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Los aditivos y los procesos de impresión a baja temperatura pueden integrar varios dispositivos electrónicos que consumen y consumen energía en sustratos flexibles a bajo costo. Sin embargo, la producción de sistemas electrónicos completos a partir de estos dispositivos generalmente requiere dispositivos electrónicos de potencia para convertir entre los distintos voltajes operativos de los dispositivos. Los componentes pasivos (inductores, capacitores y resistencias) realizan funciones como filtrado, almacenamiento de energía a corto plazo y medición de voltaje, que son esenciales en la electrónica de potencia y muchas otras aplicaciones. En este artículo, presentamos inductores, capacitores, resistencias y circuitos RLC serigrafiados sobre sustratos plásticos flexibles, e informar el proceso de diseño para minimizar la resistencia en serie de los inductores para que puedan usarse en dispositivos electrónicos de potencia. Luego, el inductor y la resistencia impresos se incorporan al circuito regulador de refuerzo.Fabricación de diodos emisores de luz orgánicos y baterías flexibles de iones de litio.Se utilizan reguladores de voltaje para alimentar los diodos de la batería, lo que demuestra el potencial de los componentes pasivos impresos para reemplazar los componentes tradicionales de montaje en superficie en aplicaciones de convertidores CC-CC.
En los últimos años se ha desarrollado la aplicación de diversos dispositivos flexibles en productos electrónicos portátiles y de gran superficie y en el Internet de las cosas1,2. Estos incluyen dispositivos de recolección de energía, como los fotovoltaicos 3, piezoeléctricos 4 y termoeléctricos 5;dispositivos de almacenamiento de energía, tales como baterías 6, 7;y dispositivos que consumen energía, como sensores 8, 9, 10, 11, 12 y fuentes de luz 13. Aunque se han logrado grandes avances en fuentes y cargas de energía individuales, combinar estos componentes en un sistema electrónico completo generalmente requiere electrónica de potencia para superar cualquier desajuste entre el comportamiento de la fuente de alimentación y los requisitos de la carga. Por ejemplo, una batería genera un voltaje variable según su estado de carga. Si la carga requiere un voltaje constante, o superior al voltaje que la batería puede generar, se requiere electrónica de potencia. La electrónica de potencia utiliza componentes activos (transistores) para realizar funciones de conmutación y control, así como componentes pasivos (inductores, condensadores y resistencias). Por ejemplo, en un circuito regulador de conmutación, se utiliza un inductor para almacenar energía durante cada ciclo de conmutación. , se usa un capacitor para reducir la ondulación del voltaje y la medición del voltaje requerida para el control de retroalimentación se realiza usando un divisor de resistencia.
Los dispositivos electrónicos de potencia que son adecuados para dispositivos portátiles (como el oxímetro de pulso 9) requieren varios voltios y varios miliamperios, generalmente funcionan en el rango de frecuencia de cientos de kHz a varios MHz y requieren varios μH y varios μH de inductancia y capacitancia μF es 14 respectivamente. El método tradicional de fabricación de estos circuitos es soldar componentes discretos a una placa de circuito impreso (PCB) rígida. Aunque los componentes activos de los circuitos electrónicos de potencia generalmente se combinan en un solo circuito integrado (IC) de silicio, los componentes pasivos generalmente se combinan externo, ya sea permitiendo circuitos personalizados o porque la inductancia y capacitancia requeridas son demasiado grandes para implementarse en silicio.
En comparación con la tecnología de fabricación tradicional basada en PCB, la fabricación de dispositivos y circuitos electrónicos mediante el proceso de impresión aditiva tiene muchas ventajas en términos de simplicidad y costo. En primer lugar, dado que muchos componentes del circuito requieren los mismos materiales, como los metales para los contactos. e interconexiones, la impresión permite fabricar múltiples componentes al mismo tiempo, con relativamente pocos pasos de procesamiento y menos fuentes de materiales15. El uso de procesos aditivos para reemplazar procesos sustractivos como la fotolitografía y el grabado reduce aún más la complejidad del proceso y el desperdicio de material16, 17, 18 y 19. Además, las bajas temperaturas utilizadas en la impresión son compatibles con sustratos plásticos flexibles y económicos, lo que permite el uso de procesos de fabricación de rollo a rollo de alta velocidad para cubrir dispositivos electrónicos 16, 20 en áreas grandes. Para aplicaciones que no se puede realizar completamente con componentes impresos, se han desarrollado métodos híbridos en los que los componentes de tecnología de montaje superficial (SMT) se conectan a sustratos flexibles 21, 22, 23 junto a los componentes impresos a bajas temperaturas. En este enfoque híbrido, todavía es Es necesario reemplazar tantos componentes SMT como sea posible con contrapartes impresas para obtener los beneficios de procesos adicionales y aumentar la flexibilidad general del circuito. Para realizar una electrónica de potencia flexible, hemos propuesto una combinación de componentes activos SMT y pasivos serigrafiados. componentes, con especial énfasis en la sustitución de voluminosos inductores SMT por inductores en espiral planos. Entre las diversas tecnologías para la fabricación de productos electrónicos impresos, la serigrafía es especialmente adecuada para componentes pasivos debido a su gran espesor de película (que es necesario para minimizar la resistencia en serie de las características metálicas). ) y alta velocidad de impresión, incluso cuando se cubren áreas de centímetros. Lo mismo ocurre a veces.Material 24.
