Design and modelling of planar inductor arrays and electromagnetic compatibility analysis of organic light emitting diode luminaries
Organic Light-Emitting Diode (OLED) luminaries are planar, diffuse light sources which are powered by DC-DC converters which may use planar inductors to achieve low profile. A number of challenges are present when designing a planar inductor. Some of the challenges stem from the inductor itself, whi...
| Permalink: | http://skupni.nsk.hr/Record/fer.KOHA-OAI-FER:47485/Details |
|---|---|
| Glavni autor: | Kundrata, Jurica (-) |
| Ostali autori: | Barić, Adrijan (Thesis advisor) |
| Vrsta građe: | Knjiga |
| Jezik: | hrv eng |
| Impresum: |
Zagreb :
J. Kundrata, Fakultet elektrotehnike i računarstva,
2017.
|
| LEADER | 17303nam a22001937a 4500 | ||
|---|---|---|---|
| 005 | 20180206144215.0 | ||
| 008 | 180206s2017 ci ||||| |||| 00| 0 hrv d | ||
| 040 | |a HR-ZaFER |b hrv |c HR-ZaFER |e ppiak | ||
| 041 | |a eng | ||
| 100 | |9 38976 |a Kundrata, Jurica | ||
| 245 | |a Design and modelling of planar inductor arrays and electromagnetic compatibility analysis of organic light emitting diode luminaries : |b doctoral thesis / |c Jurica Kundrata ; mentor Adrijan Barić | ||
| 260 | |a Zagreb : |b J. Kundrata, Fakultet elektrotehnike i računarstva, |c 2017. | ||
| 300 | |a 187 str. : |b ilustr., graf. prikazi ; |c 30 cm + |e CD | ||
| 504 | |a Bibliografija str. 165-174. | ||
| 520 | |a Organic Light-Emitting Diode (OLED) luminaries are planar, diffuse light sources which are powered by DC-DC converters which may use planar inductors to achieve low profile. A number of challenges are present when designing a planar inductor. Some of the challenges stem from the inductor itself, while the other challenges are related to the OLED driver requirements, the electromagnetic compatibility (EMC) and the OLED construction. Large-area luminaries may consist of multiple OLED cells and their converters, which stresses the importance of the EMC considerations. The optimization of the planar inductor design takes into account both the OLED driver requirements and the electromagnetic compatibility issues, and results in the inductor design which introduces minimum power losses in the OLED driver for a given level of radiated emissions. It is concluded that the optimal inductor designs are located along the resonant frequency limit. An analytical model of the radiated emissions is developed with respect to the electromagnetic field of an array of planar inductors, which represents the large-area OLED luminary. Measurements by Large Loop Antenna of a number of single-coil and double-coil planar inductors show that the model has an overall error of ~1 dB and an error of -3/+2 dB when the inductors are positioned over a conductive plane. Measurements on a wall luminary consisting of four OLED cells show that the radiated emissions of the individual OLED drivers should be smaller than the CIPSR limit value divided by the number of OLED cells in the large-area luminary. The ferrite layers are used to improve the performance of the planar inductor in the OLED luminary, but the geometry of the luminary limits the area of the ferrite layers. The magnetic modelling and measurements of the single-coil and double-coil inductor designs show that the double-coil design represents a more compact and cost-effective design for ferrite layers of limited area. The ferrite polymer compound (FPC) layers increase the quality factor of the planar inductor by up to 60%, while maintaining a high resonant frequency which leads to an increased efficiency of the OLED driver. Thinner layers of FPC with higher ferrite content are shown to be more cost-effective. Keywords: planar inductor, inductor design, electromagnetic compatibility, DC-DC converters, ferrite layers, ferrite polymer compounds | ||
