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Les additifs et les processus d'impression à basse température peuvent intégrer divers dispositifs électroniques énergivores et énergivores sur des substrats flexibles à faible coût. Cependant, la production de systèmes électroniques complets à partir de ces dispositifs nécessite généralement des dispositifs électroniques de puissance pour convertir entre les différentes tensions de fonctionnement de Les composants passifs (inductances, condensateurs et résistances) remplissent des fonctions telles que le filtrage, le stockage d'énergie à court terme et la mesure de tension, qui sont essentielles en électronique de puissance et dans de nombreuses autres applications. Dans cet article, nous présentons les inductances, les condensateurs, résistances et circuits RLC sérigraphiés sur des substrats en plastique flexibles, et rapportent le processus de conception pour minimiser la résistance série des inducteurs afin qu'ils puissent être utilisés dans des appareils électroniques de puissance. L'inducteur et la résistance imprimés sont ensuite incorporés dans le circuit régulateur de suralimentation.Fabrication de diodes électroluminescentes organiques et de batteries lithium-ion flexibles. Des régulateurs de tension sont utilisés pour alimenter les diodes à partir de la batterie, démontrant le potentiel des composants passifs imprimés pour remplacer les composants traditionnels montés en surface dans les applications de convertisseurs DC-DC.
Ces dernières années, l'application de divers dispositifs flexibles dans les produits électroniques portables et de grande surface et dans l'Internet des objets1,2 a été développée. Il s'agit notamment des dispositifs de récupération d'énergie, tels que les dispositifs photovoltaïques 3, piézoélectriques 4 et thermoélectriques 5 ; des dispositifs de stockage d'énergie, tels que des batteries 6, 7 ; et des dispositifs consommateurs d'énergie, tels que des capteurs 8, 9, 10, 11, 12 et des sources lumineuses 13. Bien que de grands progrès aient été réalisés dans les sources et charges d'énergie individuelles, la combinaison de ces composants dans un système électronique complet nécessite généralement l'électronique de puissance pour surmonter toute inadéquation entre le comportement de l'alimentation électrique et les exigences de la charge. Par exemple, une batterie génère une tension variable en fonction de son état de charge. Si la charge nécessite une tension constante ou supérieure à la tension que la batterie peut générer, une électronique de puissance est nécessaire. .L'électronique de puissance utilise des composants actifs (transistors) pour exécuter des fonctions de commutation et de contrôle, ainsi que des composants passifs (inductances, condensateurs et résistances). Par exemple, dans un circuit régulateur à découpage, une inductance est utilisée pour stocker de l'énergie pendant chaque cycle de commutation. , un condensateur est utilisé pour réduire l'ondulation de tension, et la mesure de tension requise pour le contrôle par rétroaction est effectuée à l'aide d'un diviseur de résistance.
Les appareils électroniques de puissance adaptés aux appareils portables (tels que l'oxymètre de pouls 9) nécessitent plusieurs volts et plusieurs milliampères, fonctionnent généralement dans la plage de fréquences allant de centaines de kHz à plusieurs MHz et nécessitent plusieurs μH et plusieurs μH d'inductance et la capacité μF est 14 respectivement. La méthode traditionnelle de fabrication de ces circuits consiste à souder des composants discrets sur une carte de circuit imprimé (PCB) rigide. Bien que les composants actifs des circuits électroniques de puissance soient généralement combinés en un seul circuit intégré (IC) en silicium, les composants passifs sont généralement externe, soit autorisant des circuits personnalisés, soit parce que l'inductance et la capacité requises sont trop grandes pour être implémentées dans le silicium.
Par rapport à la technologie de fabrication traditionnelle basée sur les PCB, la fabrication d'appareils et de circuits électroniques via le processus d'impression additive présente de nombreux avantages en termes de simplicité et de coût. Premièrement, puisque de nombreux composants du circuit nécessitent les mêmes matériaux, tels que les métaux pour les contacts. et les interconnexions, l'impression permet de fabriquer plusieurs composants en même temps, avec relativement peu d'étapes de traitement et moins de sources de matériaux15. L'utilisation de processus additifs pour remplacer les processus soustractifs tels que la photolithographie et la gravure réduit encore davantage la complexité des processus et le gaspillage de matériaux16, 17, 18 et 19. De plus, les basses températures utilisées dans l'impression sont compatibles avec des substrats en plastique flexibles et peu coûteux, permettant l'utilisation de processus de fabrication rouleau à rouleau à grande vitesse pour couvrir les dispositifs électroniques 16, 20 sur de grandes surfaces. qui ne peuvent pas être entièrement réalisés avec des composants imprimés, des procédés hybrides ont été développés dans lesquels les composants de technologie de montage en surface (SMT) sont connectés à des substrats flexibles 21, 22, 23 à côté des composants imprimés à basse température. Dans cette approche hybride, il est toujours Il est nécessaire de remplacer autant de composants SMT que possible par des homologues imprimés pour obtenir les avantages de processus supplémentaires et augmenter la flexibilité globale du circuit. Afin de réaliser une électronique de puissance flexible, nous avons proposé une combinaison de composants actifs SMT et de composants passifs sérigraphiés. composants, avec un accent particulier sur le remplacement des inducteurs SMT volumineux par des inducteurs planaires en spirale. Parmi les différentes technologies de fabrication de composants électroniques imprimés, la sérigraphie est particulièrement adaptée aux composants passifs en raison de sa grande épaisseur de film (qui est nécessaire pour minimiser la résistance en série des éléments métalliques ) et une vitesse d'impression élevée, même lors de la couverture de zones centimétriques. Il en va parfois de même.Matériau 24.
