光电产品（共4篇）
光电产品 篇1
0引言
LED照明产品是指与外部供电电源连接即可运行的LED光引擎和LED整灯,主要由LED封装、电子控制器件、散热器件和机械元件等组装而成的一类LED照明产品。LED与传统光源相比较,具有发光效率高、使用寿命长、节能省电、环保等一系列优点,这使得LED光源广泛应用于各种装饰和照明场合。
在实际应用中,为了适合不同的照明环境,灯具的设计和结构也不尽相同,其工作时的温度会随着环境温度的变化而变化,而LED光源的光电参数具有很强的温度依赖性,一方面温度的变化会导致LED照明产品光电参数的变化,另一方面过高或过低的温度也会对照明产品的使用寿命产生较大影响。
因此,探索LED照明产品的温度特性十分必要。本文在理论分析的基础上,采用积分球对3W SMT封装和3W COB封装的LED天花灯分别进行光电色参数温度特性测试,根据测试结果,分析LED照明产品光色电性能的温度特性,以此作为对LED照明产品进行改善的指导,使其达到更为理想的照明效果。
1 LED光源的温度特性
1.1光参数的温度特性原理
在LED芯片中,载流子的平均总寿命是由辐射复合和非辐射复合的平均寿命决定的[1],如式1。
式中:
是非平衡载流子非辐射复合的平均寿命;
是非平衡载流子辐射复合的平均寿命。
内量子效率ηiqe为辐射复合速率在总复合速率中所占的比例,如式2,
从式2中可以得出,非平衡载流子非辐射复合的平均寿命随温度升高而减少,而辐射复合的平均寿命随温度升高而增加。与此同时,随着温度升高,晶格震动加剧,杂质缺陷增多,导致半导体光吸收增强,损耗系数随之增大,因此内量子效率随着温度升高而降低,此时LED芯片内部产生的光能量减少,从而导致辐射通量降低。
1.2电参数的温度特性原理
当LED光源采用恒流供电时,LED两端电压的温度特性主要是由电导率的温度特性决定的[2],如式3。
式中:
n、p分别为电子和空穴浓度;
μn、μP分别为电子和空穴的迁移率;
q为电子所带的电荷。
当半导体为n型时,式2中右边第二项可忽略;为p型时第一项可忽略。由于重掺杂,杂质浓度会随温度上升而逐渐升高,即杂质载流子数量变多,但本征激发还不十分明显,主要散热方式为晶格震荡,迁移率会随温度升高而稍有变化,但又会因为杂质浓度的上升而显著下降。综合考虑载流子浓度和迁移率的变化,可知电导率随温度增加而上升,因此导致了电压温度的负相关特性。
2测试对象和测试系统
2.1测试对象
常用大功率LED封装包括引脚式、表面装贴式(SMT)、板上芯片直装式(COB)以及系统封装式(SIP)[3]。SMT和COB是商业上使用最广泛的两种封装方式。本文选择SMT和COB封装的两种3W天花灯作为测试对象。天花灯的基本结构由灯罩、灯珠、铝基板(散热片)及驱动模块四部分组成。3W天花灯为3颗1W大功率SMT封装LED灯珠串联,3WCOB天花灯为单颗3W COB封装LED灯珠。灯珠焊接在基板上,基板连接散热鳞片,灯珠产生的热量主要通过散热鳞片散热。
2.2测试系统
用积分球法来测试灯的光色电参数既方便又快速。采用PMS-50光-色-电测试系统,其结构示意图如图1所示,可以测量光源的光色参数。积分球测试系统主要由积分球和光谱仪两部分组成。
图 1 PMS-50 增强型光色电测试系统结构示意图
(1)积分球
积分球由固定半球和活动半球构成,活动半球可以开合,用于更换待测的灯。积分球内壁涂多层中性漫反射材料(硫酸钡),另外设置挡光板以防止LED灯发出的光线直接射入光度探头,灯在积分球内点亮后,其光线经多次漫反射后均匀地经光纤传入光度探头,光度探头将采集到的光信号再传入光谱仪。
(2)光谱仪
光谱仪是进行光谱研究和分析的装置[4]。其基本作用是测定被研究的光(所研究的物质发射的、吸收的、散射的或受激发射的荧光等)的光谱组成,包括它的波长、光通量、光谱轮廓等。具体实现过程为,首先将被研究的光按波长分解,并进行v(λ) 加权;其次,测定各波长的光所具有的能量,得到能量按波长的分布;最后,显示测量结果和光谱分布图。光谱仪可以测得灯的光谱分布函数,从而计算出峰值波长的数值;辐射功率、光通量、色度坐标、色温、显色指数、光效、色纯度、主波长均可由光谱分布函数推算出来。
3实验及数据分析
3.1测试过程
采用积分球对3W SMT封装和3W COB封装LED天花灯分别进行温度/光电参数特性测试。LED照明产品一般选用恒流供电,若是在恒压条件下工作,由于电流会随电压增加呈指数变化、温升效应又会引起正向电压的变化,这样会导致LED工作不稳定,甚至影响其工作寿命。
实验时采用精密电源为LED天花灯进行300 m A恒流供电,通过固定LED灯珠的铝基板背面的温控装置控制铝基板的温度变化,分析采集其光电参数。
首先开启仪器进行预热,设定精密电源WY305的供电电流,然后用通用标准灯D204对光谱仪进行光谱定标和光通量定标。定标完成后,将被测天花灯安装到积分球,控制温度以1℃梯度递增,每升高1℃测量记录一组LED天花灯的光电参数。
3.2数据分析
3W COB天花灯测试数据见表1,3W SMT天花灯测试数据见表2。
分别是对光通量、色温和电压温度特性进行线性拟合,如图2~图7所示。
(1) 3W COB天花灯
光通量:y=-0.7956x+251.28, R2=0.9988.
色温:y=6.4418x+6023.5,R2=0.9849.
灯电压:y=-0.0057x+9.7372,R2=0.9985.
(2)3W SMT天花灯
光通量:y=-0.5820x+316.11,R2=0.9945.
色温:y=3.9282x+5910.1,R2=0.9620.