Se debe minimizar la pérdida de componentes pasivos de los equipos electrónicos de potencia, porque la eficiencia del circuito afecta directamente la cantidad de energía requerida para alimentar el sistema. Esto es especialmente desafiante para los inductores impresos compuestos de bobinas largas, que por lo tanto son susceptibles a series altas. Por lo tanto, aunque se han hecho algunos esfuerzos para minimizar la resistencia 25, 26, 27, 28 de las bobinas impresas, todavía faltan componentes pasivos impresos de alta eficiencia para dispositivos electrónicos de potencia. Hasta la fecha, muchos informaron pasivos impresos Los componentes sobre sustratos flexibles están diseñados para operar en circuitos resonantes para identificación por radiofrecuencia (RFID) o con fines de recolección de energía 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. Otros se centran en el desarrollo de materiales o procesos de fabricación y muestran componentes genéricos. 26, 32, 33, 34 que no están optimizados para aplicaciones específicas. Por el contrario, los circuitos electrónicos de potencia, como los reguladores de voltaje, a menudo utilizan componentes más grandes que los dispositivos pasivos impresos típicos y no requieren resonancia, por lo que se requieren diferentes diseños de componentes.
Aquí, presentamos el diseño y optimización de inductores serigrafiados en el rango de μH para lograr la resistencia en serie más pequeña y un alto rendimiento en frecuencias relacionadas con la electrónica de potencia. Se fabrican inductores, condensadores y resistencias serigrafiados con varios valores de componentes. sobre sustratos de plástico flexible. La idoneidad de estos componentes para productos electrónicos flexibles se demostró por primera vez en un circuito RLC simple. Luego, el inductor y la resistencia impresos se integran con el IC para formar un regulador de refuerzo. Finalmente, se utiliza un diodo emisor de luz orgánico (OLED ) y se fabrican una batería flexible de iones de litio, y se utiliza un regulador de voltaje para alimentar el OLED desde la batería.
Para diseñar inductores impresos para electrónica de potencia, primero predijimos la inductancia y la resistencia de CC de una serie de geometrías de inductor basadas en el modelo de hoja actual propuesto en Mohan et al.35, y fabricó inductores de diferentes geometrías para confirmar la precisión del modelo. En este trabajo, se eligió una forma circular para el inductor porque se puede lograr una mayor inductancia 36 con una resistencia menor en comparación con una geometría poligonal. La influencia de la tinta Se determina el tipo y número de ciclos de impresión en la resistencia. Estos resultados luego se utilizaron con el modelo de amperímetro para diseñar inductores de 4,7 μH y 7,8 μH optimizados para una resistencia CC mínima.
La inductancia y la resistencia de CC de los inductores en espiral se pueden describir mediante varios parámetros: diámetro exterior do, ancho de vuelta w y espaciado s, número de vueltas n y resistencia de la lámina conductora Rsheet. La Figura 1a muestra una fotografía de un inductor circular serigrafiado. con n = 12, mostrándose los parámetros geométricos que determinan su inductancia. Según el modelo de amperímetro de Mohan et al.35, la inductancia se calcula para una serie de geometrías de inductor, donde
(a) Una foto del inductor serigrafiado que muestra los parámetros geométricos. El diámetro es de 3 cm. Inductancia (b) y resistencia CC (c) de varias geometrías del inductor. Las líneas y marcas corresponden a los valores calculados y medidos, respectivamente. ( d, e ) Las resistencias de CC de los inductores L1 y L2 están serigrafiadas con tintas plateadas Dupont 5028 y 5064H, respectivamente. (f, g) Micrografías SEM de las películas serigrafiadas por Dupont 5028 y 5064H, respectivamente.
A altas frecuencias, el efecto superficial y la capacitancia parásita cambiarán la resistencia y la inductancia del inductor de acuerdo con su valor de CC. Se espera que el inductor funcione a una frecuencia suficientemente baja para que estos efectos sean insignificantes y el dispositivo se comporte como una inductancia constante. con una resistencia constante en serie. Por lo tanto, en este trabajo, analizamos la relación entre los parámetros geométricos, la inductancia y la resistencia de CC, y utilizamos los resultados para obtener una inductancia determinada con la resistencia de CC más pequeña.