La perte de composants passifs des équipements électroniques de puissance doit être minimisée, car l'efficacité du circuit affecte directement la quantité d'énergie nécessaire pour alimenter le système. Ceci est particulièrement difficile pour les inductances imprimées composées de longues bobines, qui sont donc sensibles aux séries élevées. résistance. Par conséquent, bien que certains efforts aient été faits pour minimiser la résistance 25, 26, 27, 28 des bobines imprimées, il existe toujours un manque de composants passifs imprimés à haute efficacité pour les dispositifs électroniques de puissance. À ce jour, beaucoup ont signalé des composants passifs imprimés les composants sur substrats flexibles sont conçus pour fonctionner dans des circuits résonants à des fins d'identification par radiofréquence (RFID) ou de récupération d'énergie 10, 12, 25, 27, 28, 29, 30, 31. D'autres se concentrent sur le développement de matériaux ou de processus de fabrication et présentent des composants génériques 26, 32, 33, 34 qui ne sont pas optimisés pour des applications spécifiques. En revanche, les circuits électroniques de puissance tels que les régulateurs de tension utilisent souvent des composants plus grands que les dispositifs passifs imprimés typiques et ne nécessitent pas de résonance, ce qui nécessite des conceptions de composants différentes.
Ici, nous introduisons la conception et l'optimisation d'inductances sérigraphiées dans la gamme μH pour obtenir la plus petite résistance en série et des performances élevées aux fréquences liées à l'électronique de puissance. Des inductances, condensateurs et résistances sérigraphiés avec diverses valeurs de composants sont fabriqués sur des substrats en plastique flexibles. L'adéquation de ces composants aux produits électroniques flexibles a d'abord été démontrée dans un simple circuit RLC. L'inductance et la résistance imprimées sont ensuite intégrées au circuit intégré pour former un régulateur élévateur. Enfin, une diode électroluminescente organique (OLED ) et une batterie lithium-ion flexible sont fabriqués, et un régulateur de tension est utilisé pour alimenter l'OLED à partir de la batterie.
Afin de concevoir des inductances imprimées pour l'électronique de puissance, nous avons d'abord prédit l'inductance et la résistance CC d'une série de géométries d'inductance sur la base du modèle de feuille actuel proposé dans Mohan et al. 35, et fabriqué des inducteurs de différentes géométries pour confirmer la précision du modèle. Dans ce travail, une forme circulaire a été choisie pour l'inducteur car une inductance 36 plus élevée peut être obtenue avec une résistance plus faible par rapport à une géométrie polygonale. L'influence de l'encre le type et le nombre de cycles d'impression sur la résistance sont déterminés. Ces résultats ont ensuite été utilisés avec le modèle d'ampèremètre pour concevoir des inducteurs de 4,7 μH et 7,8 μH optimisés pour une résistance CC minimale.
L'inductance et la résistance CC des inducteurs en spirale peuvent être décrites par plusieurs paramètres : le diamètre extérieur do, la largeur de spire w et l'espacement s, le nombre de spires n et la résistance de la feuille conductrice Rsheet. La figure 1a montre une photo d'un inducteur circulaire sérigraphié. avec n = 12, montrant les paramètres géométriques qui déterminent son inductance. Selon le modèle ampèremétrique de Mohan et al. 35, l'inductance est calculée pour une série de géométries d'inductance, où
(a) Une photo de l'inducteur sérigraphié montrant les paramètres géométriques. Le diamètre est de 3 cm. Inductance (b) et résistance CC (c) de différentes géométries d'inducteur. Les lignes et les marques correspondent respectivement aux valeurs calculées et mesurées. (d, e) Les résistances CC des inducteurs L1 et L2 sont sérigraphiées respectivement avec des encres argentées Dupont 5028 et 5064H. (f, g) Micrographies SEM des films sérigraphiés par Dupont 5028 et 5064H, respectivement.
À hautes fréquences, l'effet de peau et la capacité parasite modifieront la résistance et l'inductance de l'inducteur en fonction de sa valeur CC. L'inducteur est censé fonctionner à une fréquence suffisamment basse pour que ces effets soient négligeables, et le dispositif se comporte comme une inductance constante. avec une résistance constante en série. Par conséquent, dans ce travail, nous avons analysé la relation entre les paramètres géométriques, l'inductance et la résistance CC, et avons utilisé les résultats pour obtenir une inductance donnée avec la plus petite résistance CC.