灯电压:y=-0.0060x+9.6554,R2=0.9995.
图 2 3W COB 天花灯光通量随温度变化
图 3 3W COB 天花灯色温随温度变化
图 4 3W COB 天花灯电压随温度变化
图 5 3W SMT 天花灯光通量随温度变化
图 6 3W SMT 天花灯色温随温度变化
图 7 3W SMT 天花灯电压随温度变化
通过对3W COB天花灯和3W SMT天花灯测试结果进行对比,可以发现,两种灯在恒流0.3A供电的情况下,随温度升高,光色电参数变化趋势基本一致。其中光通量、色度坐标(x、y)、电压、功率、光效、辐射功率、主波长随温度上升呈下降趋势;色温(k)、显色指数(Ra)、色品容差(SDCM)、红色比、色纯度呈上升趋势;峰值波长没有变化。
通过线性拟合,两种天花灯的都很接近1,说明在28~38℃时,光通量、色温和电压变化线性度较好。
4结论
本文通过对3W SMT天花灯和3W COB天花灯的温度特性的研究,在28~38℃范围内对两种灯分别进行测试、分析、比较,发现光通量、色温、电压等参数均随温度的变化而变化。光通量、灯电压随温度升高均呈下降趋势;色温随温度升高呈上升趋势。
由此可以看出,LED照明产品工作环境温度不同时,其电气和光学参数也会随之改变。对于照明产品应用和品质管理来说,温度的变化不可忽略。在对照明产品标注相应的宣称值时,应标明其工作温度范围,这样才能使宣称值更具有实际意义。
光电产品 篇2
太阳能电池组件等大幅面光电产品的广泛应用,使其检测装备的研制受到学术界和工业界的重视[1]。目前,国内对LCD液晶面板、背光板、太阳能电池组件等光电产品的光学检测,大多采用人工方式[2],检测效率低下、准确性不高。对于尺寸较大的产品,国内已有相应的检测方法:将待检物放置在传送带上,待检物经过一组由多个线扫描相机组成的扫描阵列扫描一遍后,再将待检测物转动90°,回扫一遍,以实现两个不同视角的检测。这种方法的特点是,被检测物相对于阵列式线扫描相机运动,可完成二维两角度的全扫描。但该方法也存在局限性:①被检对象两个方向的直线运动组合以及检测镜头阵列的排列不足以遍历所有的姿态维度,会无法检出某些缺陷,即存在原理性漏检;②需要多个线扫描相机组成扫描阵列,由于待检产品的长宽一般不同,而线扫描相机的阵列宽度要按最大尺寸配置,因而成本相对较高[3]。
国外的光电产品检测设备中最具代表性的是德国Graphikon公司的产品[4],它采用直角坐标机器人带动两台面阵相机,对组件上的电池片进行扫描。这种装置的相机相对被检物运动,以相机的扫描包络面代替多维多角度检测。此方法的局限性是,面阵相机分辨率有限,检测效率低,且直角坐标机器人末端执行器运动位姿有限,所以仍存在原理性漏检。
综上所述,高效光电产品智能检测装备,特别是适合大幅面产品智能检测的装备,在国内外均是空白。因此,研究和开发检验效率高、制造成本低、具有自主知识产权的新型大幅面光电产品检测装备,再配以自动光学检查系统(automated optical inspection,AOI),将有利于我国光电产品质量的进一步提高,并降低制造成本,大大提高我国新型能源装备的科技水平和市场竞争力。
1 国内光学检测装备研发现状分析
1.1静止型光学检测平台[5]
图1所示为一种最简单的光学检测装置,其载物台、光源和摄像头均无法改变位姿,适用于检测物体的单一表面,结构简单、可靠性高,在包装盒、印刷品和某些超薄电路板的检测中得到广泛应用。
1.2带状物光学检测平台[6]
图2所示为一种典型的适用于带状物的光学检测装置,该装置同样是由图像采集模块(摄像头)、光源和工作台组成的,其最大的特点为:它对于被检测物的规格和形态适应性较强,一方面,通过改变摄像头个数和光源长度,可以检测不同宽度的物体;另一方面,只要被检物是可以被弯曲的带状物,就可以通过滚筒变向,完成任意长度物体的检测。这种装置被广泛应用于流水线上印刷品和带钢等产品的检验。
1.3X-Y型移动式图像采集模块[7]
图3所示为一种载物台静止、摄像机移动的光学检测装置。摄像机被置于滚珠丝杠平台上,通过调节X向和Y向的位移,使摄像机在二维平面内定位。此种光学检测装置适用于表面积较大的钢板、玻璃等的检测。
1.4X-Y型移动平台式光学检测平台[8]
如图4所示,载物台自动运动到摄像头位置,进行图像采集。该精密工作台运动时,交流伺服电机驱动精密滚珠丝杠来实现定位。这种检测平台能很好地保证图像的采集精度,不会因频繁移动图像采集模块而导致摄像头损坏,所以常用于摄像头布置较多的场合。
1.5卫星太阳能电池板光学检测平台[9,10]
图5a所示的装置为一种用于卫星太阳能电池阵列板缺陷检测的工作台,其工作原理如下:用LED阵列组成特定波长的光源,从四面以小角度照射太阳能电池阵,同时配合由光学系统和CCD组成的图像传感器的运动,来实现整块电池板的扫描。扫描过程中,2个距离传感器控制机械扫描机构的纵向距离,使摄像头始终与太阳能板之间保持最佳的成像距离,以保持图像清晰,从而识别出电池的崩边、裂纹、缺角等缺陷。扫描机构为三维平移机构(图5b),采用滚珠直线导轨进行导向,X向、Y向移动由伺服电机驱动齿形带实现,而Z向移动由步进电机驱动滚轴丝杠实现。运动过程中,图像传感器与待检电池阵之间的相对距离由距离传感器控制。这种装置可靠性高、易维护、结构紧凑,具有高自动化、高智能化等优点,使用方便。
1.6移动光源车太阳能电池检测仪[11]
图6所示为一种用于确定太阳能电池板参数并检测缺陷电池片位置的太阳能电池检测仪。这种检测仪在柜台内部装有作往复运动装置,支架下方是导光窗口,被检测的电池板安装在导光窗口下方。通过光电效应,将产生的光电流转换成太阳能电池的参数,并将结果传输给计算机运算,若参数合格,则移动光源车向下一阵列移动,继续检测。
