Высокоточное управление постоянным током для драйверов лазерных диодных матриц

Высокоточное управление постоянным током для драйверов лазерных диодных матриц

Резюме

Лазерная маркировка силовых дорожек управляет током, поэтому погрешность тока в несколько десятых процента достигает цели в виде полос и изменения глубины. В этой статье изложены уравнения контура постоянного тока, допуск на стабильность, общий для опорного напряжения, шунта и усилителя, а также свойства конденсаторов, определяющие, сохраняет ли контур свою точку пересечения и плоскую вершину импульса, после чего рассматриваются четыре проблемных момента, шесть этапов проектирования и данные по опорному компоненту.

1. Введение

Оптическая мощность источника маркировки на основе волокна или диода прямого действия отслеживает ток управления его массивом. Разница между чистой меткой и обгоревшей или пропущенной составляет десятки миллиампер, а несколько процентов шума тока приводят к появлению полос, изменению цвета и неравномерности глубины.

Эта матрица также представляет собой неудобную нагрузку. Ее прямое напряжение низкое на один переход и составляет десятки вольт на всю сборку, ее дифференциальное сопротивление составляет десятки миллиом, а выходное напряжение резко падает, если ток превышает номинальный. Драйвер должен обеспечивать стабильность тока, измеряемую в промилле, в зависимости от температуры и срока службы.

Это требование предъявляет высокие требования ко всем элементам контура управления: к источнику опорного напряжения, к измерительному элементу, к усилителю ошибки и к конденсаторам, которые определяют полосу пропускания контура и подавляют шум, поступающий от соседних устройств.

Эти соседи активны. Массив расположен рядом с драйвером Q-переключателя с фронтами импульсов в киловольт-наносекунды, гальванометрами, переключающими амперы, и каскадом накачки, переключающимся с частотой в сотни килогерц. Каждый из них вносит шум в контур, который должен обрабатывать микроамперы.

2. Основной механизм

2.1 Соотношение постоянного тока и его члены погрешности

Классический источник прецизионного сигнала регулирует напряжение на чувствительном элементе:

I_LOAD = V_reference / (R_sense × K_amp)

где I_LOAD — ток массива, V_reference — опорное напряжение, R_sense — сопротивление датчика, а K_amp — коэффициент усиления усилителя ошибки.

Поскольку члены уравнения умножаются, их дробные ошибки суммируются:

ΔI/I = ΔV_ref/V_ref + ΔR_sense/R_sense + ΔK/K

где ΔI/I — относительная погрешность тока, а три члена представляют собой относительные погрешности опорного сигнала, измерительного элемента и коэффициента усиления усилителя.

Для обеспечения общего запаса в 0.1% каждый член уравнения должен составлять около 0.03%, а проверить это можно, умножив каждый коэффициент на диапазон температур, в которых он находится. В диапазоне температур от −25 °C до +85 °C, превышающем 110 °C, 0.03% составляет 3 ppm/°C на каждый член уравнения. Шунт из сплава с запасом в 15 ppm/°C сам по себе составляет 0.165%, что превышает допустимый запас до учета эталонного значения. В контролируемом диапазоне температур 40 °C тот же шунт составляет 0.06%, а эталонное значение 5 ppm/°C — 0.02%, что укладывается в 0.1% с учетом оставшегося запаса для усилительного члена.

2.2 Частота среза и компенсирующий конденсатор

Частота среза петли определяется крутизной характеристики усилителя и компенсирующей емкостью:

f_c = g_m / (2π × C_c)

где f_c — частота среза, g_m — крутизна характеристики каскада ошибки, а C_c — компенсационная емкость.

Схема с длительностью импульса 1 мс и емкостью 10 нФ пересекает частоту 15.9 кГц. Частота кроссовера обратно пропорциональна емкости, поэтому дрейф ±15% сдвигает ее на −13% до +18% и приводит к потере 2–4 градусов запаса по фазе в контуре, второй полюс которого находится близко к точке кроссовера. Компонент класса I с точностью ±30 ppm/°C сдвигает емкость на 0.3% в диапазоне 100 °C и оставляет частоту кроссовера в исходном положении.

2.3 Обходная ячейка в массиве

Локальный конденсатор на клеммах массива шунтирует шум, до которого не может дойти дальняя сторона петли. Он образует полюс с дифференциальным сопротивлением массива:

f_bypass = 1 / (2π × r_d × C_bypass)

где f_bypass — частота полюса, r_d — дифференциальное сопротивление массива, а C_bypass — емкость шунтирования.

