أجهزة النبض بالموجات فوق الصوتية MAX4940: اختيار مكثف الجهد العالي

أجهزة النبض بالموجات فوق الصوتية MAX4940: اختيار مكثف الجهد العالي

الملخص

تحتوي رقائق مولدات النبضات فوق الصوتية المتكاملة على جسر H ذي 16 قناة في حزمة واحدة، وتحدد الشبكة السلبية المحيطة بها جودة الإرسال. يؤدي انخفاض جهد التغذية أثناء نبضة النغمة إلى تقصير الدورات اللاحقة، ويؤدي ارتداد الإشارة عن الأرض إلى تغيير توقيت الصدى، بينما يؤدي رنين التغذية إلى إطالة فترة حجب جهاز الاستقبال. توضح هذه المقالة معادلات الطاقة والانخفاض ومعامل التباين (CV²f)، وأنماط الأعطال الخمسة للوحات مولدات النبضات الإنتاجية، وقيم الفصل والتصميم التي تحافظ على شكل الموجة وفقًا لبيانات المنتج.

1. مقدمة

انتقلت الواجهة الأمامية للموجات فوق الصوتية الصناعية إلى رقائق نبضية متكاملة عالية الجهد. تحتوي قطعة مثل MAX4940 أو MAX14820 على جسر H، ومفتاح إرسال واستقبال، ووحدة منطقية في حزمة واحدة.

المكسب كبير. مصفوفة من 16 قناة كانت تتطلب سابقًا 64 ترانزستورًا منفصلًا، أصبحت الآن تحتاج إلى دائرة متكاملة واحدة وشبكتها السلبية. أما سعة الإرسال وجودة الحافة وتناسق النبضات، فتأتي من المكونات المحيطة بالشريحة.

يُعد تخزين الطاقة، وسعة الفصل، ومسار عودة التيار الأرضي، الأجزاء الثلاثة المهمة. يحمل كل جزء منها تيار النبضة الكامل، ويمكن لأي منها أن يُفسد شكل الموجة بمفرده.

تقدم هذه المقالة معادلات طاقة الإرسال، وانخفاض السكة، وCV²f، والأعطال الخمسة التي شوهدت على لوحات النبض الصناعية، وقيم الرقاقة والمكثف التي تعيد دقة الإرسال عند تردد تكرار النبض 5-20 كيلو هرتز.

2. الآلية الأساسية

2.1 طاقة الإرسال لكل نبضة

كل دورة إرسال تشحن السعة المثبتة للمحول C_t إلى جهد السكة V. الطاقة التي يتم توصيلها لكل نبضة صغيرة، والتيار العابر ليس كذلك.

E = ½ · C_t · V²

حيث E هي طاقة النبضة بوحدة µJ، و C_t هي سعة المحول المثبتة بوحدة nF، و V هو جهد السكة بوحدة V. محول 1 nF على سكة 200 فولت يأخذ 20 µJ لكل نبضة، وهو ما يعادل 0.2 واط من متوسط ​​الطاقة عند معدل تكرار النبضات 10 كيلو هرتز.

ينشأ تيار الحافة من نفس القيمتين.

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

حيث يُمثل I تيار شحن المحول بالأمبير، وdV/dt معدل تغير الجهد عند الحافة بالفولت/نانو ثانية، وC_t السعة المقيدة بالنانو فاراد، و20 نانو ثانية زمن الحافة. ​​هذا التيار العابر البالغ 10 أمبير هو ما يجب أن توفره مكثفات خط التغذية دون حدوث انهيار في جهد خط التغذية.

2.2 انخفاض مستوى السكة الحديدية أثناء الإرسال المفاجئ

أثناء نبضة النغمة، يقوم بنك السكة بتزويد تيار النبضة، وينخفض ​​جهد السكة أثناء تشغيل النبضة.