1.7太阳能电池板裂纹检测仪[12]
图7所示为一种太阳能电池板裂纹检测仪,这种装置的工作原理如下:激光源、反射镜、转动镜、成像透镜、线阵CCD依次连接成一条光路,将线阵CCD输出的信号输入计算机,通过计算机来控制激光控制器、转动镜控制器和推扫驱动装置的运动,从而实现对太阳能电池板的无接触、无损伤激光扫描。通过对获取的红外辐射图像数据的智能处理和分析,判断太阳能电池板的完好性。
1.计算机 2.转动镜控制器 3.激光控制器 4.转动镜 5.激光源 6.反射镜 7.载物台 8.待检组件 9.成像透镜 10.线阵CCD 11.推扫驱动装置
1.8光学移动平台检测仪[13]
图8所示为一种光学移动平台检测仪。该装置的槽型悬臂架具有开口结构,在槽型悬臂架开口上下端分别设置有光学检测镜头,通过直立式滑轨架与座架的相对运动,使槽型悬臂架处于被检测物面积范围内,以便进行全面的检测。
1.直立式滑轨架 2.座架 3.槽型悬臂架 4.承置架 5.光学检测镜头
2 国外光学检测平台研发现状分析
2.1光学检测流水线[4]
图9所示为德国Graphikon公司研发的一种新型太阳能电池光学检测平台,其工作原理如下:1个摄像机模块沿着直线导轨移动,以获取被检测太阳能电池的完整图像。这种装置的优点是,可以应用于常规尺寸的太阳能电池的检测,易整合在生产线上,可靠性高,能检测出所有类型的缺陷。
2.2直角坐标机器人光学检测平台[4]
图10所示为德国Graphikon公司的产品,直角坐标机器人带动2台面阵相机,对组件上的电池片进行扫描,检测过程中,相机相对于被检物运动。由于直角坐标机器人本身的运动范围及面阵相机分辨率有限,检测效率低,故仍存在原理性漏检。
2.3X-Z-Y平台检测装置[14]
图11所示为一种三自由度的检测装置,其最大的特点是摄像头沿X向和Z向运动,工作台沿Y向运动,通过控制伺服电机,使镜头对准工件,以便采集图像完成检测。与图5所示装置相比,它更适合于小尺寸太阳能电池板的检测,结构简单,制造成本低,可以根据需求改造成为流水线,从而提高检测效率。
2.4五自由度光学检测机械手[15]
图12所示为美国Adept公司研发的五自由度串联机械手,在末端固定摄像头后,该机械手可用于太阳能电池光学检测。该串联机械手具有工作空间大、运动灵活的优点,可以适应各种角度的图像采集,但由于其结构比较复杂、生产成本高,故适合电池板精密检测。
3 大幅面光学检测装备的设计
3.1光学检测装备的分类
按载物台与摄像头的运动关系,上述光学检测装备检测方式大致可分为4类:
(1)载物台与摄像头均静止。静止型光学检测平台(图1)通过单个相机或多角度放置的多个相机采集待测物的图像。
(2)载物台运动,摄像头静止。带状物光学检测平台(图2)带动物体作一维运动;自动光学检测系统X-Y工作台(图4)带动物体作X向、Y向二维平动。
(3)载物台静止,摄像头运动。光学检测流水线(图9)为摄像头作一维直线运动;X-Y型移动式图像采集模块(图3)、移动光源车太阳能电池检测仪(图6)、光学移动平台检测仪(图8)和直角坐标机器人光学检测平台(图10)均为摄像头沿X向、Y向移动或绕X轴(Y轴)转动;X-Y-Z串联式检测装置(图5)为摄像头沿空间直角坐标系的X向、Y向、Z向移动;五自由度光学检测机械手(图12)为摄像头作空间三维的移动和转动。
(4)载物台、摄像头均运动。太阳能电池板裂纹检测仪(图7)为混合串联式平台,载物台沿X向和Y向移动,摄像头转动;X-Z-Y平台检测装置(图11)也是混合串联式平台,载物台沿Y向移动,而摄像头沿X向和Z向移动,二者与直接串联式平台(图5)相比,其完成图像采集时间更短,工作效率更高。
3.2大幅面光学检测装备的设计原则
综上所述,高效、准确、实用的检测工艺对装置提出了如下设计原则:①由于相机标定较困难,且相机的频繁运动会影响图像采集的准确性,因此,采用相机固定而载物台运动的方式较好,故上述第(2)类检测方式为最佳;②若相机固定不动,则载物台应具有较多的自由度,以实现移动和转动,这样才能保证扫描的全面性和完整性;③大幅面光电产品在检测的过程中,需要一个相对于自身尺寸更大的移动距离,以减少阵列线扫相机的数量,从而减低成本。
显然,第(3)类、第(4)类检测方式对应的检测装置均不满足原则①、②、③;第(1)类、第(2)类检测方式对应的检测装置仅满足原则①,但不满足原则②、③,因此,工业界迫切希望研发一类同时满足原则①、②、③的高效大幅面光电产品检测装置。
4 新型并联式检测载物台的提出与设计
4.1机构创新设计
众所周知,并联机构采用杆结构,制造容易、刚度大,又能使动平台具有多自由度的空间位姿,已在制造加工、娱乐平台、机器人操作等领域获得了广泛的应用。在理想的光学检测装置中,载物台和摄像头需要具有大范围、多角度的相对运动,这样才能保证扫描包络面的全面性和完整性,因此,为满足不同种类和生产规模的光电产品的光学自动检测,并适应第(2)类检测方式,笔者设计了4种不同类型的基于解耦并联机构的平面型和空间型光学检测载物台。
4.1.1 三自由度平面型平台
图13所示为一种三滑块平面型并联操作平台,由直线导轨MM′与KK′、滑块(1、2、3)、载物台(9)和连杆(4、5、6、7、8)组成,连杆5和连杆6的长度相等,且在运动中始终平行;载物台9与连杆5构成移动副P10后,又通过转动副R7与连杆4连接;连杆5的一端通过转动副R8连接连杆7,另一端通过转动副R5连接滑块2;连杆6的一端通过转动副R9连接连杆8,另一端同样通过转动副R6连接滑块2;当3个滑块取不同的位置时,安装检测产品的载物台9的位置和姿态是唯一确定的。该操作平台具有结构简单、制造容易、控制部分解耦、运动工作空间大、定位精度高等优点,可用于大幅面产品的二维检测[16]。