La inductancia y la resistencia se calculan para una serie de parámetros geométricos que se pueden realizar mediante serigrafía, y se espera que se genere una inductancia en el rango de μH. Los diámetros exteriores de 3 y 5 cm, los anchos de línea de 500 y 1000 micrones , y se comparan varias vueltas. En el cálculo, se supone que la resistencia de la lámina es 47 mΩ/□, lo que corresponde a una capa conductora de microescamas de plata Dupont 5028 de 7 μm de espesor impresa con una pantalla de malla 400 y configurando w = s. Los valores calculados de inductancia y resistencia se muestran en las Figuras 1b y c, respectivamente. El modelo predice que tanto la inductancia como la resistencia aumentan a medida que aumentan el diámetro exterior y el número de vueltas, o a medida que disminuye el ancho de la línea.
Para evaluar la precisión de las predicciones del modelo, se fabricaron inductores de diversas geometrías e inductancias sobre un sustrato de tereftalato de polietileno (PET). Los valores medidos de inductancia y resistencia se muestran en las Figuras 1b y c. Aunque la resistencia mostró alguna desviación de respecto al valor esperado, debido principalmente a cambios en el espesor y uniformidad de la tinta depositada, la inductancia mostró muy buena concordancia con el modelo.
Estos resultados se pueden utilizar para diseñar un inductor con la inductancia requerida y una resistencia de CC mínima. Por ejemplo, supongamos que se requiere una inductancia de 2 μH. La Figura 1b muestra que esta inductancia se puede realizar con un diámetro exterior de 3 cm, un ancho de línea de 500 μm y 10 vueltas. También se puede generar la misma inductancia usando 5 cm de diámetro exterior, 500 μm de ancho de línea y 5 vueltas o 1000 μm de ancho de línea y 7 vueltas (como se muestra en la figura). Comparando las resistencias de estos tres posibles geometrías en la Figura 1c, se puede encontrar que la resistencia más baja de un inductor de 5 cm con un ancho de línea de 1000 μm es 34 Ω, que es aproximadamente un 40% menor que los otros dos. El proceso de diseño general para lograr una inductancia determinada con una resistencia mínima se resume de la siguiente manera: Primero, seleccione el diámetro exterior máximo permitido de acuerdo con las limitaciones de espacio impuestas por la aplicación. Luego, el ancho de la línea debe ser lo más grande posible y al mismo tiempo lograr la inductancia requerida para obtener una alta tasa de llenado. (Ecuación (3)).
Al aumentar el espesor o utilizar un material con mayor conductividad para reducir la resistencia laminar de la película metálica, la resistencia CC se puede reducir aún más sin afectar la inductancia. Dos inductores, cuyos parámetros geométricos se dan en la Tabla 1, llamados L1 y L2, se fabrican con diferentes números de recubrimientos para evaluar el cambio en la resistencia. A medida que aumenta el número de recubrimientos de tinta, la resistencia disminuye proporcionalmente como se espera, como se muestra en las Figuras 1d y e, que son inductores L1 y L2, respectivamente. Figuras 1d y e muestran que al aplicar 6 capas de recubrimiento, la resistencia se puede reducir hasta 6 veces, y la reducción máxima de la resistencia (50-65%) ocurre entre la capa 1 y la capa 2. Dado que cada capa de tinta es relativamente delgada, una Se utiliza una pantalla con un tamaño de cuadrícula relativamente pequeño (400 líneas por pulgada) para imprimir estos inductores, lo que nos permite estudiar el efecto del espesor del conductor en la resistencia. Siempre que las características del patrón sigan siendo mayores que la resolución mínima de la cuadrícula, una Se puede lograr un espesor (y resistencia) similar más rápido imprimiendo una cantidad menor de recubrimientos con un tamaño de rejilla más grande. Este método se puede usar para lograr la misma resistencia de CC que el inductor de 6 capas que se analiza aquí, pero con una velocidad de producción más alta.
Las Figuras 1d ye también muestran que al usar la tinta en escamas de plata DuPont 5064H, más conductora, la resistencia se reduce en un factor de dos. A partir de las micrografías SEM de las películas impresas con las dos tintas (Figura 1f, g), se puede Se ha visto que la menor conductividad de la tinta 5028 se debe a su tamaño de partícula más pequeño y a la presencia de muchos huecos entre las partículas en la película impresa. Por otro lado, la 5064H tiene escamas más grandes y más juntas, lo que hace que se comporte más cerca del volumen. plata.Aunque la película producida por esta tinta es más delgada que la tinta 5028, con una sola capa de 4 μm y 6 capas de 22 μm, el aumento de conductividad es suficiente para reducir la resistencia general.