ΔV = I_pulse · t_pulse / C_rail

حيث ΔV هو انخفاض الجهد على خط التغذية بالفولت، وI_pulse هو تيار النبضة بالأمبير، وt_pulse هو طول النبضة بالنانو ثانية، وC_rail هي سعة خط التغذية بالنانو فاراد. نبضة تيارها 10 أمبير ومدة 500 نانو ثانية في بنك مكثفات سعته 100 نانو فاراد تُسبب انخفاضًا في الجهد مقداره 50 فولت، وهو ما يُعادل 25% من جهد خط التغذية البالغ 200 فولت.

يؤدي انخفاض الجهد بنسبة 25% إلى تقصير الدورتين الثانية والثالثة من نبضة مكونة من خمس دورات، ويشوه طور تشكيل الحزمة في المصفوفة الطورية. إذا تم ضبط انخفاض الجهد على أقل من 2% من القيمة المرجعية، فإن المكثف يحتاج إلى 2.5 ميكروفاراد لنفس النبضة التي تبلغ 10 أمبير و500 نانوثانية.

2.3 فقدان CV²f والحمل الحراري للشريحة

كل حافة تقوم بشحن وتفريغ سعة المحول، لذا فإن فقدان التبديل يرتفع بشكل مباشر مع معدل تكرار النبضات.

P_sw = C_t · V² · f

حيث P_sw هي فقد التبديل بالواط، وC_t هي السعة المقيدة بالنانو فاراد، وV هو جهد التغذية بالفولت، وf هو معدل تكرار النبضات بالكيلو هرتز. محول طاقة سعته 1 نانو فاراد عند 200 فولت و10 كيلو هرتز، مع احتساب حافتي النبضة ثنائية القطب، يبدد 0.8 واط لكل قناة.

تصل قدرة ثماني قنوات نشطة إلى 6.4 واط داخل حزمة صغيرة واحدة. تحمل شبكة السكك الحديدية جزءًا من هذه الحرارة، لذا فإن جودة وحدة الفصل تظهر في درجة حرارة وصلة الشريحة.

2.4 الفصل والتجاهل ودور اللغة الإنجليزية كلغة ثانية

يجب أن تكون أطراف الجهد العالي متصلة بمكثف تكون قيمة حثه المكافئ جزءًا صغيرًا من حث الحلقة. وإلا، فإن تيار 10 أمبير سيتسبب في حدوث رنين حافة على أسلاك التوصيل وأطراف العبوة.

f_SR = 1 / (2 · π · √(ESL · C))

حيث f_SR هو تردد الرنين الذاتي بالميغاهرتز، وESL هو الحث التسلسلي المكافئ بالنانوهنري، وC هي سعة الفصل بالنانوفاراد. يرن جزء سعته 100 نانوفاراد وحثه التسلسلي المكافئ 20 نانوهنري عند 3.6 ميغاهرتز، ويرن جزء سعته 10 نانوفاراد وحثه التسلسلي المكافئ 5 نانوهنري عند 22 ميغاهرتز.

يجب أن تبقى مجموعة الفصل سعوية حتى محتوى تردد حافة الإرسال. فوق f_SR، يتحول مسار الإشارة إلى دائرة رنانة تشوه كل نبضة.

الشكل 1 - انخفاض السكة لنبضة 10 أمبير، 500 نانوثانية: بنك رئيسي 100 نانوفاراد يخفض 50 فولت، و2.5 ميكروفاراد يحافظ على الانخفاض عند 2 فولت.

3. نقاط الضعف الهندسية

نقطة الضعف الأولى: انهيار السكة الحديدية الذي يُقصر نبضات النغمة.

لوحة مصفوفة طورية ذات 16 قناة، مزودة بخط جهد مشترك 200 فولت وسعة مكثفات أساسية لا تتجاوز 470 نانوفاراد، تُظهر انخفاضًا في الجهد يتراوح بين 10 و25 فولت مع كل نبضة. تصل أخطاء الطور في تشكيل الحزمة إلى عدة درجات، ويرتفع مستوى الفصوص الجانبية، مما يُضعف دقة التباين. لا يُظهر اختبار أحادي القناة هذا الانخفاض أبدًا، لأن مجموع تيارات القنوات الـ 16 يُنتج تيارًا عابرًا مقداره 160 أمبير.