4.1.2 三自由度空间型平台
图14所示为一平动、两转动的空间并联机构平台,它由机架0、动平台1和连接于两平台之间的3条支链P4S2、R4P5S3、S8P6S7组成,其中,支链P4S2与支链R4P5S3组成一平面解耦回路,机构的自由度为3。当3个移动副P4、P5、P6对应不同的输入值时,动平台1可实现Z向的移动和绕X轴、Y轴的2个独立转动。该机构具有结构设计简单、不易产生奇异位置、位置分析简单、运动输入输出具有全解耦性等优点[17],可用于大幅面产品的三维检测。
4.1.3 五自由度空间平台
将图14所示三伸缩杆空间型并联操作平台的机架固定安装于二自由度X-Y串联平台上,构成五自由度混联结构(图15)。通过该机构上5个移动副的输入,可实现动平台1沿X轴、Y轴、Z轴的3个独立移动以及绕X轴、Y轴的2个独立转动,该机构也是全解耦控制的[18]。
4.1.4 六自由度空间平台
将图14所示三伸缩杆空间型并联操作平台的机架固定安装于一个X-Y-θ三自由度串联式工作平台,则得到如图16所示的六自由度混联机构[19]。通过该机构上的5个移动副输入和1个转动副输入,可实现动平台1沿X轴、Y轴、Z轴的3个独立移动及绕X轴、Y轴、Z轴的3个独立转动,易知,该机构输入输出全解耦,控制容易。
对于图15、图16所示机构,下部串联型工作台的结构尺寸较大时,整个检测平台能实现大范围的平面运动,所以工作空间大;当上部并联型工作台的三个伸缩杆取不同长度时,可实现动平台的空间任意位姿定位,两者相互配合,可满足生产线上需任意移动距离的大幅面产品的高效三维检测。
上述4种智能检测载物台,配以机器视觉检测系统,即可构成高性能的光学智能检测平台,从而满足检测过程对相机、光源和被检测物对位置和夹角的要求。此类检测平台可代替目前的五自由度、六自由度多关节串联机器人和直角坐标型机器人,因而避免了由此产生的检测成本高、检测效率低等缺点。
4.2并联运动检测平台的特点
并联运动光学检测平台与现有的光学检测平台相比,具有如下特点和优势:
(1)载物台具有多自由度的空间位姿,能确保检测的全面性和准确性,从根源上杜绝了原理性漏检,可实现大幅面光电产品在任意视角和无盲区的检测。
(2)这类平台不仅作业范围大、定位准确、刚度好、检测效率高,而且制造方便、控制解耦,能满足光学检测装备的要求。
5 结论
(1)国内外在光学检测装备的研究上已经取得了一定的成果,并且开发出了一些针对于不同光电产品的光学检测装备。对于不同的应用场合,可采用相应的检测装置:当光电产品尺寸较小且检测过程中不需要变换角度时,可采用光学检测流水线;当待检测的光电产品尺寸较大时,可以采用X-Y-Z串联式卫星太阳能电池板光学检测装置;当必须变换角度才能检测出缺陷时,则采用串联式五自由度机械手或直角坐标机器人检测装置;当检测物为大幅面光电产品时,可采用本文提出的并联式检测载物台。
(2)笔者设计了平面三自由度、空间三自由度、空间五自由度、空间六自由度4种新型并联运动光学检测载物平台。这些平台可代替目前的五自由度、六自由度多关节机器人和直角坐标型机器人来进行大幅面光电产品的检测,并且这些平台都具有结构简单、控制解耦、检测成本低、检测效率高等优点。基于图16的实验样机正在研制中。
光电产品 篇3
在当今电子设计领域,由集成电路芯片构成的电子系统朝着大规模、小体积、低电压、高速度的方向飞速发展,导致电路的布局和布线密度变大,同时信号的频率仍在不断提高。采用降低电压的办法不仅可以减少高密度集成电路的功率消耗和芯片内部的散热,有助于提高集成度,而且可以提高信号频率、降低信号间的串扰,是集成电路发展的一个方向。而采用LVDS(Low Voltage Differential Signaling)传输则可以有效克服共模噪声,可用于远距离高速信号传输。
1 LVDS 技术简介
LVDS (Low Voltage Differential Signaling)是一种低摆幅的差分信号技术,它使得信号能在差分PCB线对或平衡电缆上以几百Mb/s的速率传输,其低压幅和低电流驱动输出实现了低噪声和低功耗。LVDS 在两个标准中被定义:IEEE P159613 ( 1996 年3 月通过),主要面向SCI(Scalable Coherent Inteface),定义了LVDS 的电特性,还定义了SCI 协议中包交换时的编码;ANSI/ TIA/ EIA - 644 (1995 年11 月通过) ,主要定义了LVDS 的电特性,并建议了655 Mb/s最大速率和11 923 Gb/s的无失真通道上的理论极限速率。在两个标准中都指定了与物理通道无关的特性,这保证了LVDS 能成为多用途的接口标准。
图1给出了典型的LVDS 互连方法。这里使用的是DS90C031 LVDS 驱动器芯片和DS90C032LVDS 接收器芯片,其中DATA INPOUT和DATA OUTPOUT是TTL电平。驱动器和接收器主要完成TTL 信号和LVDS 信号之间的转换。LVDS 驱动器由一个驱动差分线对的电流源组成,通常电流为3 mA。LVDS 接收器具有很高的输入阻抗,因此驱动器输出的电流大部分都流过100 Ω的匹配电阻,并在接收器的输入端产生大约300 mA的电压。当驱动器翻转时,它改变流经电阻的电流方向,接收器产生有效的逻辑“1”和逻辑“0”状态。