Finalmente, aunque la inductancia (ecuación (1)) depende del número de vueltas (w + s), la resistencia (ecuación (5)) depende sólo del ancho de línea w. Por lo tanto, al aumentar w con respecto a s, la resistencia se puede reducir aún más. Los dos inductores adicionales L3 y L4 están diseñados para tener w = 2 s y un diámetro exterior grande, como se muestra en la Tabla 1. Estos inductores están fabricados con 6 capas de recubrimiento DuPont 5064H, como se mostró anteriormente, para proporcionar la mayor rendimiento. La inductancia de L3 es 4.720 ± 0.002 μH y la resistencia es 4.9 ± 0.1 Ω, mientras que la inductancia de L4 es 7.839 ± 0.005 μH y 6.9 ± 0.1 Ω, que concuerdan bien con la predicción del modelo. Debido al aumento en espesor, conductividad y w/s, esto significa que la relación L/R ha aumentado en más de un orden de magnitud en relación con el valor de la Figura 1.
Aunque la baja resistencia de CC es prometedora, evaluar la idoneidad de los inductores para equipos electrónicos de potencia que funcionan en el rango de kHz-MHz requiere una caracterización en frecuencias de CA. La Figura 2a muestra la dependencia de la frecuencia de la resistencia y la reactancia de L3 y L4. Para frecuencias inferiores a 10 MHz , la resistencia permanece aproximadamente constante en su valor de CC, mientras que la reactancia aumenta linealmente con la frecuencia, lo que significa que la inductancia es constante como se esperaba. La frecuencia de autorresonancia se define como la frecuencia a la que la impedancia cambia de inductiva a capacitiva, con L3 es 35,6 ± 0,3 MHz y L4 es 24,3 ± 0,6 MHz. La dependencia de la frecuencia del factor de calidad Q (igual a ωL/R) se muestra en la Figura 2b. L3 y L4 alcanzan factores de calidad máximos de 35 ± 1 y 33 ± 1. a frecuencias de 11 y 16 MHz, respectivamente. La inductancia de unos pocos μH y el Q relativamente alto en frecuencias de MHz hacen que estos inductores sean suficientes para reemplazar los inductores tradicionales de montaje en superficie en convertidores CC-CC de baja potencia.
La resistencia medida R y la reactancia X (a) y el factor de calidad Q (b) de los inductores L3 y L4 están relacionados con la frecuencia.
Para minimizar la huella requerida para una capacitancia determinada, es mejor utilizar tecnología de capacitor con una capacitancia específica grande, que es igual a la constante dieléctrica ε dividida por el espesor del dieléctrico. En este trabajo, elegimos un compuesto de titanato de bario. como dieléctrico porque tiene un épsilon más alto que otros dieléctricos orgánicos procesados ​​en solución. La capa dieléctrica está serigrafiada entre los dos conductores de plata para formar una estructura metal-dieléctrico-metal. Condensadores con varios tamaños en centímetros, como se muestra en la Figura 3a , se fabrican utilizando dos o tres capas de tinta dieléctrica para mantener un buen rendimiento. La Figura 3b muestra una micrografía SEM en sección transversal de un condensador representativo hecho con dos capas de dieléctrico, con un espesor dieléctrico total de 21 μm. Los electrodos superior e inferior son 5064H de una capa y seis capas respectivamente. Las partículas de titanato de bario de tamaño micrométrico son visibles en la imagen SEM porque las áreas más brillantes están rodeadas por el aglutinante orgánico más oscuro. La tinta dieléctrica humedece bien el electrodo inferior y forma una interfaz clara con el película metálica impresa, como se muestra en la ilustración con mayor aumento.
(a) Una fotografía de un capacitor con cinco áreas diferentes. (b) Micrografía SEM transversal de un capacitor con dos capas de dieléctrico, que muestra dieléctrico de titanato de bario y electrodos de plata. (c) Capacitancias de capacitores con 2 y 3 titanatos de bario capas dieléctricas y diferentes áreas, medidas a 1 MHz. (d) La relación entre la capacitancia, ESR y el factor de pérdida de un capacitor de 2,25 cm2 con 2 capas de recubrimientos dieléctricos y la frecuencia.