L'inductance et la résistance sont calculées pour une série de paramètres géométriques qui peuvent être réalisés par sérigraphie, et on s'attend à ce qu'une inductance dans la plage μH soit générée. Les diamètres extérieurs de 3 et 5 cm, les largeurs de ligne de 500 et 1000 microns , et différents tours sont comparés. Dans le calcul, on suppose que la résistance de la feuille est de 47 mΩ/□, ce qui correspond à une couche conductrice de microflakes d'argent Dupont 5028 de 7 μm d'épaisseur imprimée avec un écran de 400 mesh et un réglage w = s. les valeurs calculées d'inductance et de résistance sont présentées respectivement dans les figures 1b et c. Le modèle prédit que l'inductance et la résistance augmentent à mesure que le diamètre extérieur et le nombre de tours augmentent, ou à mesure que la largeur de la ligne diminue.
Afin d'évaluer l'exactitude des prédictions du modèle, des inducteurs de diverses géométries et inductances ont été fabriqués sur un substrat en polyéthylène téréphtalate (PET). Les valeurs d'inductance et de résistance mesurées sont présentées sur les figures 1b et c. Bien que la résistance ait montré un certain écart par rapport à la valeur attendue, principalement en raison des changements dans l'épaisseur et l'uniformité de l'encre déposée, l'inductance a montré un très bon accord avec le modèle.
Ces résultats peuvent être utilisés pour concevoir une inductance avec l'inductance requise et une résistance CC minimale. Par exemple, supposons qu'une inductance de 2 μH soit requise. La figure 1b montre que cette inductance peut être réalisée avec un diamètre extérieur de 3 cm, une largeur de ligne de 500 μm et 10 tours. La même inductance peut également être générée en utilisant un diamètre extérieur de 5 cm, une largeur de ligne de 500 μm et 5 tours ou une largeur de ligne de 1 000 μm et 7 tours (comme indiqué sur la figure). En comparant les résistances de ces trois géométries possibles sur la figure 1c, on peut constater que la résistance la plus faible d'un inducteur de 5 cm avec une largeur de ligne de 1 000 μm est de 34 Ω, soit environ 40 % de moins que les deux autres. Le processus de conception général pour obtenir une inductance donnée avec une résistance minimale se résume comme suit : Tout d'abord, sélectionnez le diamètre extérieur maximum autorisé en fonction des contraintes d'espace imposées par l'application. Ensuite, la largeur de ligne doit être aussi grande que possible tout en atteignant l'inductance requise pour obtenir un taux de remplissage élevé. (équation (3)).
En augmentant l'épaisseur ou en utilisant un matériau avec une conductivité plus élevée pour réduire la résistance de feuille du film métallique, la résistance CC peut être encore réduite sans affecter l'inductance. Deux inducteurs, dont les paramètres géométriques sont donnés dans le tableau 1, appelés L1 et L2, sont fabriqués avec différents nombres de revêtements pour évaluer le changement de résistance. À mesure que le nombre de revêtements d'encre augmente, la résistance diminue proportionnellement comme prévu, comme le montrent les figures 1d et e, qui sont respectivement les inducteurs L1 et L2. Les figures 1d et e montrent qu'en appliquant 6 couches de revêtement, la résistance peut être réduite jusqu'à 6 fois et que la réduction maximale de la résistance (50 à 65 %) se produit entre la couche 1 et la couche 2. Étant donné que chaque couche d'encre est relativement fine, une un écran avec une taille de grille relativement petite (400 lignes par pouce) est utilisé pour imprimer ces inducteurs, ce qui nous permet d'étudier l'effet de l'épaisseur du conducteur sur la résistance. Tant que les caractéristiques du motif restent plus grandes que la résolution minimale de la grille, un une épaisseur (et une résistance) similaire peut être obtenue plus rapidement en imprimant un plus petit nombre de couches avec une taille de grille plus grande. Cette méthode peut être utilisée pour obtenir la même résistance CC que l'inducteur à 6 couches discuté ici, mais avec une vitesse de production plus élevée.
Les figures 1d et e montrent également qu'en utilisant l'encre en paillettes d'argent DuPont 5064H, plus conductrice, la résistance est réduite d'un facteur deux. À partir des micrographies SEM des films imprimés avec les deux encres (Figure 1f, g), il peut être On voit que la conductivité plus faible de l'encre 5028 est due à la taille de ses particules plus petites et à la présence de nombreux vides entre les particules dans le film imprimé. D'un autre côté, le 5064H a des flocons plus gros et plus rapprochés, ce qui le rend plus proche du volume. argent. Bien que le film produit par cette encre soit plus fin que l'encre 5028, avec une seule couche de 4 μm et 6 couches de 22 μm, l'augmentation de la conductivité est suffisante pour réduire la résistance globale.