نقطة الضعف الثانية: ارتداد الكرة عن الأرض مما يؤثر على التوقيت

يمر تيار العودة البالغ 10 أمبير عبر مستوى الأرض. ومع وجود محاثة عودة مشتركة قدرها 5 نانو هنري، يتحرك مرجع الأرض بمقدار 2.5 فولت خلال كل حافة. ​​يقرأ محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية (ADC) هذا الارتداد على أنه إزاحة زمنية تبلغ عدة نانو ثوانٍ، مما يؤدي إلى تشويش قياس زمن الرحلة الذي من المفترض أن يتكرر حتى 1 نانو ثانية.

نقطة الألم الثالثة: تمدد الفراغات عند الاستلام بسبب رنين السكة

بعد كل نبضة إرسال، يحتاج مفتاح الإرسال/الاستقبال إلى وقت لتثبيت إشارة دخل جهاز الاستقبال. يؤدي رنين خط الإرسال نتيجة ضعف شبكة الفصل إلى تمديد هذه الفترة بمقدار 1-3 ميكروثانية. ثم يقوم النظام بحجب أصداء الموجات القريبة من السطح أو إبطاء عملية المسح لحمايتها.

نقطة الضعف الرابعة: ارتفاع درجة حرارة CV²f فوق الحد المسموح به في العبوة

عند معدل تكرار نبضات عالٍ مع وجود عدة قنوات نشطة، يتراكم الفقد لكل قناة ليصل إلى 6-10 واط في دائرة النبض المتكاملة. ترتفع درجة حرارة الوصلة بمقدار 40-60 درجة مئوية فوق درجة حرارة المحيط، وتزداد مقاومة الخرج، وينخفض ​​سعة الإرسال. يظهر العطل على شكل تغير في السطوع عند الانتقال بين القنوات.

نقطة الضعف الخامسة: تفريغ الموصل داخل الشريحة

تتعرض سكة الجهد العالي وموصل المحول لتفريغ كهربائي ساكن وتفريغ كابلات في المصنع. يؤدي ضعف شبكة الفصل إلى ارتفاع مقاومة السكة عند الترددات العالية، مما يتسبب في حقن قوس الموصل لنبضاته العابرة في الشريحة. ويتبع ذلك انقطاع متقطع في القناة، ثم تتعطل مرحلة الإخراج لاحقًا.

4. خطوات التصميم

الاستراتيجية الأولى: اختر الشريحة المناسبة لاحتياجات الإرسال، ثم قلل من قدرتها.

اختر جزءًا يتجاوز جهد خرجه وتياره الذروي المتطلبات بنسبة تتراوح بين 20% و30%. تعمل مرحلة الخرج ذات القدرة المنخفضة على خفض درجة حرارتها والحفاظ على مقاومتها منخفضة. قارن زمن استعادة مفتاح الإرسال/الاستقبال مع التغطية السطحية المطلوبة، لأن زمن استعادة يبلغ 100 نانوثانية يوفر ميكروثانية كاملة من وقت التوقف في كل نبضة.

الاستراتيجية الثانية: بناء شبكة فصل ثنائية المستوى، بدءًا من نقاط التوصيل.

ضع مكثفاً ذا مقاومة كهربائية منخفضة جداً (1-10 نانوفاراد) مباشرة عند كل طرف من أطراف الجهد العالي للشريحة. عازل كهربائي من الفئة الأولى N4700 يحتفظ بنسبة 99% من سعته عند جهد السكة ويظل سعويًا حتى 20 ميجاهرتز، لذلك يستجيب لحافة 10 أمبير قبل أن يتفاعل بنك الطاقة الرئيسي.

أضف مكثفًا واحدًا لكل مجموعة قنوات لامتصاص طاقة الانفجار. استخدم مكثفًا بسعة تتراوح بين 100 نانو فاراد و1 ميكرو فاراد. مقبض باب HVCT8G قم بتشكيل وحجم مجموعة القنوات بحيث يكون طولها أكبر من أو يساوي عرض النبضة (I_pulse) مضروبًا في زمن النبضة (t_pulse) مقسومًا على فرق السرعة (ΔV)، مع الحفاظ على انخفاضها أقل من 2% من طول السكة. حافظ على مسافة لا تتجاوز 20 مم بين مجموعة القنوات التي تخدمها.

