Türkiye nin ilk AMOLED TV si için Güç Kartı Tasarımı The Powerboard Design for the first AMOLED TV of Turkey

Transkript

1 Türkye nn lk AMOLED TV s çn Güç Kartı Tasarımı The Powerboard Desgn for the frst AMOLED TV of Turkey Metn NİL 1,2, Başak ÖZBAKIŞ 1, Yılmaz CAN 1, Osman Oral KIVRAK 1, Ömer MERMER 2 1 VESTEL Elektronk A.Ş. Ar-Ge metn.nl@vestel.com.tr, basak.ozbaks@vestel.com.tr, ylmaz.can@vestel.com.tr, oral.kvrak@vestel.com.tr 2 Elektrk Elektronk Mühendslğ Bölümü, Ege Ünverstes omer.mermer@ege.edu.tr Özet Bu çalışmada, Türkye de lk defa prototp gerçekleştrlmş Vestel AMOLED TV nn 600W güç kartı tasarımı sunulmaktadır. Ayrıca çalışmada, kart tasarımında kullanılan, devre elemanlarının ve brleşk devrelernn özellkler hakkında blgler verlmektedr. Bunun yanısıra güç kartı tasarımının Fltre, Koruma, Bekleme, Güç Faktörü Koruma, Resonant ve Senkron Doğrultucu blokları konusunda blg verlmştr. Güç kartının güvenlrlk ve performans testler kart ve sstem sevyesnde Ar-Ge test laboratuvarlarında başarıyla tamamlanmış ve sonuçları verlmştr. MIL STD 217F e göre yapılan güvenlrlk analz sonucu bu elektronk kartın hata oranı yaklaşık 8 ppm bulunmuştur. Abstract In ths study, the desgn of 600W power board for Vestel AMOLED TV that s prototyped frstly n Turkey, s presented. Furthermore, our study ncludes the propertes of the crcut elements and ntegrated crcuts that s used n board desgn. Addtonally, Flter, Protecton, Stand-By, Power Factor Correcton (PFC), Resonant and Synchronous Rectfer Blocks of power board desgn are gven. The relablty and performance tests of power board completed successfully n Ar-Ge test laboratores n the level of board and system and results are also dscussed. The result of Relablty analyss gves nearly 8 ppm error rato n terms of MIL STD 217F. 1. Grş OLED ekranlı ürünler, yüksek kontrastlı, oldukça nce yapıda haff ve genş renk gamutuna sahp olmalarından dolayı yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. Blndğ üzere OLED ekranlar öncelkle küçük boyutlu ürünlerde kullanılmaya başlandı. Ekran büyüklüğü arttıkça yüksek sevyelerde güç tüketmnn oluştuğu gözlenmştr. Pazardak OLED Benchmark ürünler ncelendğnde yüksek güç sevyeler çn çoklu kart çözümler sunulduğu gözlenmştr. Çoklu kart çözümler; toplam kart malyetnn yüksek olması, kullanılan kablo sayısının fazla olması, brden fazla koruma malzemesnn kullanılması, röle kartlarının kullanılması nedenyle ürün malyetn arttırmaktadır. Bu çalışmada yapılacak güç kartı tasarımı le üretm ve sstem bastlğ sağlanacak, daha düşük malyetlerde üretm yapılablecektr. 65 AMOLED TV çn 600W güç sağlayablen güç kartı tasarımı yapılacaktır. Güç kartı tasarım çalışmalarında güç elektronğ konusu öneml br yere sahptr. Güç elektronğ temel olarak güç yarıletkenlernn anahtarlamasına dayalıdır. Güç yarıletken teknolojsnde yaşanan gelşmelern sonucunda, bu elemanların taşıyablecekler güçler ve anahtarlama hızları büyük ölçüde artmıştır. Güç yarıletken elemanlarının ve entegre devrelernn teknolojs lerledkçe güç elektronğnn potansyel uygulama alanları da genşlemektedr. Güç elektronğ devre