Лазерные источники питания: цифровое управление током и пульсациями.

Лазерные источники питания: цифровое управление током и пульсациями.

Резюме

Для удержания длины волны в пределах ±0.1 нм диодные линейки накачки на длине волны 976 нм требуют регулирования тока в пределах ±0.1%–±0.5%, а погрешность в 0.3% приводит к потере 1.5%–3% поглощенной мощности накачки. Цифровое управление задает контур регулирования, а измерительная цепочка определяет минимальный уровень. В данной статье рассматривается бюджет погрешности измерения, уравнение подавления пульсаций, четыре пути отказа, а также выбор резисторов и конденсаторов, обеспечивающих погрешность ±0.1%.

1. Введение

Источники накачки, построенные на основе диодных линеек с длиной волны 976 нм, требуют регулирования тока в пределах ±0.1%–±0.5% для поддержания длины волны в пределах ±0.1 нм. Потребление тока каждой линейки составляет от 20 до 80 А.

Погрешность тока в 0.3% сдвигает длину волны примерно на 0.06 нм и приводит к потере от 1.5% до 3% поглощения накачки в иттербий-легированном волокне. На лазере мощностью от 10 до 30 кВт (от 150 до 900 Вт выходной мощности) это отражается на скорости резки и качестве сварки.

Цифровое управление обеспечивает программируемую компенсацию, адаптивное профилирование и диагностику. Его точность по-прежнему зависит от сигнала датчика, поэтому допуск резистора, его температурный коэффициент, паразитная индуктивность и фильтрующий конденсатор устанавливают предельные значения.

В данной статье рассматриваются цепочка измерения параметров, уравнение пульсаций выходного сигнала, четыре пути отказа и правила работы компонентов, обеспечивающие погрешность ±0.1%.

2. Основной механизм

2.1 Цепь датчиков и разрешение

Измерительный резистор преобразует ток нагрузки в напряжение, которое может считывать преобразователь:

V_sense = I_load × R_sense

где V_sense — напряжение датчика, I_load — ток нагрузки, а R_sense — сопротивление датчика. При токе 30 А и сопротивлении 5 мОм сигнал составляет 150 мВ.

16-битный преобразователь с полным диапазоном измерения 250 мВ обеспечивает разрешение:

ΔI_min = V_FS / (2^16 × R_sense)

где ΔI_min — разрешение по току, V_FS — напряжение полного диапазона АЦП, а R_sense — сопротивление датчика. В результате получаем 763 мкА, или 0.0025% от полного диапазона 30 А, что оставляет запас в пределах целевого значения ±0.1%.

2.2 Бюджет погрешности датчика

Суммарная ошибка определяется тремя членами уравнения, которые складываются по квадрату:

ΔI_total = √[(ΔR/R)² + (α × ΔT)² + (L_parasitic × di/dt / R_sense)²]

где ΔR/R — начальный допуск, α — температурный коэффициент сопротивления, ΔT — повышение температуры, L_parasitic — паразитная индуктивность резистора, а di/dt — наклон тока на каждом фронте переключения.

Толстопленочный резистор с допуском ±0.5%, ±50 ppm/°C, повышением температуры на 30 °C и индуктивностью 2 нГн, работающий со скоростью 3 А/мкс, вносит вклад в 0.5%, 0.15% и 1.2%. Индуктивный член преобладает, и это делает стандартный толстопленочный резистор непригодным для использования с такой точностью.

2.3 Пульсации на выходе после конденсаторной батареи

Пульсации, достигающие диодных полос, состоят из двух частей: одна проходит через эквивалентное последовательное сопротивление (ESR), а другая — через емкость.

V_ripple = I_ripple × ESR + I_ripple / (8 × f_sw × C_out)

где V_ripple — выходное пульсирующее напряжение, I_ripple — пульсирующий ток, ESR — эквивалентное последовательное сопротивление батареи, f_sw — частота переключения, а C_out — емкость батареи.

При токе 30 А, поддерживаемом с точностью до 0.5%, напряжение на диодной нагрузке 0.1 Ом составляет 15 мВ. При пульсирующем токе 4 А эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) должно оставаться ниже 3.75 мОм, а емкость — выше 16.7 мкФ. Алюминиевая батарея с сопротивлением от 30 до 100 мОм не может достичь значения ESR при любом практическом размере, в то время как керамическая батарея может.