При сопротивлении r_d 20 мОм этот полюс находится на частоте 8 МГц для 1 мкФ и выше 79 МГц для 100 нФ, что значительно выше частоты пересечения 15.9 кГц, поэтому ячейка ведет себя как широкополосный шунт, а не как настроенный полюс. В этом случае важно сопротивление, которое она представляет на частоте переключения: 0.8 Ом для 1 мкФ на частоте 200 кГц и 8 Ом для 100 нФ, при этом минимальное значение определяется эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) на собственной резонансной частоте ячейки 3.6 МГц.

2.4 Диэлектрическое поглощение и плоская вершина импульса

Диэлектрическое поглощение возвращает накопленный заряд с задержкой, который превращается в «хвост» на каждом импульсе. Керамика класса II поглощает от 0.5% до 2% заряда на ступенчатом участке, а деталь класса I — менее 0.1%. При частоте 200 кГц период составляет 5 мкс, а постоянная времени поглощения — около 10 мкс, поэтому каждый импульс начинается с 61% остаточного заряда предыдущего импульса. Таким образом, деталь с 2% поглощения несет около 1.2% ошибки от импульса к импульсу, а деталь с 0.1% поглощения — 0.06%, что находится в пределах целевого значения повторяемости 0.1%.

2.5 Распределение тока между элементами массива

Каждый элемент в многослойной системе должен пропускать одинаковый ток, а сопротивление балласта определяет, насколько равномерно он распределяется:

ΔI_branch/I ≈ ΔV_f / (I × R_ballast)

где ΔI_branch/I — относительная ошибка распределения, ΔV_f — разброс прямого напряжения между ветвями, I — ток в ветви, а R_ballast — сопротивление балласта на каждую ветвь.

Стоимость этого балласта выводится из того же соотношения:

P_ballast = I × ΔV_f / ε

где P_ballast — потери в одном балластном элементе, а ε — ошибка распределения в долях. Разброс 0.5 В при токе 20 А и балластном сопротивлении 0.167 Ом дает дисбаланс 15% и потребляет 67 Вт на ветвь, что составляет 17% от 400-ваттной ветви. Сокращение разброса до 20 мВ приводит к дисбалансу в 2% при 50 мОм и 20 Вт, поэтому согласование массива является более дешевым способом балансировки.

Рис. 1 — В контуре поддерживается ток 20 А при опорном токе 5 ppm/°C и компенсационной ячейке 10 нФ; один только шунт с током 15 ppm/°C расходует 0.165% от допустимого значения в 0.1% при температуре 110 °C.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Изменение тока, воспринимаемое как старение лазера.

Ток управления стабилен при включении питания и изменяется на 1–2% по мере нагрева машины. Техники винят в этом диодный блок и заменяют его, но изменение тока сохраняется. Причиной является температурное поведение ячейки компенсации класса II, а также шунта с коэффициентом, который никогда не умножался на диапазон.

Проблема 2: Звук от смещения при выполнении кроссовера.

Петля стабильна при 25 °C и издает звон на краях импульсов, когда температура корпуса достигает 55 °C, поскольку компенсационный конденсатор сместился, и частота среза переместилась вместе с ним. Ток звона модулирует выходной сигнал лазера, и создаваемые им полосы незаметны при приемочных испытаниях и очевидны при высококачественной гравировке.

Болевой пункт 3: Диэлектрическое поглощение на вершине импульса.

На частоте 200 кГц хвост поглощения превышает период, поэтому каждый импульс начинается с частью предыдущего хвоста, все еще находящейся на ячейке. Контроллер не может исправить ошибку, которая существует в материале конденсатора, и метка несет модуляцию интенсивности, которую никакое изменение закона управления не устраняет.

Проблема 4: Неравномерное распределение, перегрев одной планки.

При разбросе прямого напряжения 0.5 В и недостаточном балласте через один из датчиков тока проходит на 15% больше тока. Этот датчик сильнее нагревается, его прямое напряжение сильнее смещается, дисбаланс увеличивается, и датчик выходит из строя, что приводит к потерям на уровне массива из-за решения о распределении питания на драйвере.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Установите допустимый уровень выбросов в ppm и умножьте на диапазон.

Запишите допуск как ΔI/I = ΔV_ref/V_ref + ΔR/R + ΔK/K и оцените каждый член в диапазоне, в котором деталь фактически находится. Эталонный показатель 5 ppm/°C при температуре выше 40 °C составляет 0.02%, а резистор выборки При концентрации 15 ppm/°C за тот же период времени расходуется 0.06%.

Стратегия 2: Использовать клетки класса I в компенсационных и обходных позициях.

Замените детали класса II на N4700 В ячейках: tanδ равен или ниже 0.1%, коэффициент ±30 ppm/°C и поглощение ниже 0.1%. При этом кроссовер и обходной полюс остаются фиксированными во всем рабочем диапазоне, а плоская вершина компенсирует погрешность поглощения в 0.06% вместо 1.2%.