الاستراتيجية الثالثة: تصميم مسار العودة كحلقة متناظرة

استخدم نقطة نجمية أو أرضية منفصلة بحيث لا يتشارك تيار العودة المرسل مسار الإشارة المرجعية لمحول الإشارة التناظرية إلى الرقمية للمستقبل. حافظ على مساحة حلقة مسار المفتاح-المكثف-المحول أقل من 4 سم²، وعلى إجمالي الحث العائد أقل من 2 نانو هنري. تعالج هذه الخطوة النقطتين 2 و3 معًا.

الاستراتيجية الرابعة: مراعاة حمل CV²f عبر جميع القنوات

احسب P_sw = C_t · V² · f لكل قناة عند أعلى معدل تكرار النبضات، ثم اجمع القيم عبر القنوات النشطة. صمم المسار الحراري لدرجة حرارة وصلة أقل من 85 درجة مئوية. أضف طبقة نحاسية وثقوبًا حرارية أسفل الدائرة المتكاملة، واستخدم نظام تهوية قسري على أي لوحة تحتوي على أكثر من ثماني قنوات نشطة.

الاستراتيجية الخامسة: حماية السكة الحديدية والوصلة

أضف مشبكًا لتفريغ الشحنات الكهروستاتيكية عند موصل المحول ومقاومة متسلسلة في كل مسار إرسال للحد من معدل تغير التيار (di/dt). HVR-BSP مقاوم ذو طبقة سميكة يحافظ على قيمته حتى +125 درجة مئوية ويغطي نطاق 100 أوم إلى 10 كيلو أوم الذي يحتاجه محدد الإرسال.

تحقق من معاوقة السكة مقابل التردد باستخدام محلل الشبكة، لأن المعاوقة المنخفضة والمسطحة حتى 50 ميجاهرتز تدل على أن شبكة الفصل تعمل. أضف مصهرًا أو مقاومة حرارية موجبة في تغذية الجهد العالي، وقم بتركيب... ثنائي سريع الاستعادة في المقوم بحيث لا يمكن لعطل في قناة واحدة أن يؤدي إلى انقطاع السكة المشتركة.

معلمة المكون	القيمة النموذجية	شرط الاختبار
الجهد المقنن (سلسلة HVCT8G)	10 كيلو فولت العاصمة	جهد عالي 1.5× لمدة 60 ثانية
مواسعة	4700 بيكوفاراد ±20% (472 ميجا)	1 ميجاهرتز، 1 فولت RMS
المقاومة المكافئة التسلسلية عند 1 ميجاهرتز	أقل من 50 ملي أوم	-
محاثة الحلقة (وتر E40)	أقل من 8 نانوهيدروجين	تباعد طرفي 40 مم
مقاومة العزل	أعلى من 10 جيجا أوم عند 500 فولت تيار مستمر	25 درجة مئوية، 60% رطوبة نسبية
نطاق درجة حرارة	40 درجة مئوية إلى +125 درجة مئوية	سلسلة IEC 60068-2
قدرة نبض dv/dt	أعلى من 50 كيلو فولت/ميكروثانية	عند الجهد المقدر

5. مكثفات HVC لمسارات نقل دائرة النبض المتكاملة

تحتاج دائرة متكاملة لتوليد النبضات إلى شبكة دعم توفر حواف تيار 10 أمبير دون فقد، وتتحمل حثًا حلقيًا لا يتجاوز 200 نانو هنري. تقوم شركة HVC بتصنيع مكثفات سيراميكية من الفئة الأولى N4700 بجهد يتراوح من 1 كيلو فولت إلى 150 كيلو فولت في مصنع مساحته 6,000 متر مربع في دونغقوان. إشارة الصليب مقارنة بأرقام قطع غيار فيشاي، وموراتا، وتي دي كي.