Enfin, bien que l'inductance (équation (1)) dépende du nombre de tours (w + s), la résistance (équation (5)) dépend uniquement de la largeur de ligne w. Par conséquent, en augmentant w par rapport à s, la résistance peut être encore réduit. Les deux inducteurs supplémentaires L3 et L4 sont conçus pour avoir w = 2s et un grand diamètre extérieur, comme indiqué dans le tableau 1. Ces inducteurs sont fabriqués avec 6 couches de revêtement DuPont 5064H, comme indiqué précédemment, pour fournir le performances les plus élevées. L'inductance de L3 est de 4,720 ± 0,002 μH et la résistance est de 4,9 ± 0,1 Ω, tandis que l'inductance de L4 est de 7,839 ± 0,005 μH et 6,9 ± 0,1 Ω, ce qui est en bon accord avec la prédiction du modèle. augmentation de l'épaisseur, de la conductivité et du w/s, cela signifie que le rapport L/R a augmenté de plus d'un ordre de grandeur par rapport à la valeur de la figure 1.
Bien que la faible résistance CC soit prometteuse, l'évaluation de l'adéquation des inductances pour les équipements électroniques de puissance fonctionnant dans la gamme kHz-MHz nécessite une caractérisation aux fréquences CA. La figure 2a montre la dépendance en fréquence de la résistance et de la réactance de L3 et L4. Pour les fréquences inférieures à 10 MHz , la résistance reste à peu près constante à sa valeur CC, tandis que la réactance augmente linéairement avec la fréquence, ce qui signifie que l'inductance est constante comme prévu. La fréquence d'auto-résonance est définie comme la fréquence à laquelle l'impédance passe d'inductive à capacitive, avec L3 étant de 35,6 ± 0,3 MHz et L4 étant de 24,3 ± 0,6 MHz. La dépendance en fréquence du facteur de qualité Q (égal à ωL/R) est illustrée à la figure 2b. L3 et L4 atteignent des facteurs de qualité maximaux de 35 ± 1 et 33 ± 1. à des fréquences de 11 et 16 MHz, respectivement. L'inductance de quelques μH et le Q relativement élevé aux fréquences MHz rendent ces inductances suffisantes pour remplacer les inductances traditionnelles à montage en surface dans les convertisseurs DC-DC de faible puissance.
La résistance mesurée R et la réactance X (a) et le facteur de qualité Q (b) des inductances L3 et L4 sont liés à la fréquence.
Afin de minimiser l'encombrement requis pour une capacité donnée, il est préférable d'utiliser une technologie de condensateur avec une capacité spécifique élevée, qui est égale à la constante diélectrique ε divisée par l'épaisseur du diélectrique. Dans ce travail, nous avons choisi un composite de titanate de baryum comme diélectrique car il a un epsilon plus élevé que les autres diélectriques organiques traités en solution. La couche diélectrique est sérigraphiée entre les deux conducteurs d'argent pour former une structure métal-diélectrique-métal. Condensateurs de différentes tailles en centimètres, comme le montre la figure 3a. , sont fabriqués en utilisant deux ou trois couches d'encre diélectrique pour maintenir un bon rendement. La figure 3b montre une micrographie SEM en coupe transversale d'un condensateur représentatif constitué de deux couches de diélectrique, avec une épaisseur diélectrique totale de 21 μm. Les électrodes supérieure et inférieure sont respectivement une couche et six couches de 5064H. Des particules de titanate de baryum de la taille d'un micron sont visibles sur l'image SEM car les zones les plus lumineuses sont entourées par le liant organique plus foncé. L'encre diélectrique mouille bien l'électrode inférieure et forme une interface claire avec le film métallique imprimé, comme indiqué sur l'illustration avec un grossissement plus élevé.
(a) Une photo d'un condensateur avec cinq zones différentes. (b) Micrographie SEM en coupe transversale d'un condensateur avec deux couches de diélectrique, montrant des électrodes diélectriques en titanate de baryum et d'argent. (c) Capacités des condensateurs avec 2 et 3 titanate de baryum couches diélectriques et différentes zones, mesurées à 1 MHz. (d) La relation entre la capacité, l'ESR et le facteur de perte d'un condensateur de 2,25 cm2 avec 2 couches de revêtements diélectriques et la fréquence.