| 520 | |a Fleksibilna elektronika je primjena elektroničkih sklopova na supstratima kao što su folije polietilen tereftalata (PET) ili vrlo tanke tiskane pločice. Fleksibilnost također podrazumijeva da je sklop vrlo tanak, odnosno da je niskog profila. Suvremeni primjer područja fleksibilne elektronike je organska elektronika velike površine (engl. Organic Large Area Electronics, OLAE). To područje elektronike uključuje fleksibilne zaslone, solarne ćelije i rasvjetna tijela te je od posebnog značaja za europsku istraživačku zajednicu. Primjer projekta koji pripada OLAE području je FP7 projekt IMOLA (engl. Intelligent light Management for OLED on foil Applications). Koncept tog projekta temelji se na rasvjetnom tijelu s pametnim upravljanjem koje koristi organske svjetleće diode (engl. Organic Light-Emitting Diode, OLED). OLED rasvjetno tijelo velike površine može se sastojati od niza OLED ćelija. Pogonski sklop OLED ćelije smješten je u njenoj neposrednoj blizini kako bi se smanjili gubitci na linijama napajanja. Time se ujedno smanjuje ukupna potrošnja uređaja. Linije izvora napajanja koriste veći iznos napona i istosmjerni (engl. Direct Current, DC) DC-DC pretvarač prilagođava razinu napona na razinu koja je potrebna pojedinim OLED ćelijama. Zasebni pogonski sklopovi koji pogone OLED ćelije omogućavaju veću efikasnost i neovisno upravljanje pojedinim OLED ćelijama. Linearni regulator može se koristiti za prilagodbu razine napona, ali se češće koristi prekidački regulator jer ima veću efikasnost. Silazni prekidački pretvarač koristi se za pretvaranje naponskih razina u OLED rasvjetnom tijelu i on tvori OLED pogonski sklop. U silaznom pretvaraču koristi se zavojnica kao element za pohranu energije i filtriranje izlazne struje. Primjena zavojnica u OLED rasvjetnim tijelima ograničena je na planarne zavojnice zbog zahtjeva za niskim profilom čitavog rasvjetnog tijela. Integracija OLED ćelije, silaznog pretvarača i prateće zavojnice na supstratu postavlja niz izazova u projektiranju rasvjetnog tijela. Geometrija OLED rasvjetnog tijela postavlja prostorna ograničenja na sve elemente uključujući i zavojnicu. Silazni pretvarač postavlja niz zahtjeva na električna svojstva zavojnice, a zavojnica je u ovom slučaju izvor zračenih smetnji. Planarna zavojnica mora imati dovoljno velik iznos induktiviteta i dovoljno visoku rezonatnu frekvenciju kako bi silazni pretvarač nesmetano radio. Planarna zavojnica nije idealan element i unosi gubitke snage u silaznom pretvaraču. Ti gubitci snage moraju se minimizirati tokom projektiranja planarne zavojnice kako bi se postigla visoka efikasnost silaznog pretvarača. Izlazna struja silaznog pretvarača uključuje i izmjeničnu komponentu koja teče zavojima planarne zavojnice. Namoti planarne zavojnice tada se ponašaju kao kružne antene i zrače smetnje u okolni prostor. OLED rasvjetno tijelo velike površine sastoji se od niza OLED modula i može se opisati kao antenski niz s elektromagnetskog stajališta. Elektromagnetska svojstva pojedinih OLED modula, kao i elektromagnetska svojstva niza OLED modula moraju se ispitati kako bi se osigurala njihova elektromagnetska kompatibilnost. Elektrode OLED ćelije, posebice katoda, predstavljaju velike vodljive površine koje se nalaze u