2.4 Фильтр обратной связи и полоса пропускания контура

Конденсатор, подключенный параллельно измерительному резистору, образует фильтр нижних частот вместе с резистором:

f_c = 1 / (2π × R_sense × C_sense)

где f_c — частота среза фильтра, R_sense — сопротивление датчика, а C_sense — емкость фильтра. При 5 мОм и 100 нФ частота среза составляет 318 кГц, что ослабляет шум переключения на 20 дБ на частоте 1 МГц и обеспечивает прохождение полосы пропускания управления 20 кГц с потерями менее 0.5 дБ.

Цифровой компенсатор обычно имеет пропорционально-интегрально-дифференциальную форму:

G(z) = K_p × (1 + K_i / (z − 1) + K_d × (z − 1) / z)

где G(z) — дискретная передаточная функция, K_p — пропорциональный коэффициент усиления, K_i — интегральный коэффициент усиления, K_d — дифференциальный коэффициент усиления, а z — дискретная частотная переменная. Ширина полосы пропускания контура устанавливается вблизи одной десятой частоты переключения для обеспечения запаса по фазе выше 45°.

Рис. 1 — Паразитная индуктивность вносит 1.2 из 1.31 общей погрешности при 30 А, поэтому четырехконтактный резистор является первым шагом к достижению целевого значения регулирования ±0.1%.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Паразитная индуктивность в измерительном резисторе.

Толстопленочный резистор с обмоточными выводами имеет индуктивность от 2 до 5 нГн. При частоте 200 кГц и крутизне скачка 3 А/мкс эта индуктивность добавляет от 6 до 15 мВ на измерительных выводах, что преобразователь считывает как ток от 1.2 А до 3.0 А. Ошибка отслеживает частоту переключения и крутизну скачка, поэтому калибровка в одной рабочей точке не устраняет ее.

Проблема 2: Тепловой дрейф в измерительном резисторе.

Резистор сопротивлением 5 мОм при токе 30 А рассеивает 4.5 Вт. В модуле с внутренней температурой воздуха 50 °C температура корпуса достигает 95–110 °C, что приводит к изменению характеристик детали с показателем 50 ppm/°C на 0.2–0.3%. Затем заданное значение изменяется в зависимости от коэффициента заполнения, и длина волны лазера следует за ним на протяжении всего процесса резки.

Проблемный момент 3: Диэлектрическое поглощение, замедляющее стабилизацию.

Переход от 5 А в режиме ожидания к 30 А на полной мощности требует, чтобы конденсатор обратной связи стабилизировался в пределах времени отклика контура. Микросхема X7R с диэлектрической абсорбцией от 1% до 2% оставляет после основного переходного процесса остаточный сигнал на резисторе измерения в 1–3 мВ, который длится от 100 до 500 мкс и превращается в выброс тока на диоде.

Проблемный момент 4: Шумовое влияние выходного конденсатора на цепь измерения.

Электролитическая батарея с сопротивлением 50 мОм, пропускающая ток 4 А, генерирует пиковое значение 200 мВ, что составляет 133% от входного сигнала датчика в 150 мВ. Этот шум достигает входа преобразователя через заземляющую плоскость, насыщает его и приводит к необходимости аналоговой фильтрации, которая добавляет фазовый сдвиг и сужает полосу пропускания контура.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Укажите четырехконтактный измерительный резистор.

Используйте схему, соединенную с Кельвином. резистор выборки с эквивалентной последовательной индуктивностью (ESL) ниже 0.5 нГн. Четырехконтактная компоновка разделяет токовый путь и путь измерения, поэтому индуктивный член снижается до 1.5 мВ при 3 А/мкс, что составляет 0.3 А кажущегося тока и находится в пределах целевого значения точности.

Стратегия 2: Отвести тепло от резистора датчика.