La capacité est proportionnelle à la surface attendue. Comme le montre la figure 3c, la capacité spécifique du diélectrique à deux couches est de 0,53 nF/cm2 et la capacité spécifique du diélectrique à trois couches est de 0,33 nF/cm2. Ces valeurs correspondent à une constante diélectrique de 13. la capacité et le facteur de dissipation (DF) ont également été mesurés à différentes fréquences, comme le montre la figure 3d, pour un condensateur de 2,25 cm2 avec deux couches de diélectrique. Nous avons constaté que la capacité était relativement plate dans la plage de fréquences d'intérêt, augmentant de 20 % de 1 à 10 MHz, tandis que dans la même plage, le DF a augmenté de 0,013 à 0,023. Puisque le facteur de dissipation est le rapport entre la perte d'énergie et l'énergie stockée dans chaque cycle CA, un DF de 0,02 signifie que 2 % de la puissance traitée par le condensateur est consommée. Cette perte est généralement exprimée comme la résistance série équivalente (ESR) dépendant de la fréquence en série avec le condensateur, qui est égale à DF/ωC. Comme le montre la figure 3d, pour les fréquences supérieures à 1 MHz, ESR est inférieur à 1,5 Ω, et pour les fréquences supérieures à 4 MHz, l'ESR est inférieur à 0,5 Ω. Bien qu'utilisant cette technologie de condensateur, les condensateurs de niveau μF requis pour les convertisseurs DC-DC nécessitent une très grande surface, mais le 100 pF-nF la plage de capacité et la faible perte de ces condensateurs les rendent adaptés à d'autres applications, telles que les filtres et les circuits résonants. Diverses méthodes peuvent être utilisées pour augmenter la capacité. Une constante diélectrique plus élevée augmente la capacité spécifique 37 ; par exemple, cela peut être réalisé en augmentant la concentration de particules de titanate de baryum dans l'encre. Une épaisseur diélectrique plus petite peut être utilisée, bien que cela nécessite une électrode inférieure avec une rugosité inférieure à celle d'un flocon d'argent sérigraphié. les couches peuvent être déposées par impression à jet d'encre 31 ou par héliogravure 10, qui peuvent être combinées avec un processus de sérigraphie. Enfin, plusieurs couches alternées de métal et de diélectrique peuvent être empilées et imprimées et connectées en parallèle, augmentant ainsi la capacité 34 par unité de surface. .
Un diviseur de tension composé d'une paire de résistances est généralement utilisé pour effectuer la mesure de tension requise pour le contrôle par rétroaction d'un régulateur de tension. Pour ce type d'application, la résistance de la résistance imprimée doit être comprise dans la plage kΩ-MΩ, et la différence entre les appareils sont petits. Ici, il a été constaté que la résistance de feuille de l'encre de carbone sérigraphiée monocouche était de 900 Ω/□. Ces informations sont utilisées pour concevoir deux résistances linéaires (R1 et R2) et une résistance serpentine (R3 ) avec des résistances nominales de 10 kΩ, 100 kΩ et 1,5 MΩ. La résistance entre les valeurs nominales est obtenue en imprimant deux ou trois couches d'encre, comme le montre la figure 4, et des photos des trois résistances. Faites 8- 12 échantillons de chaque type ; dans tous les cas, l'écart type de la résistance est de 10 % ou moins. La variation de résistance des échantillons avec deux ou trois couches de revêtement a tendance à être légèrement inférieure à celle des échantillons avec une seule couche de revêtement. La petite variation de la résistance mesurée et l'accord étroit avec la valeur nominale indique que d'autres résistances dans cette plage peuvent être directement obtenues en modifiant la géométrie de la résistance.
Trois géométries de résistance différentes avec différents nombres de revêtements d'encre résistive au carbone. La photo de trois résistances est présentée à droite.
Les circuits RLC sont des exemples classiques de combinaisons de résistances, d'inductances et de condensateurs utilisées pour démontrer et vérifier le comportement de composants passifs intégrés dans de vrais circuits imprimés. Dans ce circuit, une inductance de 8 μH et un condensateur de 0,8 nF sont connectés en série, et un Une résistance de 25 kΩ est connectée en parallèle avec eux. La photo du circuit flexible est illustrée à la figure 5a. La raison du choix de cette combinaison série-parallèle spéciale est que son comportement est déterminé par chacune des trois composantes de fréquence différentes, de sorte que le Les performances de chaque composant peuvent être mises en évidence et évaluées. Compte tenu de la résistance série de 7 Ω de l'inductance et de l'ESR de 1,3 Ω du condensateur, la réponse en fréquence attendue du circuit a été calculée. Le schéma de circuit est présenté à la figure 5b et le calcul L'amplitude et la phase de l'impédance ainsi que les valeurs mesurées sont présentées sur les figures 5c et d. Aux basses fréquences, la haute impédance du condensateur signifie que le comportement du circuit est déterminé par la résistance de 25 kΩ. À mesure que la fréquence augmente, l'impédance de le chemin LC diminue ; l'ensemble du comportement du circuit est capacitif jusqu'à ce que la fréquence de résonance soit de 2,0 MHz. Au-dessus de la fréquence de résonance, l'impédance inductive domine. La figure 5 montre clairement l'excellent accord entre les valeurs calculées et mesurées sur toute la plage de fréquences. Cela signifie que le modèle utilisé ici (où les inductances et les condensateurs sont des composants idéaux avec une résistance en série) est précis pour prédire le comportement du circuit à ces fréquences.