应用LVDS具有许多优势:
(1) 高速率。由于LVDS逻辑状态间的电压变化仅为300 mV,因而能非常快地改变状态。例如当信号电平在333 ps内变化300 mV时,压摆率仅0.9 V/ns,低于将信号失真和串扰减到最小时的标准压摆率1 V/ns。如果使用上升和下降时间不大于比特宽度2/3的老标准,那么具有333 ps跃变的信号能在1 Gb/s下工作,仍保有很大的余地。
(2) 低功耗。随着工作频率的增加,LVDS的电源电流仍保持平坦,而CMOS和GTL技术的电源电流则会随频率增加而呈指数上升,这得益于使用恒流线路驱动器。电流源把输出电流限制到约3.5 mA,同时也限制跳变期间产生的任何尖峰电流。由于没有尖峰电流,就有可能获得1.5 Gb/s的高数据率而不明显增加功耗。恒流驱动输出还能容忍传输线的短路或接地,而不会产生热问题。LVDS降低了终端电阻压降,因此还降低了电路的总功耗。
(3) 噪声性能好。LVDS产生的电磁干扰低,这是因为低电压摆幅、低边沿速率、奇模式差分信号,以及恒流驱动器的Icc尖峰只产生很低的辐射。传输通路上的高频信号跳变产生辐射电磁场,场强正比于信号携带的能量,通过减小电压摆幅和电流能量,LVDS把该场强减到最小;差分驱动器引入了奇模式传输,在传输线上流过大小相等、极性相反的电流,电流在该线对内返回,使面积很小的电流回路产生最低的电磁干扰;当差分传输线紧耦合时,串入的信号是作为共模电压出现在接收器输入的共模噪声中,差分接收器只响应正负输入之差,因此当噪声同时出现在2个输入中时,差分信号的幅度并不受影响。共模噪声抑制也同样适用于其他噪声源,比如电源波动,衬底噪声和接地回跳等。
(4) 具有故障安全(fail-safe)特性确保可靠性。LVDS驱动器和接收器还能实现热插拔,因为恒流驱动解决了损坏问题。另一特点是接收器的故障保护功能,它能防止在输入引脚悬空时产生输出振荡。除上述各种优点外,LVDS只需要简单的端接电阻。这些电阻可以集成到芯片之中,与每条传输线配备多个电阻和电容元件相比,大大降低了所需的费用。另外,LVDS能容忍传输线通路微小的阻抗失配,只要差分信号在紧耦合的传输通路中通过平衡不连续处,信号仍能保持其完整性。非阻抗受控连接器、电路板过孔和芯片封装对差分信号的影响要比对单端信号的影响小得多。表1给出了RS 422与LVDS 之间的简单比较,LVDS 的优势是显而易见的。
2 LVDS在某成像光电跟踪产品中的应用
2.1 系统应用简介
某成像光电跟踪产品信息处理平台采用FPGA+DSP的设计框架,结构框图如图2所示。
该信息处理平台在FPGA和DSP外围增加调理电路、A/D装换器、PROM、SBSRAM、DPRAM、FLASH、电源及电源滤波电路等。FPGA+DSP架构最大的特点是结构灵活,适于模块化设计,能有效地提高算法效率,因而非常适用于成像系统的信息处理。从图2可以看出,该系统通过FPGA,利用LVDS标准电路设计完成图像数据的输出。在该系统中, LVDS有三路差分输出,其中两路传送数据(DA,DB),一路传送时钟(C)。传送格式的要求如下:DA(DAX)为发送16位数据线,传送系统给图像采集设备的所有数据。包括每帧开头发送一个帧计数,帧正程发送图像数据(实时图像数据、滤波图像数据及二值像数据,按DSP要求传送)。图像数据为12位或14位,按需要传送。16位数据的分配如下:最高位为奇偶校验位,“1”表示奇数,“0”表示偶数;次高位为正逆扫信号,“1”表示正扫,“0”表示逆扫;在每帧的开头,图像数据输出之前,添加2个验证字——FDB18540,作为接收方判断每帧数据传送的起始点;帧正程开始后,传图像数据14位,如传的是12位图像数,则其14,13位填0,后12位为图像数据。
(2) DB(DBX):发送同步信号,每字同步,与首数据最高位同时发出,宽度为半个时钟C(CX):时钟信号,始终保持。在LVDS设计实现过程中参考XAPP233的设计方法,16位数据通过并转串移位寄存器进行移位处理,将偶数位锁存于传送时钟的上升沿,奇数位锁存于传送时钟的下降沿。其输入/输出采用DDR技术,保证双沿触发。移位寄存器时钟示意图如图3所示。最终输出数据的时钟锁存的位置如图4所示。LVDS电路功能框图如图5所示。
2.2 系统中LVDS设计的要点
该系统中LVDS应用于FPGA+DSP的高速数字处理平台,在设计及调试过程中,曾出现由于终端电阻匹配不当带来的噪声较大的问题、由于通道选择不当带来的信号畸变问题、以及印制板布线不当带来的信号串扰及噪声等问题,通过这些实际问题的解决总结了以下几点。
2.2.1 终端电阻
不管使用的LVDS 传输通道是PCB线对还是电缆,LVDS 要求使用一个与通道相匹配的终端电阻(100±20) Ω,以防止信号在通道终端发生反射,同时减少电磁干扰。该电阻终止了环流信号,应该将它尽可能靠近接收器输入端放置。该系统使用了两个阻值各为50 Ω的电阻串联,并在中间连接点通过一个电容接地,很好地滤去了共模噪声。
2.2.2 通道(电缆和连接器) 选择
使用受控阻抗通道,差分阻抗约为100 Ω,不会引入较大的阻抗不连续性;当电缆长度小于0.15 m时,大部分电缆都能有效工作,当电缆长度在0.15～10 m之间时,CAT3 (Categor 3) 双绞线对电缆效果好(本系统采用该设计),当电缆长度于10 m, 并且要求高速率传输时,建议使用CAT5 双绞线对。
2.2.3 印制板设计
