レーザーダイオードアレイドライバ向け高精度定電流制御

レーザーダイオードアレイドライバ向け高精度定電流制御

抽象

レーザーマーキングのパワートラックは電流を駆動するため、電流誤差がわずか数パーセントでも、マーキング箇所に縞模様や深さのばらつきとして現れます。この記事では、定電流ループの式、基準回路、シャント回路、アンプが共有する安定性許容値、ループがクロスオーバーとパルス平坦部を維持できるかどうかを決定するコンデンサの特性について説明し、続いて4つの課題、6つの設計手順、および基準部品データを示します。

はじめに

光ファイバーまたは直接ダイオード式マーキング光源の光出力は、アレイ駆動電流に比例します。数十ミリアンペアの差で、きれいなマーキングと焦げ付きや欠落したマーキングが区別され、数パーセントの電流ノイズでも、縞模様、色のばらつき、深さの不均一性につながります。

このアレイは扱いにくい負荷でもある。接合部あたりの順方向電圧は低く、スタック全体では数十ボルト程度、差動抵抗は数十ミリオームであり、電流が定格を超えると出力がオーバーフローする。ドライバは、温度変化や寿命に関わらず、千分率単位の電流安定性を維持しなければならない。

その要件は、制御ループのあらゆる要素、すなわち電圧基準、検出素子、誤差増幅器、そしてループ帯域幅を設定し、隣接回路からのノイズを除去するコンデンサに負荷をかける。

それらの隣接機器は活発に動作している。アレイは、キロボルトナノ秒のエッジを持つQスイッチドライバ、アンペアを切り替えるガルバノモータ、数百キロヘルツでスイッチングするポンプステージの近くに設置されている。それぞれがマイクロアンペアのノイズを分解する必要のあるループにノイズを注入する。

2. コアメカニズム

2.1 定電流関係とその誤差項

古典的な高精度電源は、検出素子にかかる電圧を制御します。

I_LOAD = V_reference / (R_sense × K_amp)

ここで、I_LOADはアレイ電流、V_referenceは基準電圧、R_senseはセンス抵抗、K_ampは誤差増幅器のゲインである。

項は乗算されるため、それらの分数誤差は加算されます。

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

ここで、ΔI/I は相対電流誤差であり、3 つの項は基準、検出素子、および増幅器ゲインの相対誤差です。

合計許容値が 0.1% の場合、各項は 0.03% 付近でなければなりません。これを確認するには、各係数にその係数が受ける温度範囲を掛けます。110 °C を超える範囲、つまり -25 °C から +85 °C では、0.03% は各項あたり 3 ppm/°C です。15 ppm/°C の合金シャント単体では 0.165% を消費し、基準値をカウントする前に許容値を超えています。制御された 40 °C の範囲では、同じシャントは 0.06% を消費し、5 ppm/°C の基準値は 0.02% を消費し、アンプ項が残った状態で 0.1% 以内に収まります。

2.2 クロスオーバー周波数と補償コンデンサ

ループクロスオーバーは、アンプの相互コンダクタンスと補償容量によって設定されます。

f_c = g_m / (2π × C_c)

ここで、f_cはクロスオーバー周波数、g_mは誤差段の相互コンダクタンス、C_cは補償容量である。

1 mSのステージと10 nFの容量では、クロスオーバー周波数は15.9 kHzです。クロスオーバー周波数は容量の逆数に比例するため、±15%のドリフトでは-13%から+18%まで変化し、第2極がクロスオーバー周波数のすぐ上にあるループでは2～4度の位相余裕が失われます。±30 ppm/℃のクラスI部品では、100℃の温度変化で容量が0.3%変化し、クロスオーバー周波数は描画された位置に留まります。

2.3 アレイのバイパスセル

アレイ端子に設けられた局所コンデンサは、ループの反対側に到達できないノイズを分流する。このコンデンサは、アレイの差動抵抗と極を形成する。

f_bypass = 1 / (2π × r_d × C_bypass)

