А, что сокращает срок службы модуля примерно на 27% из-за дополнительных 4.5 К на более горячей цепочке.

В5: Как мне удержать ток в строке в пределах 1%?

Определите погрешность и проверьте её. Шунт 0.1%, опорный источник 0.1% и усилитель 0.2% оставляют 0.6% на печатную плату и разъемы, а сумма всех четырех составляющих составляет 1.0%. Измерьте потребляемый ток при обоих крайних значениях температуры перед выпуском.

В6: Почему в повышающем каскаде по-прежнему необходим конденсатор класса I?

Поскольку он работает при напряжении от 400 до 800 В постоянного тока, где компонент класса II теряет большую часть своей емкости, а поврежденный компонент разрушается при частичном разряде, компонент класса I сохраняет значение в пределах ±0.35% и остается ниже 5 пКл при напряжении, в 1.2 раза превышающем номинальное.

7. Рекомендации

1. Э. Куффель, В.С. Заенгль, Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
2. Н. Мохан, Т.М. Унделанд, У.П. Роббинс, Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд., Wiley, 2003.
3. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
4. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
5. 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.
6. Д.Н. Донахью, М. Пехт, И.К. Ллойд и С. Ганесан, Деградация многослойных керамических конденсаторов под воздействием влаги, Надежность микроэлектроники, том 46, № 2-4, стр. 400-408, 2006. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2005.05.008.
7. Использование керамических конденсаторов 3 кВ (Обсуждение стабильности C0G/NP0 по сравнению с X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
8. Заряжая энергией будущее: как высоковольтные многослойные керамические конденсаторы повышают эффективность современной электроникиМурата, https://www.murata.com/en-eu/s/blog/powering-the-future-how-high-voltage-mlccs-drive-efficiency-in-modern-electronics.html .
9. США 10,529,487, Многослойный керамический конденсатор с внутренними электродами, имеющими различное расположение краев., Taiyo Yuden Co., Ltd., выдано в 2020 г., https://www.freepatentsonline.com/10529487.html.
10. MIL-PRF-55681H, Конденсатор, чип, многослойный, фиксированный, с керамическим диэлектриком, с установленной и неустановленной надежностью, общие технические характеристики.Вашингтон, округ Колумбия: Министерство обороны США, 2025.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com