ستة معايير مهمة هنا

• ESR أقل من 10 ملي أوم عند 100 كيلو هرتز مع tanδ ≤ 0.1٪، لذلك تصل حافة 10 أمبير إلى المحول بدلاً من تسخين السكة.
• ESL أقل من 20 نانو هنري، وأقل من 10 نانو هنري على أنواع الأقراص، مما يحافظ على فصل السعة على مستوى الدبوس بعد 20 ميجاهرتز.
• تغطية الجهد من 1 كيلو فولت إلى 150 كيلو فولت، مما يوفر هامشًا من 3 إلى 5 أضعاف على سكة 200 فولت ولا يوجد قلق بشأن التفريغ في موقع الفصل.
• TCC ±30 جزء في المليون/°C وخطية C(V) أفضل من 99% من -30 درجة مئوية إلى +85 درجة مئوية، لذلك لا ينحرف انخفاض السكة مع درجة حرارة اللوحة.
• عمر النبضة أكثر من 10⁶ طلقة مع تفريغ جزئي ≤ 5 بيكو كولوم، وهو ما يغطي عمر النبضة الذي يبلغ مليارات النبضات لجهاز المسح الصناعي.
• تغليف إيبوكسي يجتاز اختبار رذاذ الملح لمدة 96 ساعة، بالإضافة إلى مقاومات أخذ العينات HVRGHP لاستشعار تيار الإرسال ذي الحث المنخفض في نفس عائلة الحزم.

التوصيل والدعم

يتم شحن القطع القياسية خلال 4 إلى 8 أسابيع، ومجموعات الفصل المتطابقة خلال 6 إلى 10 أسابيع. تحتوي كل دفعة على تقرير تفريغ جزئي عند 1.5 ضعف الجهد المقنن وسجل عمر نبضي يزيد عن 10⁶ نبضة.

أرسل جهد السكة، وعدد القنوات، وسعة المحول، وزمن الحافة، ومعدل تكرار النبضات. تُعيد HVC خطة فصل تتضمن الانخفاض، والرنين الذاتي، وحث الحلقة لكل قناة. مكثف الفيلم مقارنة عند نفس هدف الانخفاض، ومجموعة تقييم مكونة من عينتين في غضون خمسة أيام عمل.

6. أسئلة مكررة

س1: ما مقدار السعة الكلية التي يحتاجها خط سكة مشترك؟

قم بتحديد حجم الدائرة بناءً على ΔV = I_pulse · t_pulse / C_rail، واحرص على ألا يتجاوز انخفاض الجهد 2% من جهد التغذية. نبضة تيار 10 أمبير لمدة 500 نانوثانية في مكثف سعته 2.5 ميكروفاراد تُبقي انخفاض الجهد 2 فولت على جهد تغذية 200 فولت. أما مكثف سعته 100 نانوفاراد فيُحدث انخفاضًا في الجهد قدره 50 فولت في نفس النبضة، مما يُشوه النبضة.

س2: لماذا تبدو النبضة الثانية من الانفجار قصيرة؟

لأن مجموعة الوصلات لم تتعافَ بعد من النبضة الأولى. يؤدي انخفاض الجهد بمقدار 10-25 فولت إلى قطع جهد الشحن في الدورات اللاحقة، لذا يقع السعة داخل نطاق النبضة. أضف سعة تخزينية كبيرة وقلل مسار العودة، ثم تحقق من انخفاض الجهد عند طرف الشريحة.

س3: أين توضع مكثفات الفصل؟

عند طرف الجهد العالي لكل قناة، على بُعد بضعة ملليمترات من الغلاف. يستجيب مكثف الطرف لذروة التيار البالغة 10 أمبير، بينما يمتص بنك المكثفات الرئيسي هذا التيار المفاجئ. أما المكثف الموجود في الطرف البعيد من خط التغذية، فيساعد فقط في ضبط متوسط ​​التيار.

س4: ما هي قيمة ESL التي يحتاجها مكثف الدبوس؟

منخفضة بما يكفي بحيث يقع تردد رنينها الذاتي فوق طيف الحافة. ​​يرن مكثف سعته 10 نانوفاراد ومحتواه 5 نانوهنري عند تردد 22 ميجاهرتز، ويظل سعويًا خلال حافة مدتها 20 نانوثانية. أما مكثف سعته 100 نانوفاراد ومحتواه 20 نانوهنري، فيرن عند تردد 3.6 ميجاهرتز، ويصدر رنينًا بدلًا من ذلك.