ここで、f_bypassは極周波数、r_dはアレイ差動抵抗、C_bypassはバイパス容量である。

r_dが20 mΩの場合、極は1 µFでは8 MHz、100 nFでは79 MHz以上に位置し、どちらも15.9 kHzのクロスオーバー周波数をはるかに超えているため、セルは同調極ではなく広帯域シャントとして動作します。したがって、重要なのはスイッチング周波数におけるインピーダンスです。1 µFでは200 kHzで0.8 Ω、100 nFでは8 Ωとなり、最小値はセルの自己共振周波数である3.6 MHzでESRによって決まります。

2.4 誘電吸収とパルス平坦部

誘電体吸収は蓄積された電荷を遅れて戻すため、各パルスにテールが発生します。クラスIIセラミックはステップの0.5%～2%を吸収し、クラスI部品は0.1%未満に抑えます。200kHzでは周期が5µsであるのに対し、吸収時定数は約10µsであるため、各パルスは前のテールの61%がまだ残っている状態で始まります。したがって、2%部品ではパルス間誤差が約1.2%、0.1%部品では0.06%となり、これは0.1%の再現性目標の範囲内です。

2.5 アレイ全体での電流共有

積み重ねられたアレイの各バーは同じ電流を流す必要があり、バラスト抵抗によって電流の均等な分配方法が決まります。

ΔI_branch/I ≈ ΔV_f / (I × R_ballast)

ここで、ΔI_branch/I は分数シェアリング誤差、ΔV_f は分岐間の順方向電圧スプレッド、I は分岐電流、R_ballast は分岐ごとのバラスト抵抗である。

そのバラストのコストも同じ関係から導き出される。

P_ballast = I × ΔV_f / ε

ここで、P_ballast は 1 つのバラスト素子の損失、ε は共有誤差の割合です。0.167 Ω のバラストで 20 A 時に 0.5 V のばらつきがあると、15% の不均衡が生じ、1 枝あたり 67 W が消費されます。これは 400 W の枝の 17% に相当します。ばらつきを 20 mV に狭めると、50 mΩ で 20 W の不均衡が 2% になるため、アレイをマッチングする方がバランスを取るための安価な方法です。

図1 — ループは5 ppm/°Cの基準と10 nFの補償セルで20 Aを保持します。15 ppm/°Cのシャントだけでも、110 °Cにわたって0.1%の許容範囲の0.165%を消費します。

3. エンジニアリング上の課題

問題点1：電流ドリフトがレーザーの経年劣化として読み取られる

駆動電流は電源投入時は安定しているが、機器の温度上昇に伴い1～2%変動する。技術者はダイオードスタックの故障を疑い交換するが、変動は解消されない。原因は、クラスII補償セルの温度特性と、スパンに係数を乗じていないシャント抵抗器の挙動にある。

問題点2：クロスオーバーが動いたことによるエッジリンギング

25℃ではループは安定していますが、キャビネットの温度が55℃に達すると、補償コンデンサのドリフトとそれに伴うクロスオーバーの移動により、パルス端でリンギングが発生します。このリンギング電流がレーザー出力を変調し、発生する縞模様は受入検査では見えませんが、ハイエンドの彫刻では見逃すことはできません。

問題点３：パルス平坦部における誘電吸収

200kHzでは吸収テールが周期よりも長く続くため、各パルスは前のテールの一部がセル上に残った状態で開始されます。コントローラはコンデンサの材料に存在する誤差を修正することができず、マークには制御法則の変更では除去できない強度変調が伴います。

問題点4：不均一な共有による過熱、1バー

バラストが不十分な状態で順方向電圧が0.5V変動すると、1つのバーに15%多くの電流が流れます。その結果、そのバーは高温になり、順方向電圧の変動がさらに大きくなり、不均衡が拡大してバーが故障します。これは、ドライバにおける電力配分決定によって引き起こされるアレイレベルの損失です。