Установите резистор на специальную медную площадку с помощью массива переходных отверстий во внутренней плоскости и выберите его номинал, в три раза превышающий рассеиваемую мощность, то есть номинальная мощность составит 15 Вт при потерях 4.5 Вт. Если поддерживать повышение температуры ниже 15 °C, то для компонента с температурой 15 ppm/°C дрейф составит всего 0.0225%, что незначительно по сравнению с общими потерями.

Стратегия 3: Фильтрация узла обратной связи с помощью конденсатора класса I.

Подходит N4700 Конденсатор с диэлектрическим поглощением ниже 0.05% на измерительном резисторе. При измерительном сигнале 50 мВ ошибка поглощения остается ниже 25 мкВ, в отличие от 500 мкВ до 1 мВ для компонента X7R, поэтому петля стабилизируется примерно за 10 мкс без перерегулирования на диоде.

Стратегия 4: Поддерживайте эквивалентное последовательное сопротивление выходного блока ниже 3.75 мОм.

Соберите выходной блок из конденсаторов класса I с эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR) ниже 3 мОм и допуском ±5%. Восемь конденсаторов емкостью 2.2 мкФ дают общую емкость 17.6 мкФ с суммарным ESR 0.375 мОм, что позволяет удерживать пульсации на выходе ниже 8 мВ, или 0.27% при токе 30 А. Там, где напряжение на шине превышает 100 В, добавьте градуировочные резисторы Таким образом, последовательно соединенные элементы равномерно делят напряжение.

Стратегия 5: Избыточная дискретизация и защита входного сигнала АЦП.

Производите выборку с частотой, в десять раз превышающей частоту переключения, которая составляет 2 МГц для преобразователя 200 кГц, и усредняйте 16 точек. Передискретизация в 16 раз снижает уровень шума в 4 раза и добавляет 12 дБ отношения сигнал/шум, что обеспечивает эффективное 18-битное считывание и разрешение 0.19 мА. Выведите пару измерительных сигналов в виде дифференциальной пары Кельвина внутри управляемого защитного кольца и добавьте 10 нФ емкости класса I на входных контактах преобразователя для последнего этапа фильтрации синфазных помех.

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. Конденсаторы HVC для точного регулирования тока.

Выбор на этом этапе определяется тремя требованиями: конденсатором с практически нулевым диэлектрическим поглощением в цепи обратной связи, выходным блоком с достаточно низким эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), способным выдерживать пульсации в 0.5%, и емкостью, не изменяющейся с температурой. Компания HVC производит компоненты класса I N4700 (T3M) для этого блока на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, охватывающем диапазон напряжений от 1 кВ до 100 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Диэлектрическое поглощение ниже 0.05% по сравнению с 1–2% для компонентов класса 2, что устраняет остаточный эффект, приводящий к выбросу тока на диоде.
• ESR ниже 3 мОм с допуском ±5%, поэтому параллельная матрица достигает суммарного сопротивления 0.5 мОм и поддерживает пульсации на выходе ниже 8 мВ при токе 30 А.
• Температурный коэффициент, близкий к ±30 ppm/°C, удерживает произведение RC-параметров фильтра обратной связи в пределах 0.35% в диапазоне температур от −55 °C до +125 °C, что обеспечивает стабильность коэффициента усиления и запаса по фазе в контуре обратной связи.
• Значение tan δ равно или ниже 0.1%, поэтому конденсатор обратной связи не добавляет собственного самонагрева и шума на вход преобразователя.
• Емкость остается в пределах 2% после 50 000 часов при 85 °C, в то время как электролитическая емкость теряет от 30% до 40%, поэтому параметры контура сохраняются на протяжении 10-летнего срока службы.
• Винтовые компоненты на 40 кВ прошли квалификацию в качестве прямой замены японских винтовых конденсаторов Murata в программах ремонта источников света для литографии и включены в спецификации новых конструкций источников света DUV.

Радиально-выводные диски, винтовые клеммы и дверная ручка конденсаторы Диапазон напряжения составляет от 1 кВ до 150 кВ. Компоненты HVC соответствуют параметрам... Vishay HVCC, радиально-проводящий кабель KEMET, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV. A пленочный конденсатор Подходит для прочных динамиков, где пространство на плате позволяет установить более крупный корпус.