tasarımı, hem güç hem de kontrol devrelernn tasarımını gerektrr. Güç dönüştürücülernn ürettğ gerlm ve akım harmonkler, uygun br kontrol stratejs kullanılarak azaltılablr veya mnmze edleblr [1-2]. Yüksek güvenlrlk sevyesnde dönüştürücüler çn farklı tasarımlar gelştrleblmektedr. Ayrıca stenmeyen elektromanyetk grşm (EMI) problemlerne karşı güç kartı çersnde EMI fltre, güç faktörü düzeltme (PFC) ve senkron doğrultucu (synchronous rectfer) blokları tasarlanmıştır. Bu çalışmada VESTEL AMOLED TV lerde kullanılablecek güç kartı tasarımı sunulmuştur. Kart ve sstem sevyesndek test sonuçları çerçevesnde ömür analzler yapılarak sstem güvenlrlğ araştırılmıştır. 2. Güç Kartının Tasarımı OLED TV mekank yapısı bakımından ncelendğnde oldukça nce olduğu gözlenmştr. Bu nce yapıya uygun olacak şeklde güç kartı tasarım çalışmalarına ağırlık verlmştr. Güç kartı tasarım aşamasında tasarlanacak olan bloklar aşağıda verlmştr: Fltre ve Koruma Bloğu Stand-By Bloğu Interleaved PFC Bloğu Resonant Bloğu Senkron Doğrultucu Bloğu 212

2 Tasarlanan güç kartı; Şekl 1 de de verldğ üzere Fltre ve Koruma Bloğu, Stand-By Bloğu, ç çe grmş Güç Faktörü Düzeltme bloğu, 5V çıkış gerlmne sahp Flyback Dönüştürücü bloğu, 12V ve 24V çıkış gerlmlerne sahp senkron redresör çeren Yarım Dalga Rezonans Çevrc blokları çeren br Alternatf Akım/Doğru Akım (AA/DA) güç kaynağıdır. Ayrıca AMOLED panellern 12V ve 24V gerlmnden 10 Amper ve üzer akıma htyaç duyduğu durumlar hesaba alınarak Rezonans Dönüştürücülern çıkışında doğrultucu olarak dyot yerne senkron redresör kullanılmıştır. Bunların dışında OLED TV lerde bulunablecek Ultra HD, Ses Sstemler, Çft Tuner (LNB) gb ekstra güç tüketm gerektren uygulamaları da destekleyeblmek çn kartın grş güç lmt 600W a kadar çıkarılmıştır. Güç kartında şebekeden geleblecek anormal akım ve gerlm değerlernden sstem korumak (sgortaya almak) çn varstör kullanılmıştır. Bu yöntem, faz (lne) hattına ser br adet sgorta le faz ve nötr hatları arasında oluşablecek anormal gerlm değerlernn drencn değşmes le engellenmesne çalışacaktır. Devamında kart tarafından şebekeye yayılablecek elektrksel gürültüyü fltrelemek amacıyla CLCLC dzlmnde sıralanmış br EMI Fltre devres bulundurmaktadır. Bu çalışmamızda; kartın maksmum grş gücü, 170 Volt (V) AA şebeke gerlm çn 600 Watt (W), 100V AA şebeke gerlm 450W dır. Güç kartı 50 Hz ve 60 Hz şebeke frekansında çalışablmektedr. Kartta yer alan malzemelern maksmum yükseklğ 1,2 cm dr. Kartın baskılı devres (PCB) tek katmandan yapılmış olup CEM1 malzeme kullanılmıştır. OLED panellernn dnamk panel güç tüketmlerne hızlı tepk vereblmes çn kartın yarıletken anahtarlamalı teknkler yapısı, Yarım Köprü Rezonans Dönüştürücü kullanılarak sağlanmıştır. EMI fltre devresnden sonra, kartın lk kez enerjlendrldğ anda şebekeden çeklecek yüksek an akımını sınırlamak amacı le Negatf Sıcaklık Katsayılı Drenç (NTC) kullanılmaktadır. Bu drençler henüz ısınmamışken faz hattına yüksek drenç göstererek an akımları sınırlarlar. Bu drençler br daha k enerjlendrme anında tekrar yüksek drenç göstereblmeler çn an akımlarını üzerlernde gördükten br süre