La capacitancia es proporcional al área esperada.Como se muestra en la Figura 3c, la capacitancia específica del dieléctrico de dos capas es 0,53 nF/cm2 y la capacitancia específica del dieléctrico de tres capas es 0,33 nF/cm2. Estos valores corresponden a una constante dieléctrica de 13. La capacitancia y el factor de disipación (DF) también se midieron a diferentes frecuencias, como se muestra en la Figura 3d, para un capacitor de 2,25 cm2 con dos capas de dieléctrico. Encontramos que la capacitancia era relativamente plana en el rango de frecuencia de interés, aumentando en un 20%. de 1 a 10 MHz, mientras que en el mismo rango, el DF aumentó de 0,013 a 0,023. Dado que el factor de disipación es la relación entre la pérdida de energía y la energía almacenada en cada ciclo de CA, un DF de 0,02 significa que el 2% de la potencia manejada por el capacitor se consume. Esta pérdida generalmente se expresa como la resistencia en serie equivalente (ESR) dependiente de la frecuencia conectada en serie con el capacitor, que es igual a DF/ωC. Como se muestra en la Figura 3d, para frecuencias superiores a 1 MHz, La ESR es inferior a 1,5 Ω y, para frecuencias superiores a 4 MHz, la ESR es inferior a 0,5 Ω. Aunque se utiliza esta tecnología de condensadores, los condensadores de clase μF necesarios para los convertidores CC-CC requieren un área muy grande, pero los de 100 pF- El rango de capacitancia nF y la baja pérdida de estos capacitores los hacen adecuados para otras aplicaciones, como filtros y circuitos resonantes. Se pueden usar varios métodos para aumentar la capacitancia. Una constante dieléctrica más alta aumenta la capacitancia específica 37;por ejemplo, esto se puede lograr aumentando la concentración de partículas de titanato de bario en la tinta. Se puede usar un espesor dieléctrico más pequeño, aunque esto requiere un electrodo inferior con una rugosidad menor que una escama de plata serigrafiada. Condensador más delgado y de menor rugosidad. Las capas se pueden depositar mediante impresión de inyección de tinta 31 o impresión de huecograbado 10, que se puede combinar con un proceso de serigrafía. Finalmente, se pueden apilar e imprimir y conectar múltiples capas alternas de metal y dieléctrico en paralelo, aumentando así la capacitancia 34 por unidad de área. .
Generalmente se usa un divisor de voltaje compuesto por un par de resistencias para realizar la medición de voltaje requerida para el control de retroalimentación de un regulador de voltaje. Para este tipo de aplicación, la resistencia de la resistencia impresa debe estar en el rango kΩ-MΩ, y la diferencia entre los dispositivos son pequeños.Aquí, se encontró que la resistencia laminar de la tinta de carbono serigrafiada de una sola capa era 900 Ω/□.Esta información se utiliza para diseñar dos resistencias lineales (R1 y R2) y una resistencia serpentina (R3 ) con resistencias nominales de 10 kΩ, 100 kΩ y 1,5 MΩ. La resistencia entre los valores nominales se consigue imprimiendo dos o tres capas de tinta, como se muestra en la Figura 4, y fotografías de las tres resistencias.Hacer 8- 12 muestras de cada tipo;en todos los casos, la desviación estándar de la resistencia es del 10% o menos. El cambio de resistencia de las muestras con dos o tres capas de recubrimiento tiende a ser ligeramente menor que el de las muestras con una capa de recubrimiento. El pequeño cambio en la resistencia medida y la estrecha concordancia con el valor nominal indica que se pueden obtener directamente otras resistencias en este rango modificando la geometría de la resistencia.
Tres geometrías de resistencia diferentes con diferentes números de recubrimientos de tinta resistiva de carbono. Las fotografías de las tres resistencias se muestran a la derecha.
Los circuitos RLC son ejemplos clásicos de libros de texto de combinaciones de resistencia, inductor y condensador que se utilizan para demostrar y verificar el comportamiento de componentes pasivos integrados en circuitos impresos reales. En este circuito, un inductor de 8 μH y un condensador de 0,8 nF están conectados en serie, y un En paralelo con ellos se conecta una resistencia de 25 kΩ. La foto del circuito flexible se muestra en la Figura 5a. La razón para elegir esta combinación especial en serie-paralelo es que su comportamiento está determinado por cada uno de los tres componentes de frecuencia diferentes, de modo que el El rendimiento de cada componente se puede resaltar y evaluar. Teniendo en cuenta la resistencia en serie de 7 Ω del inductor y la ESR de 1,3 Ω del condensador, se calculó la respuesta de frecuencia esperada del circuito. El diagrama del circuito se muestra en la Figura 5b, y el valor calculado La amplitud de impedancia y los valores medidos y de fase se muestran en las Figuras 5c y d. A bajas frecuencias, la alta impedancia del capacitor significa que el comportamiento del circuito está determinado por la resistencia de 25 kΩ. A medida que aumenta la frecuencia, la impedancia de la ruta LC disminuye;todo el comportamiento del circuito es capacitivo hasta que la frecuencia de resonancia es de 2,0 MHz. Por encima de la frecuencia de resonancia, domina la impedancia inductiva. La Figura 5 muestra claramente la excelente concordancia entre los valores calculados y medidos en todo el rango de frecuencia. Esto significa que el modelo utilizado aquí (donde los inductores y condensadores son componentes ideales con resistencia en serie) es preciso para predecir el comportamiento del circuito a estas frecuencias.