尽量使用多层板设计(该系统最终采用8层PCB板),保证LVDS 信号、地、电源、TTL 信号分处于不同的PCB层,或者至少处于不同的分区;使TTL信号和LVDS信号相互隔离,最好将TTL和LVDS 信号放在电源/地层隔离的不同层上;使LVDS 驱动器和接收器与LVDS端间连接尽可能短。电源层和地层应尽可能使用粗线。
2.2.4 板上导线
微波传输线(microst rip)和带状线(stipline)都有具备良好的性能;前者一般具备更高的差分阻抗,不需要额外的过孔,后者则在信号间提供了更好的屏蔽。
2.2.5 差分线对
差分线对使用与传输媒质的差分阻抗和终端电阻相匹配的受控阻抗线,并且使差分线对离开集成芯片后立刻尽可能地相互靠近(距离小于10 mm),这样能减少反射并能确保耦合到的噪声为共模噪声。使差分线对的长度相互匹配以减少信号扭曲,防止引起信号间的相位差。而且2条差分线之间应尽可能保持平行,以避免差分阻抗的不连续性。不要仅依赖自动布线功能,而应仔细修改以实现差分阻抗匹配并实现差分线的隔离。尽量减少过孔和使用90°折线来改变线迹走向,避免其他引起线路不连续性的因素。
2.2.6 抗噪声设计
如果电缆感应到的噪声超过LVDS 接收器内部线路设计的容限,接收器就会不确定地开关或振荡。在本系统中通过外加电阻来提高噪声容限,如图6 所示。图6中R1,R3是可选的外接电阻,用来提高噪声容限,R1,R3取12 kΩ,R2取100 Ω。
3 结 语
该系统经过内场的高低温、振动、电磁兼容等试验,同时经过外场绕飞、系留及靶试。内外场试验表明,某成像光电跟踪产品利用LVDS稳定可靠地进行了图像数据的传输及测试,解决了高速率、大容量、长距离的图像数据传输问题,并具备良好的电磁兼容性。另外,该项技术不仅在某成像光电跟踪产品中得到可靠验证,目前还被推广应用到其他数据传输系统中。
摘要：针对远距离高速信号传输的需求,提出了利用LVDS传输的实现方法,介绍了LVDS的技术原理和特点,并根据某成像光电跟踪产品的结构组成,详细介绍了该产品中LVDS系统的设计实现,并根据设计及调试过程中曾经出现的问题,总结了终端电阻匹配、通道设计、印制板布线等方面的设计要点及注意事项。通过内外场试验,验证了该产品LVDS通讯设计,不仅解决了高速率、大容量、长距离的图像数据传输问题,并具备良好的环境适应性及电磁兼容性。
关键词：LVDS,差分信号,数据传输,噪声
参考文献
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光电产品 篇4
振动和冲击的风险可能来自所处的工作环境,例如船载电子设备需要经受风浪引起的大幅度低频颠振,车载电子设备要经受路面颠簸导致的随机振动,机载电子设备受到飞机起落的冲击以及气流引发的颤振(如图1),手持式电子光学设备如手机、相机等很可能受到跌落撞击,军用设备则要考虑十分严酷的爆炸冲击.即使是在安静的环境中使用的电子产品,也要保证能够承受产品运输、装卸过程中的振动和冲击的风险.电子系统如果受到严重的冲击或者振动将很容易造成损坏.汽车温度传感器或燃油指示器发生故障,将会误导驾驶者;而手机或相机坠落损坏则会使旅游大煞风景.这些故障导致人员伤亡的可能性很小;但是如果飞机或船舶的航行操作系统因冲击或振动而发生电子故障,那么成百上千人的生命都会因此受到威胁.
1 电子产品的材料与结构
微电子与光电设备在振动和冲击作用下的损坏大都表现为电路故障,其内部原因则是应力作用下的材料断裂.材料断裂可能发生在设备结构的不同层面.微电子与光电设备的结构可以大致分为3层,即元器件、电路板和外壳或机箱(如图2).许多不同类型的材料,如合金、陶瓷、塑料、玻璃和胶黏剂,在商业、工业、军事上被用来制造和合成为许许多多不同类型的电子元器件.这些元器件以表面贴装或插孔的方式焊接到印刷电路板(printed circuit board,PCB)上.PCB是由多层绝缘基材与铜箔压制而成.其中绝缘基材以玻璃纤维、布织物料及树脂组成,为系统提供机械支撑.铜箔则经过蚀刻成细小线路,担负传送信号与散热的功能.根据铜箔层的数量,PCB一般拥有2到8个层.在储存、运输和在严峻的振动冲击、高温高湿条件下操作的时候,PCB必须能够很好地保护电子组件的良好运作.多块PCB板通常装配在外壳机箱的内壁上来相互连接,保护PCB板不受外界环境干扰,同时将内部过多的热量带到外部环境中去.
2 振动与冲击对电子产品的损害
振动和冲击的重要性,主要表现在全局性和严酷性两方面.一般来讲结构在外部静态载荷下,承载部位较容易发生应力集中而损坏.因此对于微电子与光电设备来说,足够牢固的外壳或机箱就能保护内部PCB板和器件层的完好.对于这些问题,工程师凭借简单的材料力学知识或者设计经验就能大部分解决.然而,在动态环境下,系统内外所有的组分都会因为惯性而承受动力载荷.例如质量为500 g的PCB板,在1 500 g(g为重力加速度)的加速度冲击下,惯性力相当于7 500 N,约十多个成年人的重量瞬间全部压在该PCB板上.尤其要注意的是,惯性力的作用还会影响设备内部的细小和敏感部位,如陶瓷电容、焊点、焊线、光学元件等,使之发生断裂,从而导致电路故障.因此,从力学专业角度来看,外观非常牢固的设备并不一定能够抗得住振动和冲击的工作环境.以笔记本电脑为例,根据International Data Corporation 1998年调查统计分析显示,超过60%的笔记本电脑损坏与携带途中跌落有关(图3(a)).Technology Business Research Inc.2001年的调查也表明引起笔记本电脑故障最主要的3种原因为:携带途中跌落、跌落物件的冲击和由桌面坠落(图3(b)).