sonra paralelnde bulunan röle le pas geçlerek devreden çıkarılır. Yarıletken anahtarlama blokları önces ve Tam Dalga Köprü Doğrultucusu önces çft faz bağlantıya karşı, güç kartını korumaya alacak Faz - Faz koruma devres yer alır. Kartın devamında şebekeden gelen snüzodal gerlm doğrultup Anahtarlamalı Mod Güç Kaynak bloklarına letmn sağlayan, Tam Dalga Köprü Doğrultucular bulunmaktadır. Tasarlanan güç kartında, TV nn bekleme yan stand-by durumunda çalışması gereken sstemlerne enerj veren, Flyback Dönüştürücüsü topolojsne sahp br bekleme devres (Stand-By Bloğu) bulunmaktadır. Bu devre çn Flyback topolojsnn seçlmesnn neden düşük güçlerde yapılan paket anahtarlama modu sayesnde (burst mode) yüksek vermde çalışablmesdr. Bu bloğun br dğer amacı se Güç Faktörü Düzeltme (PFC) ve Anahtarlamalı Mod Güç Kaynağı (SMPS) bloklarının çalışmasını sağlayan besleme gerlmn üretp, güç kartı bekleme moduna grdğ durumlarda bu gerlmn PFC ve SMPS bloklarına ulaşmasını engelleyp bu blokları kapatmaktır. Bu durumda bekleme modunda TV nn çektğ gücü azaltıp 500 mw ın altına ndrmektedr. Bu blok, TV nn uyandırma (Wake On LAN) gb bekleme modunda çalışması gereken kısmını ve bekleme modundak güç tüketmnn 5W a kadar çıkabldğ durumları 5V dan 700mA e kadar destekleyeblr. Kartta yer alan yüksek gerlm ve düşük gerlm (Lne Over Voltage - Lne Under Voltage) koruma sevyeler bekleme devres bloğunun entegres tarafından belrlenmektedr. Bu bloktak koruma özellkler sayesnde kartın sadece 100V le 264V şebeke gerlmler arasında çalışması sağlanır. Anahtarlamalı güç kaynakları çn brçok dönüştürücü yapısı lteratürde mevcuttur. DA-DA dönüştürücüler çok katmanlı güç kartı tasarımları le anahtarlanablmektedr [3]. Ancak bu çalışmada dğer çalışmalara nazaran [4-5] OLED TV ler çn çoklu kart çözümler yerne üretm ve sstem bastlğne sahp güç kartı tasarımı verlmştr. Var olan yalıtımlı DA-DA (Doğru Akım-Doğru Akım) dönüştürücüler arasında en yaygını flyback dönüştürücüdür [6]. Çıkış fltresnde bobn olmaması, manyetk eleman olarak sadece transformatör (kublajlı bobn) kullanılması, sadece br tane yarıletken anahtar kullanılması dönüştürücüyü bastleştrmektedr. Bunun yanı sıra 5000V a kadar çıkış gerlm elde edleblmes ve brden fazla çıkış vereblmes bu dönüştürücünün üstünlüklerndendr [7-8]. Bu sebeplerden dolayı anahtarlamalı güç kaynakları çnde flyback dönüştürücüler en çok kullanılan DA-DA dönüştürücüler halne gelmştr [9]. Flyback devres Şekl 2 de gösterlmştr. Şeklde görüldüğü gb yük akımı C kondansatörü le sağlanır. Prmer tarafındak L bobnnn uçlarında sabt br gerlm olduğundan prmer akımının artışı doğrusal olacaktır [10]. Anahtar kapalı konumda ken enerj mıknatıslanma bobn üzernde depolanır. Anahtar açıldığında se depolanan enerj çıkışa aktarılır. Bu sayede Ana Kartın htyaç duyduğu DA voltaj değer sağlanmış olur. Buna ek olarak; bu blok sayesnde Güç Faktörü Düzeltme (PFC) ve Anahtarlamalı Mod Güç Kaynağı (SMPS) devrelernn çalışmasını sağlayan, V besleme gerlm üretlmş olur. CC 213