س5: كيف يمكنني خفض درجة حرارة الوصلة؟

احسب قيمة P_sw = C_t · V² · f لكل قناة واجمعها عبر القنوات النشطة. ثماني قنوات بتردد 10 كيلوهرتز تصل إلى 6.4 واط. أضف طبقة نحاسية ووصلات حرارية أسفل الدائرة المتكاملة، واستخدم تهوية قسرية فوق القنوات الثماني، وخفّض معدل تكرار النبضات عندما تتجاوز درجة حرارة الشريحة 85 درجة مئوية.

س6: كيف أميز بين رنين السكة الحديدية والصدى الحقيقي؟

انظر إلى شكل موجة الإرسال على مسبار واسع النطاق قبل مفتاح الإرسال/الاستقبال. يظهر رنين عند تردد الرنين الذاتي لمجموعة الفصل في أول 1-3 ميكروثانية، ويحجب أصداء السطح القريبة. قلل طول الحلقة وارفع تردد الرنين الذاتي، ثم تأكد من تقلص فترة الحجب.

7. المراجع

1. IEC 61010-1:2010+AMD1:2016, متطلبات السلامة للمعدات الكهربائية المستخدمة في القياس والتحكم والاستخدام المختبري - الجزء 1: المتطلبات العامةجنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2016.
2. IEC 61071:2017، مكثفات لإلكترونيات الطاقةجنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2017.
3. IEC 60384-8: 2015 ، المكثفات الثابتة للاستخدام في المعدات الإلكترونية - الجزء 8: المكثفات الثابتة ذات العازل الخزفي، الفئة 1جنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2015.
4. IEC 60270:2015، تقنيات اختبار الجهد العالي - قياسات التفريغ الجزئيجنيف: اللجنة الكهروتقنية الدولية، 2015.
5. إريكسون، آر دبليو، وماكسيموفيتش، د. أساسيات إلكترونيات القدرة، الطبعة الثالثة. تشام: سبرينغر، 2020.
6. موهان، ن.، أنديلاند، ت.م.، وروبنز، و.ب. إلكترونيات الطاقة: المحولات والتطبيقات والتصميم، الطبعة الثالثة. هوبوكين، نيوجيرسي: وايلي، 2003.
7. ووك جين لي وسيونغ كي سول، تثبيت جهد وصلة التيار المستمر لعكس مكثف وصلة التيار المستمر المخفّض، مجلة IEEE للمعاملات في التطبيقات الصناعية، المجلد 50، العدد 1، الصفحات 404-414، 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2013.2268733
8. هـ. وانغ وف. بلايبيرغ، موثوقية المكثفات لتطبيقات وصلة التيار المستمر في محولات إلكترونيات الطاقة - نظرة عامة، مجلة IEEE للمعاملات في التطبيقات الصناعية، المجلد 50، العدد 5، الصفحات 3569-3578، 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
9. الولايات المتحدة 8,570,711 ، مكون إلكتروني خزفي متعدد الطبقات (كبح التفريغ القوسي لمكثفات MLCCs من 1 إلى 5 كيلو فولت)، شركة سامسونج للإلكتروميكانيكا المحدودة، مُنحت عام 2013، https://www.freepatentsonline.com/8570711.html.
10. تي كاجي، إتش أساي، تي نوزو، إتش كوجيما وإن هاياكاوا، جهد بدء التفريغ الجزئي تحت تأثير جهد اندفاع العاكس مع مراعاة التأثيرات التفاعلية للعوامل البيئية، مجلة IEEJ للمعاملات في أساسيات المواد، المجلد 140، العدد 7، الصفحات 349-356، 2020. https://doi.org/10.1541/ieejfms.140.349
11. فريق هندسة تطبيقات HVC، الجهد العالي السيراميك المكثفات الموارد الفنيةhttps://www.hv-caps.com