3 振动与冲击的测试方法
为了使得产品能够经受可能的振动和冲击环境,工程师在设计新产品之初就要考虑元器件和结构的动态可靠性.首先,设计人员会根据设备所处环境确定在采购元器件时,需要供应商提供的器件满足某种级别的振动和冲击测试.其次,对产品原型需要进行整体的振动、跌落和冲击试验来确保产品的质量合乎要求(见图4).可供参考的工业测试标准有GB,ASTM,ISTA,MIL,EN,IEC,ETSI,JIS,SAE,JASO,IEC,ISO,AEC等.最常使用的振动方式可分为正弦振动和随机振动两种.正弦振动又分为扫频振动和定频振动两种,其严苛程度取决于频率范围、振动幅值和试验持续时间.随机振动则是模拟产品整体性结构耐震强度评估以及在包装状态下的运送环境,其严苛程度取决于频率范围、加速度均方值、试验持续时间和轴向.跌落试验测试方法是将试件提升到一定高度释放,使之自由下落撞击到地面.不同级别的测试对实施的跌落高度、角度、跌落次数、地面材料(钢板或水泥地面)等有不同要求.冲击试验则是将试件安装在冲击试验机的载物台上,使试件与台面一起以一定速度撞击到特定的砧板上,产生规定的加速度脉冲.冲击试验适用于产品零部件等的脆值测试.文献[1]对后两项试验有详细的介绍.
4 振动与冲击的响应和防护
微电子与光电设备的动力可靠性如此重要,传统的“试错法”,即“原型—试验—改进原型—再试验”的设计方法已不能满足对新产品研发周期和成本的要求,需要专业的研发工程师与科研人员对此进行深入研究.
振动方面,Steinberg[2,3]长期研究电子产品的振动与热疲劳,利用梁结构模型简化分析并总结了电路板固有频率、位移、振动疲劳寿命、高低温疲劳寿命等的计算公式.Suhir研究了电子和光电产品结构在随机振动下的响应[4],还分析了表面贴装较重电子器件的电路板的振动响应[5].他在分析过程中将电路板简化为两边固支的梁,重器件简化为刚体,两者之间为梁连接,在此基础上讨论了简化系统在振动环境下的响应以及连接处承受的最大弯矩.
冲击方面,目前大部分已发表的文献中均采用简单的无阻尼器或有阻尼器的质量弹簧模型来研究电子产品的冲击响应.Newton[6]系统地分析了单个自由度模型的冲击响应.在Newton的模型中,需要被保护的部件被理想化为具有一定质量的刚体,部件的冲击隔离装置简化为弹簧-阻尼器单元,外部的冲击则表现为一个外加的加速度脉冲.隔离装置的有效性表现为冲击传递性,即传递到部件上的最大力.根据这一分析结果,Newton[7]于1968年提出了损坏边界理论,即产品的脆值由两个参数决定,临界速度和临界加速度,当且仅当冲击速度和冲击加速度均超过临界值时,产品才可能破坏(如图5).作为测量产品抗冲击性能的唯一简单可行的理论,这个结果迅速被ASTM(American Society for Testing and Materials)采用到其测试标准中.
新加坡国立大学的Lim和他的研究小组[8,9,10]进行了一系列的实验观察各种不同型号的手机和PDA(Personal Digital Assistant)在跌落冲击下的响应.在他们的实验中,比较了不同产品在不同碰撞角度下,电路板上的应变和加速度、冲击力等的响应.实验发现,水平方向的冲击通常能引起最大的冲击力和印刷电路板PCB的加速度和应变响应,因而是最值得注意的.然而,由于产品在结构设计上的差异,各产品的响应不同且不具有可比性.
以手机跌落为背景,周春燕和余同希等对电子产品的冲击进行了系统的实验和深入的分析[11],设计了冲击试验系统,针对典型的电子产品结构进行了观测.试验装置采用了刚性单摆头上安装高速气爪来控制试件的冲击速度和角度,并利用Hopkinson杆的原理测量冲击力脉冲.试验时让单摆从一定角度释放,在试件撞击Hopkinson杆前的瞬间气爪张开释放试件,使试件以预先设定的角度自由撞击Hopkinson杆(图6).试验测量了不同高度和不同角度撞击下,地面与外壳间的冲击力和电路板上不同位置的应变.建立了刚性外壳加柔性PCB的模型分析了冲击力、冲击速度与高度、角度、质量之间的依赖关系,理论分析与实验结果比较吻合.在理论模型中,将试件外壳假设为刚体,试件与地面的接触采用Hertz接触弹簧,这样通过Hertz接触定律同冲击过程以及刚体动力学结合起来建立模型来预测试件的总体响应.试件内部PCB的响应则通过PCB与刚体连接处的加速度决定.
周春燕和余同希等[12]还分析了产品级跌落试验与部件级的冲击试验条件的相关性问题.分析指出,产品跌落冲击过程中因旋转运动的角加速度的存在,不同位置的加速度值是不一样的,而部件级冲击台测试中部件各部分承受相同加速度,因此,为了真实反映实际冲击条件,在冲击台测试中需要仔细考虑支撑条件的影响.周春燕等[13]对不同结构的冲击响应分析表明,为了防护坠落冲击带来的破坏,在外壳贴上柔软材料以延长冲击时间是有效的方式;而在结构内部添加软垫有时会使内部共振周期与冲击时间相近,使得冲击后果恶化.值得注意的是,冲击情况下增加电路板厚度并不能改变电路板上的最大应力,因此增加厚度不能缓解电路板表面的铜线断裂.