neposrednoj blizini planarne zavojnice. Izmjenično magnetsko polje planarne zavojnice inducira vrtložne struje u vodljivoj površini što rezultira smanjenjem induktiviteta i povećanjem otpora planarne zavojnice. Magnetski tok koji stvara planarna zavojnica mora se preusmjeriti od elektroda OLED ćelije kako bi se smanjili ili eliminirali negativni utjecaji elektroda na planarnu zavojnicu. To se može postići primjenom savitljivog, nevodljivog magnetskog materijala. Primjer takvog materijala je mješavina feritnih čestica i polimera, tj. feritno-polimerni kompozit (engl. Ferrite-Polymer Composite, FPC). Feritno-polimerni kompozit se sastoji od polimerne osnove u koju su umiješane feritne čestice mikronske veličine. Feritne čestice omogućuju dobra magnetska svojstva, dok polimerna osnova osigurava nevodljivost i fleksibilnost kompozita. U prvom poglavlju rada opisani su izazovi vezani uz projektiranje zavojnice koja se koristi u silaznom DC-DC pretvaraču koji pogoni OLED rasvjetno tijelo. Drugo poglavlje analizira svojstva planarne zavojnice koja utječu na efikasnost pretvarača i elektromagnetsku kompatibilnost rasvjetnog tijela. Izvedba zavojnice temeljena je na kooptimizaciji električnih i elektromagnetskih karakteristika planarne zavojnice. Električne karakteristike optimizirane su s obzirom na tzv. modificirani faktor kvalitete Q* koji opisuje gubitke vezane uz rad silaznog DC-DC pretvarača. Ti gubitci uključuju istosmjerne i izmjenične omske gubitke na planarnoj zavojnici, kao i dinamičke gubitke u silaznom pretvaraču koji su vezani uz parazitni kapacitet planarne zavojnice. Elektromagnetske karakteristike optimizirane su s obzirom na magnetski moment m koji generira namot planarne zavojnice. Probni eksperiment u dvije razine pokazuje da širina tiskanih veza i faktora ispune planarne zavojnice imaju najveći efekt na njena svojstva. Zaključeno je da se faktor kvalitete povećava povećanjem širine tiskanih veza, dok je magnetski moment najosjetljiviji na promjene induktiviteta planarne zavojnice. Modeliranje zavojnice temelji se na elektromagnetskim simulacijama koje su verificirane mjerenjima na nekoliko izvedbi planarne zavojnice. Fronta optimalnih izvedbi planarnih zavojnica formira se duž granice minimalne rezonantne frekvencije. Optimizacija pokazuje da smanjivanjem zračenih smetnji, tj. magnetskog momenta planarne zavojnice, smanjuje se faktor kvalitete što vodi povećanim gubitcima snage. Sve optimalne izvedbe zavojnice imaju slične induktivitete. OLED rasvjetno tijelo velike površine sastoji se od niza pojedinačnih OLED ćelija i njihovih pogonskih sklopova. Treće poglavlje analizira slučaj kada OLED pogonski sklop koristi planarnu zavojnicu i visoku radnu frekvenciju (> 1 MHz) što uzrokuje znantne zračene smetnje. S obzirom na zračene smetnje OLED rasvjetno tijelo velike površine prikazuje se kao niz planarnih zavojnica. Kako bi se izbjegle spore numeričke simulacije niza planarnih zavojnica, razvijen je analitički model zračenih smetnji. Prvo su modelirane zračene smetnje, tj. struja velike kružne antene s obzirom na elektromagnetsko polje niza planarnih zavojnica. Elektromagnetski model niza planarnih zavojnica razvijen je u nekoliko koraka pomoću magnetskog vektorskog potencijala uz kvazi-statičke aproksimacije. Razvoj modela započinje modeliranjem elementarne strujne petlje. Taj model je primjenjen na nekoliko izvedbi zavojnica i konačno na niz planarnih zavojnica. Razvoj modela također uključuje slučaj kada se planarna zavojnica nalazi iznad metalne površine. Taj model razmatra