Стратегия 3: Рассчитывайте размер шунтирующего кабеля в соответствии с импедансом массива.

Измерьте дифференциальное сопротивление массива при рабочем токе, затем выберите емкость из импеданса, необходимого на частоте переключения: 1 мкФ соответствует 0.8 Ом на частоте 200 кГц, а 100 нФ — 8 Ом. Поддерживайте низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), чтобы ячейка не издавала колебаний из-за индуктивности соединительного провода на своей частоте резонанса 3.6 МГц.

Стратегия 4: Подберите состав массива балласта перед его добавлением.

Указывайте параметры массивов с разбросом прямого напряжения ниже 100 мВ и помните, что потери в балласте составляют I × ΔV_f/ε, независимо от значения сопротивления. Разброс в 20 мВ обеспечивает 2% распределения при 50 мОм на ветвь и потерях 20 Вт, тогда как разброс в 0.5 В обходится в 67 Вт при более слабом результате.

Стратегия 5: Отсоедините заземление контура от высоковольтных каскадов.

В тех случаях, когда драйвер насоса использует тот же корпус, что и каскад Q-переключателя на 15–40 кВ, следует выделить для токовой петли отдельную точку в виде звезды и развязать общую шину высоковольтными элементами класса I на напряжениях от 1 до 100 кВ с разрядом ниже 5 пКл. В этом случае киловольтные переходные процессы будут возникать в виде шума шины, а не ошибки, вызванной скачком напряжения на земле, внутри петли.

Стратегия 6: Проверить форму сигнала в точке с наихудшими тепловыми характеристиками.

Измерьте ток в массиве с помощью широкополосного датчика, пока машина выполняет свой самый ресурсоемкий цикл маркировки при температуре окружающей среды 60 °C. Необходимо поддерживать повторяемость импульсов в пределах 0.1%, пульсации с плоской вершиной ниже 0.05% и отсутствие колебаний, за исключением одного затухающего колебания после фронта сигнала.

Эталонные детали для данного класса применения

Приведенные ниже эталонные значения относятся к высоковольтному выпрямителю 2CL, который размещается в том же корпусе, что и токовая петля, и его емкость перехода и скорость восстановления соответствуют описанным выше значениям. В техническом описании указана стандартная деталь 472M, что составляет 4700 пФ при ±20%; требуемая для токовой петли высокая емкость достигается за счет экранирования этой детали и подбора пар, поскольку неэкранированная деталь 472M имеет допуск ±20%.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Повторяющееся пиковое обратное напряжение	10 кВ VRRM	Серия 2CL, 25 °C
Средний прямой ток	0.8 A IF(AV)	прямоугольная волна, Tc ≤ 85 °C
Прямой импульсный ток	100 А при 8.3 мс	одиночный импульс, IFSM
Время обратного восстановления	< 1 мкс t_rr	мягкий восстановительный класс
Емкость перехода	25 пФ типично	VR = 4 кВ, 1 МГц
Рабочая Температура	от −55 °C до +125 °C	Tj макс
ток утечки	< 5 мА при VRRM	25 °C, полная мощность

5. Высоковольтные конденсаторы для прецизионной токовой петли

Для работы с петлей тока в микроамперах необходима емкость, значение и поглощение которой не изменяются. Компания HVC производит такие элементы из диэлектрика класса I N4700 (T3M) на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, в диапазоне напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Параметры контура остаются неизменными. Значение tanδ равное или ниже 0.1% с коэффициентом ±30 ppm/°C удерживает точку перехода и обходной полюс в диапазоне от −25 °C до +105 °C, поэтому стабильность перестает быть вопросом температуры.
• Поглощение ниже 0.1%. Плоская вершина импульса определяется контроллером, а не задержкой возврата заряда элементом, которая составляет разницу между 0.06% и 1.2% ошибки импульса на частоте 200 кГц.
• Развязка для общего шасси. Диапазон от 1 кВ до 100 кВ охватывает развязку по шинам, которая предотвращает попадание переходных процессов Q-переключателей и ячеек Поккельса в цепь измерения, а также быстровосстанавливающийся диод могут быть отобраны в ходе того же заезда.
• Разряд ниже 5 пКл. Экранированные компоненты не вносят шум разряда в цепь считывания, и тщательная работа, проделанная вокруг усилителя, остается актуальной.
• Единая диэлектрическая система по всей длине драйвера. Тот же самый сертифицированный диэлектрик используется для шунтирующей ячейки, компенсационной ячейки и высоковольтной развязки, а также... толстопленочный резистор Этот вариант охватывает разделитель в рамках той же квалификации.
• Проверенная временем замена. Серия 40 кВ / 441. дверная ручка конденсаторы являются подходящей заменой для Murata В программе ремонта источников света для литографии используются винтовые конденсаторы, а отечественные разработчики DUV-технологий теперь заказывают высоковольтные конденсаторы на заказ для новых источников света.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а согласованные комплекты контуров с данными о дрейфе — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчетах допустимых отклонений по стабильности, определении размеров кроссовера и байпаса, анализе данных по поглощению и проектировании развязки. Необходимо предоставить данные о токе и напряжении массива, дифференциальном сопротивлении, частоте переключения, характеристиках опорного и шунтирующего элементов, целевой полосе пропускания контура и монтажном чертеже. HVC предоставит лист компонентов контура с кривыми зависимости емкости от температуры, данными по поглощению и отчетами о разрядах в течение пяти рабочих дней.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему изменяется ток управления, а качество метки снижается?