研究发现,电路板与芯片之间的细小焊球在振动和冲击中较容易发生破坏[14],因此焊球的冲击强度备受各国研究者的关注.Tan和Field等[15,16,17]在研究多种无铅焊料的动态力学性能时,通过试验发现,随着应变率的增加,焊球材料的屈服强度也增大,因此传统的准静态测量方法不可能准确反映焊球在真实冲击条件下的响应.香港科技大学的Song和Lee等[18,19,20]采用DAGE公司开发的焊球高速拉-削测试设备对不同材料的焊球测试了冲击强度.测试结果也表明当加载速度从10 m/s变化到3 000 m/s时焊点主要断裂方式从塑性断裂转变为脆性断裂,并且高温处理时间越长,焊点与焊盘间的金属间化合物层(Intermetallic Compound,IMC)越厚,发生脆性断裂的概率越高.加州理工学院喷气推进实验室的Ghaffarian博士[21]提出了针对不同面阵列封装的热疲劳、振动和冲击的一系列可靠性试验.热疲劳试验表明封装的尺寸、厚度、外形、内部芯片的贴装方式以及焊点数量对热疲劳周期寿命都有较大影响,芯片级封装的底部填充可能改善或恶化封装的热疲劳寿命.热疲劳与振动综合实验结果表明,经过振动和热疲劳试验的试件,裂纹通常在焊点上下两面都出现.跌落试验结果显示,表面处理用焊锡膏比用助焊剂更能提高封装的抗冲击性.
读写数据的硬盘是电子产品中最为精密同时也是最容易被振动和冲击损坏的装备.硬盘存储部分由多组盘片和磁头组成.盘片是在铝合金或玻璃基底上涂敷很薄的磁性材料、保护材料和润滑材料等多种不同功能的材料层加工而成,在运行过程中由盘片电机带动以设定的速度高速转动.磁头同金属磁头臂等组成一个组件,在音圈电机的带动下根据读写数据的需要在盘片径向做往复运动来定位.磁头在工作的过程中并不与盘片接触,而是在盘片高速旋转带动的空气动力的作用下,以很接近的高度悬浮在盘片上面飞行,就像超音速飞机贴着地面飞行一样.为了提高磁头的灵敏度,磁头的悬浮高度在不断降低,只有几微米.硬盘在工作时,一旦发生较大的震动,就容易造成磁头与资料区相撞击导致盘片资料区损坏或刮伤磁盘,丢失硬盘内所储存的文件数据.Allen和Bogy[22]设计了一种单轴冲击测试装置,测量了硬盘基座、磁头臂与磁头滑块的响应,并采用有限元方法进行数值模拟作比较.研究表明,盘片的材料属性对可能的冲击损坏有影响,因为盘片的频率和响应幅度的改变会影响磁头和盘片相对速度,当盘片与磁头振动相位相反时,它们碰撞接触的可能性会增加.Harrison和Mundt[23]将磁头与磁头臂简化为多自由度质量弹簧系统,磁头与盘片之间的气膜形成的空气轴承采用GreenwoodWilliamson接触模型,以此研究了硬盘在机械冲击作用下磁头的悬浮高度的响应.他们首先进行了冲击试验,测量了冲击脉冲作用下盘片的速度和位移响应,并将响应数据代入到模型中计算磁头高度的响应,结果表明引入盘片响应后的高度响应比不计盘片响应要高出许多.Shu等[24]对硬盘进行了跌落冲击的有限元数值模拟计算,发现一种“类共振”现象,即施加不同时间宽度的半正弦加速度脉冲,在脉冲频率与系统固有频率比值约为0.6时,相对位移达到最大值.他们用单自由度质量弹簧系统分析解释了该现象.Shi等[25]研究了冲击脉冲的形状对磁头读写臂响应的影响,研究表明磁头与盘片之间相对位移最大值由冲击脉冲在基频上的能量决定
一些特殊用途的微机械装置要求能够承受高达60 000 g的冲击,例如汽车或飞机的黑匣子,军事用途的引信装置等等.针对这种装置加州大学伯克利分校的Yoon教授[26]总结了各种冲击隔离材料和机理:(1)利用黏弹性材料如橡胶、高分子聚合物、聚氨酯、环氧树脂、珐琅等,较低的剪切模量(100 kPa∼100 MPa)和较高的的损耗因子(大于2)来缓解冲击,然而这种材料在低温和高温条件下容易因为退化或脆化而失效;(2)利用硅油、油脂等黏性流体流过特殊设计的孔洞或环面来耗散冲击能量,例如汽车的减震器;(3)利用涡流(Foucault电流)效应来缓冲的磁阻尼器;当磁场源接近导体时,由于磁场变化导体上会产生电涡流,电磁效应会产生排斥磁场源靠近的力;(4)利用孔隙中松散的颗粒物之间摩擦和颗粒物的变形来吸收能量的缓冲装置;(5)利用智能材料如压电材料、磁流变液、电流变液、磁致伸缩材料来缓解冲击;(6)受啄木鸟头颅坚硬的头盖骨内侧海绵状软骨结构的启发,将冲击敏感设备放在充满微颗粒的金属外壳内的方法来缓解冲击,这种方法能过滤冲击脉冲的高频成分保留低频成分从而达到缓冲目的[27].Yoon等[28]对这种结构进行了气枪试验,表明该结构能保护微机械装置避免60 000 g的冲击损坏.
5 对冲击动力学提出的新课题
值得注意的是,不同于一般机械结构,电子和光电产品对振动和冲击的动力响应表现为多层次、多尺度、多种材料、复杂介质的问题.多层次表现为外来的振动和冲击载荷脉冲是从外壳传到PCB,再传到微器件上去的,因而它们之间的连接方式、连接材料就起到重要作用.多尺度表现为从宏观尺度的结构(如外壳)到微尺度的焊球,由于尺度的极大差异,即使是同一材料,其行为也不再相同;在微尺度下应变梯度效应和应变率效应更显著,等等.复杂介质的模拟也是很大的挑战,特别是薄薄的粘接层,无论是进行材料试验或是有限元模拟都有很大难度,难以验证.新材料在复杂工作环境(随机载荷、高频、高温、高应变率、大变形)下的动力特性需要大量实验来测定,而大多数现有的实验室都并不具备相应的能力.因此,对于电子和光电产品的动力学响应问题,需要大量的实验、理论和计算研究.尤其迫切的是,要发展特殊的实验装置和测试手段,建立复杂介质在复杂工作环境下性能的数据库,并针对电子和光电产品的振动和冲击问题提出创新的理论模型和计算方法.
6 结语