(a) Una fotografía de un circuito RLC serigrafiado que utiliza una combinación en serie de un inductor de 8 μH y un capacitor de 0,8 nF en paralelo con una resistencia de 25 kΩ. (b) Modelo de circuito que incluye la resistencia en serie del inductor y el capacitor. (c ,d) La amplitud de impedancia (c) y la fase (d) del circuito.
Finalmente, se implementan inductores y resistencias impresos en el regulador de refuerzo. El CI utilizado en esta demostración es Microchip MCP1640B14, que es un regulador de refuerzo síncrono basado en PWM con una frecuencia de funcionamiento de 500 kHz. El diagrama del circuito se muestra en la Figura 6a.A Se utilizan un inductor de 4,7 μH y dos condensadores (4,7 μF y 10 μF) como elementos de almacenamiento de energía, y un par de resistencias se utilizan para medir el voltaje de salida del control de retroalimentación. Seleccione el valor de resistencia para ajustar el voltaje de salida a 5 V. El circuito se fabrica en la PCB y su rendimiento se mide dentro de la resistencia de carga y el rango de voltaje de entrada de 3 a 4 V para simular la batería de iones de litio en varios estados de carga. La eficiencia de los inductores y resistencias impresos se compara con la eficiencia de los inductores y resistencias SMT. Los condensadores SMT se utilizan en todos los casos porque la capacitancia requerida para esta aplicación es demasiado grande para completarse con condensadores impresos.
(a) Diagrama del circuito estabilizador de voltaje. (b – d) (b) Vout, (c) Vsw y (d) Formas de onda de la corriente que fluye hacia el inductor, el voltaje de entrada es 4,0 V, la resistencia de carga es 1 kΩ, y el inductor impreso se utiliza para medir. Para esta medición se utilizan resistencias y condensadores de montaje en superficie. (e) Para diversas resistencias de carga y voltajes de entrada, la eficiencia de los circuitos reguladores de voltaje que utilizan todos los componentes de montaje en superficie e inductores y resistencias impresos. ) La relación de eficiencia del montaje en superficie y del circuito impreso que se muestra en (e).
Para un voltaje de entrada de 4,0 V y una resistencia de carga de 1000 Ω, las formas de onda medidas utilizando inductores impresos se muestran en la Figura 6b-d. La Figura 6c muestra el voltaje en el terminal Vsw del IC;el voltaje del inductor es Vin-Vsw. La Figura 6d muestra la corriente que fluye hacia el inductor. La eficiencia del circuito con SMT y componentes impresos se muestra en la Figura 6e como una función del voltaje de entrada y la resistencia de carga, y la Figura 6f muestra la relación de eficiencia. de componentes impresos a componentes SMT. La eficiencia medida utilizando componentes SMT es similar al valor esperado dado en la hoja de datos 14 del fabricante. Con una corriente de entrada alta (baja resistencia de carga y voltaje de entrada bajo), la eficiencia de los inductores impresos es significativamente menor que la de los inductores SMT debido a la mayor resistencia en serie. Sin embargo, con un voltaje de entrada más alto y una corriente de salida más alta, la pérdida de resistencia se vuelve menos importante y el rendimiento de los inductores impresos comienza a acercarse al de los inductores SMT. Para resistencias de carga >500 Ω y Vin = 4,0 V o >750 Ω y Vin = 3,5 V, la eficiencia de los inductores impresos es superior al 85 % de los inductores SMT.
La comparación de la forma de onda actual en la Figura 6d con la pérdida de potencia medida muestra que la pérdida de resistencia en el inductor es la causa principal de la diferencia en eficiencia entre el circuito impreso y el circuito SMT, como se esperaba. La potencia de entrada y salida medida a 4,0 V El voltaje de entrada y la resistencia de carga de 1000 Ω son 30,4 mW y 25,8 mW para circuitos con componentes SMT, y 33,1 mW y 25,2 mW para circuitos con componentes impresos. Por lo tanto, la pérdida del circuito impreso es 7,9 mW, que es 3,4 mW mayor que la circuito con componentes SMT. La corriente del inductor RMS calculada a partir de la forma de onda en la Figura 6d es 25,6 mA.Dado que su resistencia en serie es de 4,9 Ω, la pérdida de potencia esperada es de 3,2 mW. Esto es el 96% de la diferencia de potencia de CC medida de 3,4 mW. Además, el circuito está fabricado con inductores impresos y resistencias impresas e inductores impresos y resistencias SMT, y no se observa ninguna diferencia significativa de eficiencia entre ellos.