4. 設計手順

戦略1：許容値をppm単位で設定し、スパンを乗算する

許容値を ΔI/I = ΔV_ref/V_ref + ΔR/R + ΔK/K と書き、部品が実際に受ける範囲で各項を評価します。40 °C を超える 5 ppm/°C の基準では 0.02% を消費し、 サンプリング抵抗器 15 ppm/℃では、同じ期間で0.06%を費やす。

戦略2：補償位置とバイパス位置にクラスI細胞を使用する

クラスII部品を交換する N4700 セル：tanδが0.1%以下、±30 ppm/℃の係数、および0.1%以下の吸収率。クロスオーバーとバイパスポールは動作範囲全体で固定され、フラットトップの吸収誤差は1.2%ではなく0.06%になります。

戦略3：アレイインピーダンスに合わせてバイパスのサイズを決定する

動作電流におけるアレイの差動抵抗を測定し、スイッチング周波数における必要なインピーダンスから静電容量を選択します。例えば、1 µF は 200 kHz で 0.8 Ω、100 nF は 8 Ω となります。セルが 3.6 MHz の自己共振周波数でボンディングワイヤのインダクタンスによって共振しないように、ESR を低く保ってください。

戦略4：バラストを追加する前にアレイを一致させる

順方向電圧のばらつきが100mV未満のアレイを指定してください。また、バラスト損失は抵抗値に関係なくI×ΔV_f/εであることを覚えておいてください。20mVのばらつきでは、1分岐あたり50mΩの抵抗で2%の電力共有と20Wの損失が発生しますが、0.5Vのばらつきでは67Wの電力消費となり、より緩やかな結果となります。

戦略5：ループグランドを高電圧段から切り離す

ポンプドライバが15kV～40kVのQスイッチステージとシャーシを共有する場合、電流ループに専用のスターポイントを設け、共有レールを1kV～100kVの高電圧クラスIセル（放電電流5pC未満）から分離します。これにより、キロボルトの過渡現象は、ループ内のグランドバウンス誤差ではなく、レールノイズとして発生します。

戦略6：最悪の熱負荷点における波形を確認する

周囲温度60℃で装置が最も厳しいマーキングサイクルを実行している間に、広帯域プローブを使用してアレイ電流を測定します。パルス間の再現性を0.1%以内、フラットトップリップルを0.05%未満に維持し、エッジ後の減衰振動が1回を超えるリンギングが発生しないようにしてください。

このアプリケーションクラスの参照部品

以下の基準値は、電流ループと同じシャーシを共有する2CL高電圧整流器に関するもので、その接合容量と回復特性は上記の数値で示されています。サンプルシートには標準部品として472Mが記載されており、これは±20%で4700pFです。ループに必要な高精度な容量は、この部品を選別し、ペアをマッチングさせることで実現されます。選別されていない472M部品は±20%の許容誤差を持つためです。

コンポーネントパラメータ	標準値	試験条件
繰り返しピーク逆電圧	10 kV VRRM	2CLシリーズ、25℃
平均順電流	0.8 A IF(AV)	矩形波、Tc ≤ 85 °C
順方向サージ電流	100msで8.3A	単一サージ、IFSM
逆回復時間	< 1 µs t_rr	ソフトリカバリーグレード
接合容量	標準値：25 pF	VR = 4 kV、1 MHz
動作温度	−55℃～+125℃	Tj最大値
リーク電流	VRRMで5mA未満	25℃、定格値

5. 高精度電流ループ用HVCコンデンサ

マイクロアンペア単位の分解能を持つループには、値と吸収率が一定である静電容量が必要です。HVCは、東莞にある自社工場（6,000平方メートル）で、N4700（T3M）クラスI誘電体を用いて、1kVから100kVまでの電圧範囲に対応するセルを製造しています。

