应用于OLED 封装的激光器电源设计与仿真

罗云萌 钟绪浪

（1、陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南714000 2、大族激光科技股份有限公司，广东深圳518052）

1 概述

有机发光显示屏（Organic Light Emitting Display，简称OLED）被称为第三代显示器，广泛应用于手机、电脑、数码产品以及国防设备中[1- 2]。激光连接技术由于具有区域可选择、快速制造、非接触和复杂形状加工等优势，不仅有利于热敏材料OLED的封装，而且能够满足其可靠性要求，对水汽和氧气有极佳的阻隔效果[3]。

其中，想要获得稳定的封装工艺，就必须保证高可靠性的激光电源保证激光的输出稳定。

目前，设计稳定、高可靠性的激光电源大多数采用EDA 软件仿真得到结果后，再进行实际的电路设计布局，从而缩短了开发周期、提高开发效率。

仿真软件Saber 与其他电路仿真软件Matlab、Pspice、SIMPL IS 等相比，其具有更丰富的元件库和更精确的仿真描述能力，仿真真实性更好[4]。Saber 仿真软件是美国Synopsys 公司的一款EDA 软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品，现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，其中，在电源变换器设计中，能够全面分析系统的各项指标如环路频率响应、功率管开关、磁性器件的工作情况、元件的电学应力（电压、电流、功耗及温升）等[5]。

本文研究了EDA 软件设计与实际的激光电源电路的差异，同时采用合理控制方案，详细介绍电路核心器件的选型，给出方案中的详细参数，同时将实验结果与EDA 设计及指标进行对比。

2 Buck 变换器的基本工作原理及参数选择

设计要求：

（1）要求采用Buck 方案，设计并仿真；

（2）输入40-60VDC；

（3）输出5VDC，20A，fs=100KHZ；

图1 基于Buck 变换器主电路图

2.1 开关管选择

功率管能够承受的最高电压u＞uin+ud=60+0.7=60.7V

设置一定的冗余量，选择参数如下的NTB52N10 Vdss=100V Idmax=52A

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

2.2 二极管选择

设置一定的冗余量，选择耐压100V、通态电流40A 的MBR40100。

2.3 电感参数选择

（1）续流阶段

电感两端电压U=5+0.6=5.6V

根据额定电流及计算所得的电感值和相关曲线图求磁心所需的AP 值[6]，可得AP 值大约为0.68，故电感磁心型号选择E2627，其AP 值为0.7，具体各相关参数数据如下：

磁芯比例31/9cm，磁芯截面积Ae=0.83cm2，窗口面积Awb=0.85cm2，AP 值=0.7cm4，均磁路长度MPL=6.2cm，每匝的平均长度MLT＝4.6cm，磁芯体积5.1cm3。

（2）计算最小匝数

（3）计算磁芯气隙

气隙长度lg（边缘影响忽略）

其中lg为总气隙长度，u0=4π*10-7，ur为1（空气的相对磁导率），N 为匝数，Ae 为有效截面积，L 为电感量。

（4）确定最佳线径

由磁芯的面积乘积和匝数可知，线径在20AWG 到22AWG之间。

（5）计算最佳线径

其中d 为线的直径，Aw为总的绕线窗口面积，Ku 为绕组填充系数，本文中，Ku=0.6（圆导线），选择22AWG。

（6）计算绕组电阻

绕线的总长度lw=MLTN=4.6*90=414cm，可知，在20℃到100℃时22AWG 线的电导率分别是0.53Ω、0.78mΩ/cm，所以本文中总绕线电阻为219mΩ-322mΩ 之间。

（7）确定功率损耗

功率损耗P=i2Rc，电流为20A，可知，功率损耗在50.4-67.6W 之间。

2.4 输出电容的设计

在很大范围内不同电压等级不同容值的常用电解电容[7]，其ROCO值近似为常数，为50-80Ω，设输出电压纹波的峰峰值Vrr=0.05V，则RO=Vrr/ΔI=0.05/5=0.01，CO=60*10-6/0.01=8.9uF。

3 系统基于Saber 软件仿真设计

打开Saber Sketch，新建一个原理图，保存命名为buck。基于上述计算，用Saber 软件搭建电路，根据理论计算结果进行相应分析。应用Saber Sketch 完成一个设计后，可利用Saber Guide 的模拟环境来分析设计。

3.1 直流信号的瞬态分析

在这部分，可以利用模拟给定一个电压来模拟电路的各个状态，并通过CosmosScope 来观测各种波形[8]。

（1）在Saber Guide 的工具条中点击瞬态分析工具图标——Transient Analysisicon，它会弹出一个对话窗口，按照图中填好对话窗的各项条目：

放置探针- 观测电路波形图：

（1）在原理图中，单击“aout”电线- 点击右键- 选择“Probe”菜单项——观察“aout”这条线上的电压。

（2）观测电压波形。

（3）在完成了观测之后，先把这个波形窗口关闭，以进行下一步模拟。

3.2 交流信号分析与CosmosScope 波形观测器

（1）点击频率响应工具图标。

（2）在弹出的对话框中完成相应项目，单击OK。

3.3 仿真结果

采用上述仿真方法，仿真结果如下：

（1）仿真模型中，三角波频率为100KHz，幅值为5V，电压环给定电压为2.5V，如图2 所示。

图2 系统仿真图

（2）输入电压为40V，负载为额定负载时，输出电压波形，波形纹波小，电路快速响应。

图3 低压输入时，输出电压波形图

图4 高压输入时，输出电压波形图

（3）输入电压为60V，输出电压波形，其中电压的输出特性很好，纹波较小。

4 结论

本文根据实际案例中设计，通过精确的计算，计算出电感、电容等在特定工作条件下所选取的型号，另外根据计算结果基于Saber 软件仿真，从仿真结果可以得出，设计合理，输出纹波电压为1%，各项指标满足设计要求，同时缩短了开发周期。同时，在根据电路的实际设计过程中，指标基本与仿真偏差不大，可以直接应该用于OLED 的封装应用中，并且工艺验证后，效果非常好。