3 Şekl 1: Tasarlanan Kartı Blok Dyagramı: EMI Fltre, Tam Dalga köprü doğrultucu, Güç Faktörü Düzeltme Devres, Flyback Mod Bekleme (Stand-By) Devres, Yarım Köprü Rezonans Dönüştürücü Devres, Rezonans Doğrultucu Devres, Anakart ve Dönüştürücü Kaynak blokları Şekl 2: Bastleştrlmş Flyback Dönüştürücüsü Devres Burada 1 grş bozulma faktörü yan dstorsyon faktörü (DF) ; cosφ 1 e yer değştrme faktörü (YDF) denr. cosφ1 değer akımın 1. Harmonğ le şebeke gerlm arasındak faz farkıdır. şebekeden çeklen akımın efektf değer olup, 1 se şebekeden çeklen akımın 1. Harmonğnn efektf değerdr. Şekl 3 dek grafkte görüldüğü gb güç faktöründek asıl amaç şebekeden çeklen akımın, grş akımının, 1. harmonğnn olabldğnce şebeke gerlm le arasındak açının, yan faz farkının 0 a yakın br düzeye ndrgenmesdr. Bu sayede cosφ 1 değernn yan Yer Değştrme Faktörünün (YDF) 1 e yakın olduğu görülür. Normalde besleme gerlm snüzodal dalga şeklne sahptr. Dolayısıyla harmonklern meydana gelmesyle şebekeden çeklen reaktf güç le güç kaybı meydana gelecektr. Bu durumda snüzodal besleme gerlm çn güç faktörü (Power Factor) değer (PF): 1 PF = cos φ1 (1) Şekl 3: Grş Gerlm Ve Akımının Dalga Şekller 214

4 Güç Faktörü Düzeltme devresnn br dğer görev se kendnden sonra gelen SMPS blokları çn DA br grş gerlm sağlamaktadır. Tasarlanan güç kartında Güç Faktörü Düzeltme çıkış gerlm +400V DA ya ayarlanmış olup, bekleme devres harç tüm SMPS devreler bu gerlm le beslenmektedr. Tasarlanan kartında Güç Faktörü Düzeltme devres yüksek güç tüketm nedenyle ç çe yan nterleaved yapıda tasarlanmıştır. Interleaved Güç Faktörü Düzeltme, k adet aktf Güç Faktörü Düzeltme devresnn asenkron olarak paralel çalışması prensbne dayanan br Güç Faktörü Düzeltme yapısıdır. Brbrler le asenkron olarak çalışan Güç Faktörü Düzeltme mosfetlernde, meydana gelen letm kayıpları R DS( on) drenc le orantılı olduğundan, bu durumda hem mosfet hem de çıkış dyotları üzerndek letm kayıpları ve anahtarlama kayıpları azaltılmış olur. Mosfetn letm kaybını aşağıdak (2) numaralı denklemde göreblrz: 2 letm = DS ( on) P R Güç Faktörü Düzeltme devres bloğu, AA/DA dönüştürücü olarak şebeke ve DA/DA Dönüştürücüler arasında köprü vazfes gördüğü çn elektrksel olarak en fazla rsk altında olan bloktur. Çalışmak çn Bekleme (Stand-by) devresnde üretlecek V CC gerlmn bekler, LLC Yarım Köprü Rezonans Dönüştürücü blokları se Güç Faktörü Düzeltme bloğunda üretlecek 5V Güç Faktörü Düzeltme RDY snyaln bekler. Böylece LLC Yarım Köprü Rezonans Dönüştürücü bloklarının 400V dan düşük br grş gerlmnde çalışması engellenmş olur. Tasarlanan güç kartında özellkle Güç Faktörü Düzeltme mosfetlern şebekeden gelen dalgalanmalara karşı, korumak üzere 2 adet Güç Faktörü Düzeltme bypass dyotu bulunur. Bu dyotlar köprü dyotlarının çıkışında, 400V Güç Faktörü Düzeltme çıkış gerlmn geçen br gerlm görüldüğünde, letme grp Güç Faktörü Düzeltme devresnn grş gerlmnn çıkışta görülmesn sağlar. Bu sayede şebekeden gelen herhang br yüksek enerj düzey Güç Faktörü Düzeltme devresne uğramadan Bulk (Tank) yan yük kapastelerne aktarılır ve bu kapasteler tarafından sönümlenr. Kullanılan bypass dyotları Şekl 4 de D D. gösterlmştr ( ) 1 2 (2) kullanılmıştır. Tasarlanan kartta ana kartın kullandığı ana besleme gerlm olan +12V ve Dönüştürücü kartının ana besleme gerlm olan +24V elde etmek çn k adet LLC Yarım Köprü Rezonans Dönüştürücü devres bulunur. Bu devrelern her ksnde de özel entegre bulunmaktadır. Bu entegre yüksek gate çıkış sürücü devresn, doğru br akım kontrollü oslatör ve çeştl koruma fonksyonları çeren yüksek verml Yarım Köprü Rezonans Dönüştürücüler çn br darbe frekans modülasyonu kontrol entegresdr. 