zrcalne struje u metalnoj površini i koristi zrcalni koeficijent kako bi ih kvantificirao. Efekti metalne površine konačne veličine su analizirani pomoću gustoće magnetskog naboja, dok su efekti konačne debljine i konačne vodljivosti povezani sa skin-efektom i modelirani su pomoću efektivne kompleksne magnetske permeabilnosti. Razvijeni modeli verificirani su mjerenjima pomoću velike kružne antene. Planarne zavojnice s jednim i dva namota koriste se za verifikaciju modela zračenih smetnji. Verifikacija je pokazala da je pogreška modela približno ~1 dB. Efekti metalne površine na zračene smetnje planarne zavojnice također su verificirani. Usporedba mjerenih i modeliranih zračenih smetnji pokazuje pogrešku od približno +3/-2 dB što zadovoljava granice greške svojstvene mjerenjima elektromagnetske kompatibilnosti. Na kraju je model zračenih smetnji niza zavojnica verificiran na OLED rasvjetnom tijelu koje se sastoji od četiri OLED ćelija i njihovih pogonskih sklopova. Uz potvrdu ranijih zaključaka verifikacije modela zračenih smetnji, ova mjerenja su također analizirala zračene smetnje u vremenskoj domeni. Analiza u vremenskoj domeni pokazala je da su frekvencije OLED pogonskih sklopova raspršene i da su njihove faze nekorelirane i uniformno distribuirane. Mjerenja su pokazala da su OLED pogonski sklopovi nesinkronizirani. Mjerenja su također pokazala da su zračene smetnje pojedinih OLED rasvjetnih tijela nedeterminističke jer se radne frekvencije OLED pogonskih sklopova rasipaju po normalnoj razdiobi. Vjerojatnost da se zračene smetnje preklapaju ovisna je o omjeru standardne devijacije radne frekvencije i širini frekvencijskog pojasa rezolucijskog filtra koji se koristi u mjerenjima elektromagnetske kompatibilnosti. Vjerojatnost preklapanja zračenih smetnji geometrijski se povećava u odnosu na broj OLED modula koji se koriste u rasvjetnom tijelu velike površine. Vjerojatnost višestrukog preklapanja zračenih smetnji eksponencijalno se smanjuje s brojem preklapanja. Statistički model pokazuje kako se zračene smetnje pojedinih OLED modula odnose prema ukupnim smetnjama rasvjetnog tijela velike površine i koliko su usklađene u odnosu na norme elektromagnetske kompatibilnosti. Statistički model i prateći numerički eksperimenti određuju smjernice pri projektiranju planarne zavojnice koja se koristi u modulima OLED rasvjete velike površine. Smjernice predlažu da se pojedini OLED moduli trebaju izvesti tako da se preklapanje zračenih smetnji očekuje, ali da je broj preklapanja smetnji bitno manji od broja modula u rasvjetnom tijelu velike površine. Četvrto poglavlje razmatra primjenu feritnih slojeva u planarnim zavojnicama u OLED rasvjetnom tijelu. Feritni slojevi koriste se kako bi se povećao induktivitet planarne zavojnice u silaznom DC-DC pretvaraču i time se povećava efikasnost OLED pogonskog sklopa. Izvedba planarnih zavojnica s feritnim slojevima istražena je u dva koraka. U prvom koraku je izvedba namota planarne zavojnice istražena s obzirom na konačne dimenzije primijenjenog feritnog sloja. U sljedećem je koraku istražena izvedba ferita, odnosno feritno-polimernih kompozita. Proučavanje slojeva FPC-a temelji se na analizi utjecaja parametara tih slojeva na svojstva planarne zavojnice. Istraživanje izvedbe namota zavojnice pokazalo je da veličina namota treba biti slična veličini feritnih slojeva u slučaju kada su zbog ograničenog prostora korišteni feritni slojevi konačnih dimenzija. Dio magnetskog toka kojeg stvara zavojnica propušta se u okolni zrak i feritni slojevi se tada smatraju