(a) Une photo d'un circuit RLC sérigraphié qui utilise une combinaison en série d'une inductance de 8 μH et d'un condensateur de 0,8 nF en parallèle avec une résistance de 25 kΩ. (b) Modèle de circuit comprenant la résistance en série de l'inductance et du condensateur. (c) ,d) L'amplitude d'impédance (c) et la phase (d) du circuit.
Enfin, des inductances et des résistances imprimées sont implémentées dans le régulateur élévateur. Le circuit intégré utilisé dans cette démonstration est Microchip MCP1640B14, qui est un régulateur élévateur synchrone basé sur PWM avec une fréquence de fonctionnement de 500 kHz. Le schéma de circuit est illustré à la figure 6a.A. Un inducteur de 4,7 μH et deux condensateurs (4,7 μF et 10 μF) sont utilisés comme éléments de stockage d'énergie, et une paire de résistances est utilisée pour mesurer la tension de sortie du contrôle de rétroaction. Sélectionnez la valeur de résistance pour ajuster la tension de sortie à 5 V. Le circuit est fabriqué sur le PCB et ses performances sont mesurées dans la résistance de charge et la plage de tension d'entrée de 3 à 4 V pour simuler la batterie lithium-ion dans différents états de charge. L'efficacité des inductances et résistances imprimées est comparée à celle de la batterie lithium-ion. efficacité des inductances et résistances SMT. Les condensateurs SMT sont utilisés dans tous les cas car la capacité requise pour cette application est trop grande pour être complétée par des condensateurs imprimés.
(a) Schéma du circuit de stabilisation de tension. (b – d) (b) Vout, (c) Vsw et (d) Formes d'onde du courant circulant dans l'inductance, la tension d'entrée est de 4,0 V, la résistance de charge est de 1 kΩ, et l'inductance imprimée est utilisée pour mesurer. Des résistances et des condensateurs montés en surface sont utilisés pour cette mesure. (e) Pour diverses résistances de charge et tensions d'entrée, l'efficacité des circuits régulateurs de tension utilisant tous les composants montés en surface et les inductances et résistances imprimées. (f ) Le rapport d'efficacité du montage en surface et du circuit imprimé indiqué en (e).
Pour une tension d'entrée de 4,0 V et une résistance de charge de 1 000 Ω, les formes d'onde mesurées à l'aide d'inductances imprimées sont illustrées aux figures 6b et 6d. La figure 6c montre la tension à la borne Vsw du circuit intégré ; la tension de l'inducteur est Vin-Vsw. La figure 6d montre le courant circulant dans l'inducteur. L'efficacité du circuit avec SMT et les composants imprimés est représentée sur la figure 6e en fonction de la tension d'entrée et de la résistance de charge, et la figure 6f montre le rapport d'efficacité. des composants imprimés aux composants SMT. L'efficacité mesurée à l'aide de composants SMT est similaire à la valeur attendue indiquée dans la fiche technique du fabricant 14. À un courant d'entrée élevé (faible résistance de charge et faible tension d'entrée), l'efficacité des inducteurs imprimés est nettement inférieure à celle des composants imprimés. celle des inductances SMT en raison de la résistance série plus élevée. Cependant, avec une tension d'entrée et un courant de sortie plus élevés, la perte de résistance devient moins importante et les performances des inductances imprimées commencent à se rapprocher de celles des inductances SMT. Pour les résistances de charge > 500 Ω et Vin = 4,0 V ou >750 Ω et Vin = 3,5 V, le rendement des inductances imprimées est supérieur à 85 % des inductances SMT.
La comparaison de la forme d'onde du courant de la figure 6d avec la perte de puissance mesurée montre que la perte de résistance dans l'inducteur est la principale cause de la différence d'efficacité entre le circuit imprimé et le circuit SMT, comme prévu. La puissance d'entrée et de sortie mesurée à 4,0 V La tension d'entrée et la résistance de charge de 1 000 Ω sont de 30,4 mW et 25,8 mW pour les circuits avec composants SMT, et de 33,1 mW et 25,2 mW pour les circuits avec composants imprimés. Par conséquent, la perte du circuit imprimé est de 7,9 mW, soit 3,4 mW de plus que la circuit avec composants SMT. Le courant d'inductance RMS calculé à partir de la forme d'onde de la figure 6d est de 25,6 mA. Étant donné que sa résistance série est de 4,9 Ω, la perte de puissance attendue est de 3,2 mW. Cela représente 96 % de la différence de puissance CC mesurée de 3,4 mW. De plus, le circuit est fabriqué avec des inductances imprimées et des résistances imprimées et des inductances imprimées et des résistances SMT, et aucune différence d'efficacité significative n'est observée entre eux.