3. Deneysel Çalışmalar Tasarımı yapılan güç kartımızın elektromanyetk uyumluluk testler (EMC, Electromagnetc Compatblty), güvenlrlk (Relablty) testler VESTEL Elektronk bünyesndek akredte Ar-Ge test laboratuvarlarında yapılmıştır. Standartlara at yapılan başlıca testler sırasıyla Tablo1 de verlmştr. Bu sonuçlara göre test ettğmz AMOLED TV ürünümüz standartta verlen gürültü lmt değerlernn altında yayılım yapmaktadır. Yansımasız odalarda ve ekranlı odalarda yapılan Elektromanyetk Uyumluluk bağışıklık ve yayılım testlernden tasarımımız başarıyla geçmştr. Güvenlrlk testler; ısı, nem, ısıl değşm ve elektrksel değşmler gb çeştl parametrelern değştrlerek ürün performans kayıplarının test edldğ süreçler kapsar. Burada en krtk testler, sıcakta çalıştırma ve AMOLED ekranlarının parlaklığının değştrldğ testlerdr. Tabloda, yapılan güvenlrlk testlernn br kısmı verlmştr. Kartımız bu sıcaklık ve nem testlernden başarı le geçmştr. Şekl 5 de Ar-Ge test laboratuvarlarında gerçekleştrlen letmle yayılım test sonuçları verlmştr. Ayrıca güç kartının thermocouple le ölçülmüş sıcaklık sonucu da Şekl 6 da verlmştr. Buna göre farklı sıcaklıklar çn güç kartının elemanlarının sıcaklığa karşı duyarlığı test edlmştr. Kontrollü Laboratuvar koşullarında elde edlmş test sonuçlarının Webull Analz yazılımı kullanılarak MIL- STD-217F e göre parça sayım güvenlrlk analz yapılmıştır. Güç kartı üzerndek aktf ve pasf 766 farklı malzemenn parça sayım güvenlrlk tahmn (parts count relablty predcton) lambda predct paket yazılımı kullanılarak MIL- STD-217F uyarınca gerçekleştrlmş olup MTTF saat, mlyon saattek hata oranı se yaklaşık olarak 8,32 olarak hesaplanmıştır. Çzelge 1: Uygulanan EMC, Relablty Test ve Standartları. Şekl 4: Güç Faktörü Düzeltme Devresnde Bypass Dyotları Tasarlanan güç kartında ana kartın kullandığı ana besleme gerlmn ve dönüştürücü kartının ana besleme gerlmn elde etmek çn Yarım Köprü Rezonans Dönüştürücü devreler Test Elektromanyetk Uyumluluk Güvenlrlk Bağışıklık Yayılım İletm Standart EN 55020:2007+A11:2011 Işınım EN 55024:2010 İletm, ışınım EN 55013:2013 EN 55022:2010/AC:2011- İletm, ışınım Class B Sıcaklık Sıcaklık stres test Yüksek sıcaklık test Sıcaklık Çevrm test Sıcaklık koşma test 215