konačnim s obzirom na planarnu zavojnicu. Izvedbe zavojnica s jednim ili dva namota modeliraju se i uspoređuju pomoću modela magnetskih krugova. Analiza magnetskih krugova pojednostavljena je i uzima u obzir simetričnost izvedbe zavojnice i pretpostavku da su magnetske reluktancije zraka mnogo veće od magnetskih reluktancija tiskane pločice, koje su mnogo veće od magnetskih reluktancija feritnih slojeva. Verifikacija modela provedena je elektromagnetskim simulacijama i mjerenjima. Mjerenja su pokazala da izvedba s dva namota ima maksimalni induktivitet koji je do 80% veći od induktiviteta izvedbe s jednim namotom. Također, izvedba s dva namota ima do 10% veći faktor kvalitete od izvedbe s jednim namotom, ali izvedba s dva namota ima manju struju zasićenja. Izvedba zavojnice s dva namota stoga predstavlja kompaktniju i isplativiju izvedbu za danu površinu feritnih slojeva naspram izvedbe s jednim namotom. Analiza efekata FPC slojeva pokazuje da primjena FPC slojeva povećava faktor kvalitete planarne zavojnice do 60%, dok rezonatna frekvencija zadržava vrijednosti koje su mnogo veće od vrijednosti potrebnih za normalan način rada OLED pogonskog sklopa. Te promjene u svojstvima planarne zavojnice predstavljaju značajno poboljšanje s obzirom na primjenu zavojnice u silaznom DC-DC pretvaraču jer povećanje faktora kvalitete dovodi do povećanja efikasnosti OLED pogonskog sklopa. Opaženo je da varijacije parametara FPC slojeva stvara relativno male efekte na mjerena svojstva planarne zavojnice. Nadalje, procjena magnetske permeabilnosti i električne permitivnosti, koja je temeljena na numeričkim modelima, pokazuje da korišteni feritno-polimerni kompoziti imaju malu relativnu permeabilnost µR ≈ 10. Istraživanje ekonomije FPC slojeva sugerira da je najisplativije koristiti tanje FPC slojeve s većim udjelom feritnih čestica. Proučavanje parametara izvedbe namota pokazuje da su induktivitet i otpor planarne zavojnice usko povezani s brojem namotaja koji je određen širinom veza namota i faktorom ispune. Efekti širine vodova namota na otpor zavojnice naglašeni su jer uski tiskani vodovi uzrokuju povećanje otpora planarne zavojnice. Efekti na rezonantnu frekvenciju povezani su s efektima na induktivitet. Izvedba zavojnice koja ima visoki induktivitet ima nisku rezonantnu frekvenciju. Faktor kvalitete predstavlja omjer induktivteta i otpora planarne zavojnice te stoga pokazuje kompleksan odnos s obzirom na širinu tiskanih vodova i faktor ispune. Maksimalni faktor kvalitete u ovim mjerenjima postignut je za izvedbe planarnih zavojnica s najvećim brojem namotaja, odnosno za izvedbe planarne zavojnice koje imaju malu širinu tiskanih vodova i visok faktor ispune. Peto poglavlje daje pregled najvažnijih zaključaka istraživanja, dok šesto poglavlje sadrži dodatke koji uključuju električno-termičku analizu OLED rasvjetnog tijela i pregled normi koje definiraju elektromagnetsku kompatibilnost rasvjetnih tijela. Doprinosi ovog rada uključuju: električni i elektromagnetski model planarne zavojnice niskog profila koja se koristi u silaznom DC-DC pretvaraču u OLED rasvjetnom tijelu, elektromagnetski model niza zavojnica za procjenu zračenih smetnji OLED rasvjetnih tijela velike površine i model feritnih slojeva primjenjenih na planarne zavojnice niskog profila. Ključne riječi: planarna zavojnica, dizajn zavojnica, electromagnetska kompatibilnost, DC-DC pretvarači, feritni slojevi, feritno-polimerni kompoziti | ||
| 700 | |4 ths |9 10368 |a Barić, Adrijan | ||
| 942 | |2 udc |c D | ||
| 999 | |c 47485 |d 47485 | ||