Ensuite, le régulateur de tension est fabriqué sur le PCB flexible (l'impression du circuit et les performances des composants SMT sont illustrées dans la Figure supplémentaire S1) et connecté entre la batterie lithium-ion flexible comme source d'alimentation et le réseau OLED comme charge. Selon Lochner et al. 9 Pour fabriquer des OLED, chaque pixel OLED consomme 0,6 mA à 5 V. La batterie utilise de l'oxyde de lithium-cobalt et du graphite comme cathode et anode, respectivement, et est fabriquée par revêtement à la racle, qui est la méthode d'impression sur batterie la plus courante.7 La capacité de la batterie est de 16 mAh et la tension pendant le test est de 4,0 V. La figure 7 montre une photo du circuit sur le PCB flexible, alimentant trois pixels OLED connectés en parallèle. La démonstration a démontré le potentiel des composants de puissance imprimés à intégrer avec d'autres des dispositifs flexibles et organiques pour former des systèmes électroniques plus complexes.
Une photo du circuit régulateur de tension sur un PCB flexible utilisant des inductances et des résistances imprimées, utilisant des batteries lithium-ion flexibles pour alimenter trois LED organiques.
Nous avons montré des inductances, des condensateurs et des résistances sérigraphiés avec une gamme de valeurs sur des substrats PET flexibles, dans le but de remplacer les composants montés en surface dans les équipements électroniques de puissance. Nous avons montré qu'en concevant une spirale de grand diamètre, le taux de remplissage et le rapport largeur-espace de ligne, et en utilisant une couche épaisse d'encre à faible résistance. Ces composants sont intégrés dans un circuit RLC entièrement imprimé et flexible et présentent un comportement électrique prévisible dans la plage de fréquence kHz-MHz, qui est la plus grande intérêt pour l’électronique de puissance.
Les cas d'utilisation typiques des appareils électroniques de puissance imprimés sont des systèmes électroniques flexibles portables ou intégrés au produit, alimentés par des batteries rechargeables flexibles (telles que le lithium-ion), qui peuvent générer des tensions variables en fonction de l'état de charge. Si la charge (y compris l'impression et équipement électronique organique) nécessite une tension constante ou supérieure à la tension de sortie de la batterie, un régulateur de tension est nécessaire. Pour cette raison, les inductances et résistances imprimées sont intégrées aux circuits intégrés en silicium traditionnels dans un régulateur élévateur pour alimenter l'OLED avec une tension constante. de 5 V à partir d'une alimentation par batterie à tension variable. Dans une certaine plage de courant de charge et de tension d'entrée, l'efficacité de ce circuit dépasse 85% de l'efficacité d'un circuit de commande utilisant des inductances et des résistances à montage en surface. Malgré les optimisations matérielles et géométriques, les pertes résistives dans l'inductance restent le facteur limitant des performances du circuit à des niveaux de courant élevés (courant d'entrée supérieur à environ 10 mA). Cependant, à des courants plus faibles, les pertes dans l'inductance sont réduites et les performances globales sont limitées par l'efficacité. du circuit intégré. Étant donné que de nombreux dispositifs imprimés et organiques nécessitent des courants relativement faibles, tels que les petites OLED utilisées dans notre démonstration, les inductances de puissance imprimées peuvent être considérées comme adaptées à de telles applications. En utilisant des circuits intégrés conçus pour avoir le rendement le plus élevé à des niveaux de courant inférieurs, un rendement global plus élevé du convertisseur peut être obtenu.
Dans ce travail, le régulateur de tension est construit sur la technologie traditionnelle de soudure de PCB, de PCB flexibles et de composants montés en surface, tandis que le composant imprimé est fabriqué sur un substrat séparé. Cependant, les encres à basse température et à haute viscosité utilisées pour produire l'écran- les films imprimés doivent permettre aux composants passifs, ainsi qu'à l'interconnexion entre le dispositif et les plages de contact des composants montés en surface, d'être imprimés sur n'importe quel substrat. Ceci, combiné à l'utilisation d'adhésifs conducteurs à basse température existants pour les composants montés en surface, permettra l'ensemble du circuit doit être construit sur des substrats peu coûteux (tels que le PET) sans avoir besoin de processus soustractifs tels que la gravure de PCB. Par conséquent, les composants passifs sérigraphiés développés dans ce travail contribuent à ouvrir la voie à des systèmes électroniques flexibles qui intègrent l'énergie et les charges avec une électronique de puissance haute performance, utilisant des substrats peu coûteux, principalement des processus additifs et un nombre minimal de composants montés en surface.
À l'aide de la sérigraphie Asys ASP01M et d'un écran en acier inoxydable fourni par Dynamesh Inc., toutes les couches de composants passifs ont été sérigraphiées sur un substrat PET flexible d'une épaisseur de 76 μm. La taille des mailles de la couche métallique est de 400 lignes par pouce et 250 lignes par pouce pour la couche diélectrique et la couche de résistance. Utilisez une force de raclette de 55 N, une vitesse d'impression de 60 mm/s, une distance de rupture de 1,5 mm et une raclette Serilor d'une dureté de 65 (pour les métaux et les résistances). couches) ou 75 (pour les couches diélectriques) pour la sérigraphie.