Потому что текущая ошибка достигает цели напрямую. Оптические силовые дорожки массива управляют током, и дрейф тока в 1% от ячейки компенсации класса II и нескомпенсированного шунта проявляется в виде полос и вариаций глубины, которые не устраняются никакой заменой лазера.

Вопрос 2: Как следует распределить надбавку за стабильность?

Три способа и в зависимости от температурного диапазона. ΔI/I = ΔV_ref/V_ref + ΔR/R + ΔK/K, поэтому при общем отклонении 0.1% допускается 0.03% на каждый член. В диапазоне 110 °C это составляет 3 ppm/°C, а в контролируемом диапазоне 40 °C шунт с отклонением 15 ppm/°C и эталонный шунт с отклонением 5 ppm/°C помещаются с запасом.

В3: Что определяет частоту кроссовера?

f_c = g_m/(2πC_c). В каскаде с длительностью импульса 1 мс и компенсационной ячейкой 10 нФ частота среза составляет 15.9 кГц, и поскольку частота среза обратно пропорциональна емкости, дрейф ±15% сдвигает ее на −13% до +18%. Ячейка класса I сдвигает емкость на 0.3% при температуре выше 100 °C.

Вопрос 4: Какого размера должен быть шунтирующий конденсатор?

Размер конденсатора определяется требуемым импедансом на частоте переключения, а не полюсом. При дифференциальном сопротивлении массива 20 мОм, 1 мкФ обеспечивает сопротивление 0.8 Ом на частоте 200 кГц, а 100 нФ — 8 Ом, при этом минимальное сопротивление ячейки находится на уровне её собственного резонанса 3.6 МГц, где эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) определяет нижний предел.

В5: Почему диэлектрическое поглощение имеет значение на частоте 200 кГц?

Поскольку хвостовая часть полосы поглощения длится дольше 5 мкс. При постоянной времени поглощения 10 мкс каждый импульс начинается с 61% предыдущей хвостовой части, поэтому ячейка класса II с 2% поглощения несет около 1.2% ошибки от импульса к импульсу, в то время как ячейка класса I с 0.1% поглощения несет 0.06%.

Вопрос 6: Как обеспечивается равномерное распределение тока между антенными решетками?

Сначала выполняется согласование, а затем балластировка. ΔI_branch/I = ΔV_f/(I R_ballast), а потери балласта равны I × ΔV_f/ε, поэтому потери зависят от разброса прямого напряжения, а не от сопротивления. Разброс в 20 мВ обеспечивает 2% распределения при 50 мОм и 20 Вт на ветвь.

7. Рекомендации

1. МЭК 60384-1:2021, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики, 6-е изд. Женева: МЭК, 2021.
2. МЭК 61071:2017, Конденсаторы для силовой электроники, Изд. 2.0. Женева: Международная электротехническая комиссия, 2017.
3. ГБ/Т 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分:总规范 (Постоянные конденсаторы для использования в электронном оборудовании – Часть 1: Общая спецификация). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2024 г.
4. Уведомление 2 MIL-HDBK-217F. Прогнозирование надежности электронного оборудования, 1995.
5. Э. Куффель, В.С. Заенгль и Дж. Куффель, Основы высоковольтной техники, 2-е изд., Ньюнес, 2000.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, 2003.
7. 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.
8. А. Марискотти и Л. Ваккаро, Катушка Роговского для высоковольтных применений, в сборнике трудов конференции IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference 2008 года, стр. 1069-1073, 2008. https://doi.org/10.1109/imtc.2008.4547197.
9. ЛАЗЕР — Применение в качестве источника питанияMatsusada Precision, https://matsusada.com/application/ps/laser/ .
10. США 8,345,457 B2, Преобразователь напряжения для передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC)ABB, 2013, https://patents.google.com/patent/US8345457B2/en .
11. проблема VL-200Соумилл-Крик, https://sawmillcreek.org/threads/vl-200-problem.254437/ .
12. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com