Luego, el regulador de voltaje se fabrica en la PCB flexible (la impresión del circuito y el rendimiento de los componentes SMT se muestran en la Figura complementaria S1) y se conecta entre la batería flexible de iones de litio como fuente de energía y la matriz OLED como carga.Según Lochner et al.9 Para fabricar OLED, cada píxel OLED consume 0,6 mA a 5 V. La batería utiliza óxido de cobalto de litio y grafito como cátodo y ánodo, respectivamente, y se fabrica mediante recubrimiento con racleta, que es el método de impresión de batería más común.7 La capacidad de la batería es de 16 mAh y el voltaje durante la prueba es de 4,0 V. La Figura 7 muestra una fotografía del circuito en la PCB flexible que alimenta tres píxeles OLED conectados en paralelo. La demostración demostró el potencial de los componentes de energía impresos para integrarse con otros dispositivos flexibles y orgánicos para formar sistemas electrónicos más complejos.
Una foto del circuito regulador de voltaje en una PCB flexible que utiliza inductores y resistencias impresos y baterías flexibles de iones de litio para alimentar tres LED orgánicos.
Hemos mostrado inductores, condensadores y resistencias serigrafiados con un rango de valores sobre sustratos de PET flexibles, con el objetivo de sustituir componentes de montaje superficial en equipos electrónicos de potencia. Hemos demostrado que diseñando una espiral de gran diámetro, la tasa de llenado y relación ancho de línea-ancho de espacio, y mediante el uso de una capa gruesa de tinta de baja resistencia. Estos componentes están integrados en un circuito RLC completamente impreso y flexible y exhiben un comportamiento eléctrico predecible en el rango de frecuencia kHz-MHz, que es de mayor Interés por la electrónica de potencia.
Los casos de uso típicos de dispositivos electrónicos de potencia impresos son sistemas electrónicos flexibles portátiles o integrados en productos, alimentados por baterías recargables flexibles (como las de iones de litio), que pueden generar voltajes variables según el estado de carga. Si la carga (incluida la impresión y equipo electrónico orgánico) requiere un voltaje constante o superior al voltaje de salida de la batería, se requiere un regulador de voltaje. Por esta razón, los inductores y resistencias impresos se integran con los circuitos integrados de silicio tradicionales en un regulador de refuerzo para alimentar el OLED con un voltaje constante. de 5 V de una fuente de alimentación de batería de voltaje variable. Dentro de un cierto rango de corriente de carga y voltaje de entrada, la eficiencia de este circuito excede el 85% de la eficiencia de un circuito de control que utiliza inductores y resistencias de montaje superficial. A pesar de las optimizaciones geométricas y de materiales, Las pérdidas resistivas en el inductor siguen siendo el factor limitante para el rendimiento del circuito a altos niveles de corriente (corriente de entrada superior a aproximadamente 10 mA). Sin embargo, a corrientes más bajas, las pérdidas en el inductor se reducen y el rendimiento general está limitado por la eficiencia. del IC.Dado que muchos dispositivos impresos y orgánicos requieren corrientes relativamente bajas, como los pequeños OLED utilizados en nuestra demostración, los inductores de potencia impresos pueden considerarse adecuados para tales aplicaciones. Al utilizar circuitos integrados diseñados para tener la mayor eficiencia a niveles de corriente más bajos, Se puede lograr una mayor eficiencia general del convertidor.
En este trabajo, el regulador de voltaje se basa en la tecnología de soldadura de componentes de montaje en superficie y PCB tradicional, PCB flexible, mientras que el componente impreso se fabrica en un sustrato separado. Sin embargo, las tintas de baja temperatura y alta viscosidad utilizadas para producir serigrafía. Las películas impresas deben permitir que los componentes pasivos, así como la interconexión entre el dispositivo y las almohadillas de contacto del componente de montaje en superficie, se impriman en cualquier sustrato. Esto, combinado con el uso de adhesivos conductores de baja temperatura existentes para componentes de montaje en superficie, permitirá todo el circuito se construirá sobre sustratos económicos (como PET) sin la necesidad de procesos sustractivos como el grabado de PCB. Por lo tanto, los componentes pasivos serigrafiados desarrollados en este trabajo ayudan a allanar el camino para sistemas electrónicos flexibles que integran energía y cargas. con electrónica de potencia de alto rendimiento, utilizando sustratos económicos, principalmente procesos aditivos y un número mínimo de componentes de montaje en superficie.
Utilizando la impresora de pantalla Asys ASP01M y una pantalla de acero inoxidable proporcionada por Dynamesh Inc., todas las capas de componentes pasivos se serigrafiaron sobre un sustrato de PET flexible con un espesor de 76 μm. El tamaño de malla de la capa de metal es de 400 líneas por pulgada y 250 líneas por pulgada para la capa dieléctrica y la capa de resistencia. Utilice una fuerza de escurridor de 55 N, una velocidad de impresión de 60 mm/s, una distancia de rotura de 1,5 mm y un escurridor Serilor con una dureza de 65 (para metales y resistivos). capas) o 75 (para capas dieléctricas) para serigrafía.