Les couches conductrices - les inductances et les contacts des condensateurs et des résistances - sont imprimées avec de l'encre microflake d'argent DuPont 5082 ou DuPont 5064H. La résistance est imprimée avec un conducteur en carbone DuPont 7082. Pour le diélectrique du condensateur, le composé conducteur BT-101 diélectrique au titanate de baryum est utilisé. Chaque couche de diélectrique est produite à l'aide d'un cycle d'impression en deux passes (humide-humide) pour améliorer l'uniformité du film. Pour chaque composant, l'effet de plusieurs cycles d'impression sur les performances et la variabilité des composants a été examiné. Des échantillons réalisés avec plusieurs couches du même matériau ont été séchées à 70 °C pendant 2 minutes entre les couches. Après avoir appliqué la dernière couche de chaque matériau, les échantillons ont été cuits à 140 °C pendant 10 minutes pour assurer un séchage complet. La fonction d'alignement automatique de l'écran L'imprimante est utilisée pour aligner les couches suivantes. Le contact avec le centre de l'inducteur est obtenu en découpant un trou traversant sur le tampon central et en imprimant des traces au pochoir au dos du substrat avec de l'encre DuPont 5064H. L'interconnexion entre les équipements d'impression utilise également Dupont. Impression au pochoir 5064H. Afin d'afficher les composants imprimés et les composants SMT sur le PCB flexible illustré à la figure 7, les composants imprimés sont connectés à l'aide de l'époxy conducteur Circuit Works CW2400 et les composants SMT sont connectés par soudure traditionnelle.
L'oxyde de lithium-cobalt (LCO) et des électrodes à base de graphite sont utilisées respectivement comme cathode et anode de la batterie. La suspension cathodique est un mélange de 80 % de LCO (MTI Corp.), 7,5 % de graphite (KS6, Timcal), 2,5 % de noir de carbone (Super P, Timcal) et 10 % de fluorure de polyvinylidène (PVDF, Kureha Corp.). ) L'anode est un mélange de 84 % en poids de graphite, 4 % en poids de noir de carbone et 13 % en poids de PVDF. La N-méthyl-2-pyrrolidone (NMP, Sigma Aldrich) est utilisée pour dissoudre le liant PVDF et disperser la suspension. La suspension a été homogénéisée par en remuant avec un mélangeur vortex pendant la nuit. Une feuille d'acier inoxydable de 0,0005 pouce d'épaisseur et une feuille de nickel de 10 μm sont utilisées comme collecteurs de courant pour la cathode et l'anode, respectivement. L'encre est imprimée sur le collecteur de courant avec une raclette à une vitesse d'impression de 20 mm/s. Chauffer l'électrode dans une étuve à 80 °C pendant 2 heures pour éliminer le solvant. La hauteur de l'électrode après séchage est d'environ 60 μm, et en fonction du poids de la matière active, la capacité théorique est de 1,65 mAh. /cm2. Les électrodes ont été découpées en dimensions de 1,3 × 1,3 cm2 et chauffées dans une étuve sous vide à 140°C pendant la nuit, puis elles ont été scellées avec des sacs stratifiés en aluminium dans une boîte à gants remplie d'azote. Une solution de film de base en polypropylène avec L'anode et la cathode et 1M LiPF6 en EC/DEC (1:1) sont utilisés comme électrolyte de la batterie.
L'OLED verte se compose de poly(9,9-dioctylfluorène-co-n-(4-butylphényl)-diphénylamine) (TFB) et de poly((9,9-dioctylfluorène-2,7- (2,1,3-benzothiadiazole- 4, 8-diyl)) (F8BT) selon la procédure décrite dans Lochner et al.
Utilisez le profileur de stylet Dektak pour mesurer l'épaisseur du film. Le film a été coupé pour préparer un échantillon transversal pour l'investigation par microscopie électronique à balayage (MEB). Le SEM du pistolet à émission de champ (FEG) FEI Quanta 3D est utilisé pour caractériser la structure de l'imprimé. film et confirmer la mesure de l'épaisseur. L'étude SEM a été réalisée à une tension d'accélération de 20 keV et une distance de travail typique de 10 mm.
Utilisez un multimètre numérique pour mesurer la résistance CC, la tension et le courant. L'impédance CA des inductances, condensateurs et circuits est mesurée à l'aide du compteur Agilent E4980 LCR pour les fréquences inférieures à 1 MHz et l'analyseur de réseau Agilent E5061A est utilisé pour mesurer les fréquences supérieures à 500 kHz. Utilisez le Oscilloscope Tektronix TDS 5034 pour mesurer la forme d'onde du régulateur de tension.
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