應用于OLED 封裝的激光器電源設計與仿真

羅云萌 鐘緒浪

（1、陜西鐵路工程職業技術學院，陜西渭南714000 2、大族激光科技股份有限公司，廣東深圳518052）

1 概述

有機發光顯示屏（Organic Light Emitting Display，簡稱OLED）被稱為第三代顯示器，廣泛應用于手機、電腦、數碼產品以及國防設備中[1- 2]。激光連接技術由于具有區域可選擇、快速制造、非接觸和復雜形狀加工等優勢，不僅有利于熱敏材料OLED的封裝，而且能夠滿足其可靠性要求，對水汽和氧氣有極佳的阻隔效果[3]。

其中，想要獲得穩定的封裝工藝，就必須保證高可靠性的激光電源保證激光的輸出穩定。

目前，設計穩定、高可靠性的激光電源大多數采用EDA 軟件仿真得到結果后，再進行實際的電路設計布局，從而縮短了開發周期、提高開發效率。

仿真軟件Saber 與其他電路仿真軟件Matlab、Pspice、SIMPL IS 等相比，其具有更豐富的元件庫和更精確的仿真描述能力，仿真真實性更好[4]。Saber 仿真軟件是美國Synopsys 公司的一款EDA 軟件，被譽為全球最先進的系統仿真軟件，是唯一的多技術、多領域的系統仿真產品，現已成為混合信號、混合技術設計和驗證工具的業界標準，其中，在電源變換器設計中，能夠全面分析系統的各項指標如環路頻率響應、功率管開關、磁性器件的工作情況、元件的電學應力（電壓、電流、功耗及溫升）等[5]。

本文研究了EDA 軟件設計與實際的激光電源電路的差異，同時采用合理控制方案，詳細介紹電路核心器件的選型，給出方案中的詳細參數，同時將實驗結果與EDA 設計及指標進行對比。

2 Buck 變換器的基本工作原理及參數選擇

設計要求：

（1）要求采用Buck 方案，設計并仿真；

（2）輸入40-60VDC；

（3）輸出5VDC，20A，fs=100KHZ；

圖1 基于Buck 變換器主電路圖

2.1 開關管選擇

功率管能夠承受的最高電壓u＞uin+ud=60+0.7=60.7V

設置一定的冗余量，選擇參數如下的NTB52N10 Vdss=100V Idmax=52A

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

2.2 二極管選擇

設置一定的冗余量，選擇耐壓100V、通態電流40A 的MBR40100。

2.3 電感參數選擇

（1）續流階段

電感兩端電壓U=5+0.6=5.6V

根據額定電流及計算所得的電感值和相關曲線圖求磁心所需的AP 值[6]，可得AP 值大約為0.68，故電感磁心型號選擇E2627，其AP 值為0.7，具體各相關參數數據如下：

磁芯比例31/9cm，磁芯截面積Ae=0.83cm2，窗口面積Awb=0.85cm2，AP 值=0.7cm4，均磁路長度MPL=6.2cm，每匝的平均長度MLT＝4.6cm，磁芯體積5.1cm3。

（2）計算最小匝數

（3）計算磁芯氣隙

氣隙長度lg（邊緣影響忽略）

其中lg為總氣隙長度，u0=4π*10-7，ur為1（空氣的相對磁導率），N 為匝數，Ae 為有效截面積，L 為電感量。

（4）確定最佳線徑

由磁芯的面積乘積和匝數可知，線徑在20AWG 到22AWG之間。

（5）計算最佳線徑

其中d 為線的直徑，Aw為總的繞線窗口面積，Ku 為繞組填充系數，本文中，Ku=0.6（圓導線），選擇22AWG。

（6）計算繞組電阻

繞線的總長度lw=MLTN=4.6*90=414cm，可知，在20℃到100℃時22AWG 線的電導率分別是0.53Ω、0.78mΩ/cm，所以本文中總繞線電阻為219mΩ-322mΩ 之間。

（7）確定功率損耗

功率損耗P=i2Rc，電流為20A，可知，功率損耗在50.4-67.6W 之間。

2.4 輸出電容的設計

在很大范圍內不同電壓等級不同容值的常用電解電容[7]，其ROCO值近似為常數，為50-80Ω，設輸出電壓紋波的峰峰值Vrr=0.05V，則RO=Vrr/ΔI=0.05/5=0.01，CO=60*10-6/0.01=8.9uF。

3 系統基于Saber 軟件仿真設計

打開Saber Sketch，新建一個原理圖，保存命名為buck。基于上述計算，用Saber 軟件搭建電路，根據理論計算結果進行相應分析。應用Saber Sketch 完成一個設計后，可利用Saber Guide 的模擬環境來分析設計。

3.1 直流信號的瞬態分析

在這部分，可以利用模擬給定一個電壓來模擬電路的各個狀態，并通過CosmosScope 來觀測各種波形[8]。

（1）在Saber Guide 的工具條中點擊瞬態分析工具圖標——Transient Analysisicon，它會彈出一個對話窗口，按照圖中填好對話窗的各項條目：

放置探針- 觀測電路波形圖：

（1）在原理圖中，單擊“aout”電線- 點擊右鍵- 選擇“Probe”菜單項——觀察“aout”這條線上的電壓。

（2）觀測電壓波形。

（3）在完成了觀測之后，先把這個波形窗口關閉，以進行下一步模擬。

3.2 交流信號分析與CosmosScope 波形觀測器

（1）點擊頻率響應工具圖標。

（2）在彈出的對話框中完成相應項目，單擊OK。

3.3 仿真結果

采用上述仿真方法，仿真結果如下：

（1）仿真模型中，三角波頻率為100KHz，幅值為5V，電壓環給定電壓為2.5V，如圖2 所示。

圖2 系統仿真圖

（2）輸入電壓為40V，負載為額定負載時，輸出電壓波形，波形紋波小，電路快速響應。

圖3 低壓輸入時，輸出電壓波形圖

圖4 高壓輸入時，輸出電壓波形圖

（3）輸入電壓為60V，輸出電壓波形，其中電壓的輸出特性很好，紋波較小。

4 結論

本文根據實際案例中設計，通過精確的計算，計算出電感、電容等在特定工作條件下所選取的型號，另外根據計算結果基于Saber 軟件仿真，從仿真結果可以得出，設計合理，輸出紋波電壓為1%，各項指標滿足設計要求，同時縮短了開發周期。同時，在根據電路的實際設計過程中，指標基本與仿真偏差不大，可以直接應該用于OLED 的封裝應用中，并且工藝驗證后，效果非常好。