5 gerçekleştrlmştr. Yapılan testler netcesnde ürünümüz AR- GE testlernden başarı le geçerek standartta belrtlen gürültü lmtlernn altında değerler verdğ gözlenmştr. Bu bağlamda ortaya çıkan tasarımın elektromanyetk uyumlu ve güvenlr olduğu gösterlmştr. TEŞEKKÜRLER Bu çalışma 0421.STZ nolu SANTEZ projes ve nolu TUBİTAK-TEYDEB projes tarafından desteklenmştr. Deneysel çalışmalar Vestel Elektronk Ar-Ge Akredte Laboratuvarlarında gerçekleştrlmştr. Şekl 5: İletmle Işınım Testler (150 khz-30 MHz). Şekl 6: FLIR Test Sonuçları 4. Sonuç ve Önerler Bu çalışmada VESTEL OLED TV ler çn gerekl olan güç kartı tasarım aşamaları detaylı br şeklde verlmştr. Buna göre güç kartı tasarımında EMI Fltre, Tam Dalga Doğrultucu, Güç Faktörü Düzeltme Devres, Flyback Mod (Bekleme) devres, Yarım Köprü Rezonans Dönüştürücü ve Senkron Dönüştürücü devreler tasarlanarak kullanılmıştır. Günümüzde bu tür kartlarda ortaya çıkan problemlern harmonklerden kaynaklandığını görmekteyz. Bu harmonkler kullanılan güç kartına vermş olduğu zarar le brlkte, reaktf gücün artmasına neden olmaktadır. Bu nedenle belrl br güç tüketm düzeynden sonra tasarlanan güç kartında Güç Faktörü Düzeltme devres kullanılmıştır. Güç Faktörü değernn yleştrlmes devrenn vermllğ oldukça fazla artıracaktır. Böylece şebekeden çeklen akımın, gerlm zlemes sağlanacaktır. Ayrıca kullanılan mantıksal (lojk) yapıların anahtarlama devrelernde şlevlernn daha da kullanışlı olduğu gözlemleneblr düzeydedr. Güç kartı tasarımında mantıksal devre yapılarının kartı yüksek akım değerne karşı koruduğu gözleneblr. Bunun yanı sıra Senkron Doğrultucu devresn güç kartının vermllğn artırmaktadır. Güç elektronğ elemanlarının gelşmyle güç kartı tasarımındak karmaşık yapıların bastleştrlmes sağlanmaktadır. 5. Kaynaklar [1] RASHID, H., SÜNTER, S., AYDEMİR, T., Güç Elektronğ, NOBEL, Ankara, [2] Nl M., Demr M., Nl M, Çakır B., Evrclerde Yumuşak Geçş Teknklernn İncelenmes, MTBF Analz ve Harmonklern Azaltılmasında Kullanılan Yöntemler, Fırat Ünverstes Elektrk-Elektronk- Blgsayar Sempozyumu 2011, ELAZIĞ. [3] Hrao, T., Tsuruta Y., Kawamura A., Evaluaton of DC-DC converter usng power board of mult layers by analyss and experment, IEEE 2nd Int. Conference (IFEEC), [4] Lee, R. W. Power Converter Handbook Theory Desgn and Applcaton, Canadan General Electrc, Peterborough, Ontaro, [5] Vlatkovc, V., Borojevc, D. and Lee, C. F., Input flter desgn for power factor correcton crcuts. Power Electroncs, IEEE Transactons on 11, No. 1 (1996), Page(s): [6] Nasır, Ç., ERFİDAN, T., ÜRGÜN, S., OZTURK, S., Flyback Dönüştürücü Tasarımı ve Analz, EMO e- Derg, Sayfa(lar): [7] Salem, T., E., Tpton, C.W., Porschet, D., Fabrcaton and Practcal Consderatons of a Flyback Transformer for Use n Hgh Pulsed-Powe Applcatons, SSST 06. Procced n of the Thrty-Eght Southeastem Symposum on 5-7 March 2006 Page(s): [8] Chen, T.H., Ln, W.L., Law, C.M., Dynamc modelng and controller desng of flyback converter, IEEE Transactons Volume 35, Issue 4, Oct Page(s): [9] Preto, R., Cobos, J.A., Garca, O., Asens, R., Uceda, J., Optmzng the wndng strategy of the transformer n a flyback converter Power Electroncs Specalsts Conference, PESC 96 Record., 27th Annual IEEE Volume 2, June 1996 Page(s): [10] J. W. Dxon, and B.-T. Oo, Indrect current control of a unty power factor snusodal current boost type threephase rectfer, IEEE Transactons on Industry Applcatons, Vol. 35, No. 4, Nowember 1988, Page(s): AMOLED ürünümüzün AR-GE testler VESTEL elektronk bünyesnde bulunan akredte laboratuvarlarında 216