Las capas conductoras (los inductores y los contactos de los condensadores y resistencias) están impresas con tinta de microescamas de plata DuPont 5082 o DuPont 5064H. La resistencia está impresa con conductor de carbono DuPont 7082. Para el dieléctrico del condensador, el compuesto conductor BT-101 dieléctrico de titanato de bario Se utiliza. Cada capa de dieléctrico se produce utilizando un ciclo de impresión de dos pasadas (húmedo-húmedo) para mejorar la uniformidad de la película. Para cada componente, se examinó el efecto de múltiples ciclos de impresión sobre el rendimiento y la variabilidad del componente. Muestras hechas con Se secaron múltiples recubrimientos del mismo material a 70 °C durante 2 minutos entre recubrimientos. Después de aplicar la última capa de cada material, las muestras se hornearon a 140 °C durante 10 minutos para asegurar un secado completo. La función de alineación automática de la pantalla La impresora se utiliza para alinear las capas posteriores. El contacto con el centro del inductor se logra cortando un orificio pasante en la almohadilla central y trazando huellas de impresión en la parte posterior del sustrato con tinta DuPont 5064H. La interconexión entre los equipos de impresión también utiliza Dupont Impresión de plantilla 5064H. Para mostrar los componentes impresos y los componentes SMT en la PCB flexible que se muestra en la Figura 7, los componentes impresos se conectan utilizando epoxi conductor Circuit Works CW2400 y los componentes SMT se conectan mediante soldadura tradicional.
Como cátodo y ánodo de la batería se utilizan electrodos de óxido de cobalto de litio (LCO) y grafito, respectivamente. La suspensión del cátodo es una mezcla de 80% de LCO (MTI Corp.), 7,5% de grafito (KS6, Timcal), 2,5 % de negro de carbón (Super P, Timcal) y 10 % de fluoruro de polivinilideno (PVDF, Kureha Corp.).) El ánodo es una mezcla de 84% en peso de grafito, 4% en peso de negro de humo y 13% en peso de PVDF. Se utiliza N-metil-2-pirrolidona (NMP, Sigma Aldrich) para disolver el aglutinante de PVDF y dispersar la suspensión. La suspensión se homogeneizó mediante agitando con un mezclador vórtex durante la noche. Se utilizan una lámina de acero inoxidable de 0,0005 pulgadas de espesor y una lámina de níquel de 10 μm como colectores de corriente para el cátodo y el ánodo, respectivamente. La tinta se imprime en el colector de corriente con una escobilla de goma a una velocidad de impresión de 20 mm/s. Calentar el electrodo en un horno a 80 °C durante 2 horas para eliminar el disolvente. La altura del electrodo después del secado es de aproximadamente 60 μm y, según el peso del material activo, la capacidad teórica es de 1,65 mAh. /cm2. Los electrodos se cortaron en dimensiones de 1,3 × 1,3 cm2 y se calentaron en un horno de vacío a 140°C durante la noche, y luego se sellaron con bolsas laminadas de aluminio en una caja de guantes llena de nitrógeno. Se utilizó una solución de película base de polipropileno con Se utiliza ánodo y cátodo y LiPF6 1M en EC/DEC (1:1) como electrolito de la batería.
El OLED verde consta de poli(9,9-dioctilfluoreno-co-n-(4-butilfenil)-difenilamina) (TFB) y poli((9,9-dioctilfluoreno-2,7-(2,1,3-benzotiadiazol- 4,8-diil)) (F8BT) según el procedimiento descrito en Lochner et al.9.
Utilice el perfilador de lápiz Dektak para medir el espesor de la película. La película se cortó para preparar una muestra transversal para su investigación mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). La pistola de emisión de campo (FEG) SEM FEI Quanta 3D se utiliza para caracterizar la estructura de la imagen impresa. película y confirmar la medición del espesor. El estudio SEM se realizó a un voltaje de aceleración de 20 keV y una distancia de trabajo típica de 10 mm.
Utilice un multímetro digital para medir la resistencia, el voltaje y la corriente de CC. La impedancia de CA de inductores, condensadores y circuitos se mide con el medidor LCR Agilent E4980 para frecuencias inferiores a 1 MHz y el analizador de red Agilent E5061A se utiliza para medir frecuencias superiores a 500 kHz. Utilice el Osciloscopio Tektronix TDS 5034 para medir la forma de onda del regulador de voltaje.
Cómo citar este artículo: Ostfeld, AE, etc. Componentes pasivos de serigrafía para equipos electrónicos de potencia flexibles. Science.Rep.5, 15959;doi: 10.1038/srep15959 (2015).
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