ここで重要な6つのパラメータ

• ループパラメータは固定されたままです。tanδが0.1%以下で、係数が±30 ppm/°Cの場合、クロスオーバーとバイパス極は-25 °Cから+105 °Cまで保持されるため、安定性は温度の問題ではなくなります。
• 吸収率は0.1%未満です。パルスの平坦部はコントローラによって設定され、セルが遅れて戻ってくる電荷量によって設定されるわけではありません。これは、200kHzにおけるパルス誤差の0.06%と1.2%の差に相当します。
• 共有シャーシのデカップリング。1 kV ～ 100 kV の範囲は、Q スイッチとポッケルス セルの過渡現象を検出経路から除外するレール デカップリングをカバーし、 高速回復ダイオード 同じレースで予選を通過することができます。
• 放電は5 pC以下。シールドされた部品は検出経路に放電ノイズを注入しないため、アンプ周辺で行われた入念な作業が有効なままとなる。
• ドライバ全体に1つの誘電体システム。同じ認定誘電体がバイパスセル、補償セル、高電圧デカップリングをカバーし、 厚膜抵抗器 このオプションは、同じ条件内の区切り線を対象としています。
• 実績のある代替品。40kV / 441シリーズ ドアノブコンデンサ は、 村田 リソグラフィ光源の現場修理プログラムではネジ式コンデンサが使用されており、国内のDUV開発企業は現在、新しい光源にHVCカスタムコンデンサを指定している。

配送とサポート

標準部品は4～8週間で出荷され、ドリフトデータ付きのマッチング済みループセットは6～10週間で出荷されます。HVCのアプリケーションエンジニアリングでは、安定性許容値の計算、クロスオーバーおよびバイパスのサイズ決定、吸収データのレビュー、デカップリングレイアウトのサポートを行っています。アレイの電流と電圧、差動抵抗、スイッチング周波数、基準およびシャントの仕様、ループ帯域幅の目標値、および取り付け図面をお送りください。HVCは、5営業日以内に、容量対温度曲線、吸収データ、および放電レポートを含むループコンポーネントシートをお送りします。

6。 よくある質問

Q1：マーク品質が低下すると、なぜ駆動電流が変動するのですか？

電流誤差が直接的にターゲットに到達するためです。アレイの光パワーは駆動電流を追跡し、クラスII補償セルと補償されていないシャントによる1%の電流ドリフトは、縞模様や深度変動として現れ、レーザーを交換しても解消されません。

Q2：安定手当はどのように分割されるべきですか？

3つの方法と温度範囲による。ΔI/I = ΔV_ref/V_ref + ΔR/R + ΔK/K なので、合計0.1%で各項0.03%が許容される。110 °C の範囲では 3 ppm/°C、制御された 40 °C の範囲では、15 ppm/°C のシャントと 5 ppm/°C の基準が余裕を持って適合する。

Q3：クロスオーバー周波数は何によって決まりますか？

f_c = g_m/(2πC_c)。10 nFの補償セルを備えた1 mSステージは15.9 kHzでクロスオーバーし、クロスオーバーは静電容量の逆数に比例するため、±15%のドリフトで-13%から+18%まで変化します。クラスIセルは、100 °Cで静電容量を0.3%変化させます。

Q4：バイパスコンデンサの容量はどれくらいにすべきですか？

スイッチング周波数で必要なインピーダンスに基づいてサイズを決定してください。極からではなく。20 mΩのアレイ差動抵抗の場合、1 µFは200 kHzで0.8 Ω、100 nFは8 Ωを示し、セルのインピーダンスの最小値は3.6 MHzの自己共振周波数にあり、そこでESRが下限値を決定します。

Q5：200kHzにおいて誘電体吸収が重要となるのはなぜですか？

吸収テールは5µsの周期よりも長く続くため、吸収時定数が10µsの場合、各パルスは前のテールの61%から始まるため、2%のクラスIIセルではパルス間の誤差が約1.2%となり、0.1%のクラスIセルでは0.06%となります。

Q6：アレイバー間で電流の共有はどのようにバランスが取られていますか？

まずマッチングを行い、次にバラストをかけることで、ΔI_branch/I = ΔV_f/(I R_ballast) となり、バラスト損失は I × ΔV_f/ε となるため、損失は抵抗ではなく順方向電圧の広がりに依存します。20 mV の広がりは、50 mΩ で各ブランチあたり 20 W の場合、2% の共有に達します。

7。 リファレンス

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