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 моделировании токовой петли, выборе резисторов для измерения параметров, согласовании конденсаторов для выходного блока и анализе шума в цепи обратной связи.

Отправьте ток нагрузки, целевое значение регулирования, частоту переключения, сопротивление датчика и напряжение шины. HVC в течение пяти рабочих дней выдаст рекомендации по конденсаторам с данными ESR и диэлектрического поглощения, предложение по резистору датчика и комплект для оценки с двумя образцами.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какую точность может обеспечить 16-битный преобразователь при использовании резистора сопротивлением 5 мОм?

Разрешение 763 мкА при нагрузке 30 А, что составляет 0.0025% от полной шкалы, рассчитанное по формуле ΔI_min = V_FS / (2^16 × R_sense) при входном напряжении 250 мВ от полной шкалы. Предел не в преобразователе, а в паразитных параметрах резистора датчика и его тепловом дрейфе.

В2: Какой член ошибки доминирует в цепочке определения параметров?

Паразитная индуктивность составляет 1.2% от общей индуктивности в 1.31% для компонента с индуктивностью 2 нГн при токе 3 А/мкс. Начальный допуск составляет 0.5%, а повышение температуры на 30 °C при 50 ppm/°C — 0.15%. Четырехконтактный резистор с индуктивностью менее 0.5 нГн уменьшает этот ведущий член до 0.3 А кажущегося тока.

В3: Почему диэлектрическое поглощение имеет значение в конденсаторе обратной связи?

Потому что после скачка заданного значения остается остаточный сигнал напряжения. В компоненте класса 2 с коэффициентом поглощения от 1% до 2% напряжение на измерительном резисторе держится от 1 до 3 мВ в течение 100–500 мкс, которое контур считывает как ток и превращает в выброс. В компоненте класса I с диэлектриком ниже 0.05% стабилизация происходит примерно за 10 мкс.

Вопрос 4: Какое значение ESR требуется для выходного банка?

Сопротивление ниже 3.75 мОм для привода 30 А, поддерживаемого на уровне 0.5%, определяется формулой V_ripple = I_ripple × ESR + I_ripple / (8 × f_sw × C_out) при пульсирующем токе 4 А и допустимом пульсационном напряжении 15 мВ. Электролитические конденсаторы с сопротивлением от 30 до 100 мОм не могут достичь этого значения; керамический конденсатор достигает суммарного сопротивления 0.375 мОм.

В5: Как увеличение выборки улучшает качество чтения?

Выборка с частотой, в десять раз превышающей частоту переключения, и усреднение по 16 точкам снижает уровень шума в четыре раза и добавляет 12 дБ отношения сигнал/шум, что дает эффективный 18-битный результат. При токе 30 А это дает разрешение 0.19 мА, но выигрыш теряется, если ошибка в цепи считывания не попадает внутрь целевого устройства.

Вопрос 6: Насколько стабильным должен быть измерительный резистор в течение всего срока службы?

Погрешность составляет 0.05% от общей погрешности, в то время как целевое значение регулирования составляет ±0.1%. Для компонента с концентрацией 15 ppm/°C, поддерживаемого при повышении температуры на 15 °C, погрешность составляет 0.0225%, что оставляет место для других составляющих. Размер следует установить равным утроенной рассеиваемой мощности, чтобы повышение температуры оставалось в этом диапазоне во всем диапазоне температур окружающей среды.

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 60384-1:2018, Фиксированные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 1: Общие технические характеристики.
5. 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.
6. Т. Мизутани, Методы измерения пространственного заряда и пространственный заряд в полиэтиленеIEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 1, no. 5, pp. 923-933, 1994. https://doi.org/10.1109/94.326659.
7. ANP109: Импедансные спектры различных технологий конденсаторов, Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG, https://www.we-online.com/ANP109.
8. США 6,760,215, Конденсатор с высоким порогом пробоя напряжения, Д.Ф. ДеВо (связанный с Пресидио), патент выдан в 2004 г., https://www.freepatentsonline.com/6760215.html .
9. 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 .
10. МЭК 61010-1:2010, Требования безопасности к электрооборудованию для измерений, контроля и лабораторного применения — Часть 1: Общие требования, 3-е изд. Женева: МЭК, 2010.
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com