（机械电子工程专业论文）面向金丝球焊线机的超声功率电源的设计.pdf

摘要 摘要 超声波焊线技术是一种热超声键合技术，又称芯片内部打线技术，超声波金 丝球焊线机则是利用此种技术实现封装前的芯片( 硅片) 内部引线焊接的高科技 机电一体化设备。超声功率电源作为焊线机设备的超声输出信号源，是焊线机电 子系统的重要组成部分，直接决定着打线的质量与效率。本文针对超声功率电源 设计和研制过程中存在的关键技术问题，阐述了超声功率电源的原理以及控制方 法，从硬件电路和软件程序两方面进行研究和设计，并且设计制作超声功率电源 实验电路板一块，并对其进行了相关的硬件测试以及实验验证与分析。 硬件电路部分主要包括直流稳压、逆变全桥、频率自动跟踪、单片机控制四 大模块。文中对其中的各大主要电路进行了详细的分析以及设计，实验电路板采 用变压器输入2 2 0 v a c 市电，输出可以直接接到超声换能器，采用r s 2 3 2 串行口 通信从上位机接收焊接工艺参数和控制命令，由下位机单片机控制超声输出的功 率和时间。 软件程序部分主要为下位机系统实验软件的设计，针对系统软件框架中的主 要功能模块进行了较为详细的分析和设计，主要包括主程序流程图的设计、串行 口中断服务子程序的设计、功率调整子程序的设计和超声输出定时子程序的设计。 实验测试部分主要通过高精度数字示波器直接测量实验电路板上各大电路模 块的实际波形，包括直流稳压模块的输出测试，全桥逆变电路工作时序测试，频 率自动跟踪效果测试。并从理论分析和电路设计的层面上，对超声功率电源实验 板进行了相关的分析和验证，最后总结得出实验结论。 关键词：超声功率电源；频率跟踪；锁相环；谐振电路 广东t 业大学硕十学位论文 a b s t r a c t u l t r a s o n i cw i r eb o n d i n gi sah n do ft h e r m o s o n i cb o n d i n gt e c h n o l o g y i ti sa l s oa k i n do fw i r eb o n d i n gt e c h n o l o g yw h i c hc o n n e c t st h ee l e c t r o d e si n s i d et h ei n t e g r a t e c i r c u i t ( i c ) g o l dw i r eb o n d e ri sj u s ta b o u tt h i sl ( i n do fe l e c t r o m e c h a n i c si n t e g r a t e e q u i p m e n tw h i c hu t i l i z e st h i st e c h n o l o g y u l t r a s o n i cp o w e rs u p p l yi st h eu l t r a s o n i c p o w e ro u t p u tc o m p o n e n t a sak e yp o r t i o no ft h eg o l dw i r eb o n d e r , i td e t e r m i n e st h e q u a l i t ya n de f f i c i e n c yo fb o n d i n gd i r e c t l y i na l l u s i o nt ot h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m e x i s t i n gi nt h ed e v e l o p m e n to ft h eu l t r a s o n i cp o w e rs u p p l y , t h ep r i n c i p l e sa n dc o n t r o l a p p r o a c h e so fp i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e rw e r ed e t a i l e da n a l y z e di nt h i sp a p e r a n dt h e s y s t e ma r ed e s i g n e da n ds t u d i e df r o mh a r d w a r ep a r ta n ds o f t w a r ep a r t ，a l s o ，t h e v a l i d a t i o na n da n a l y s i so fe x p e r i m e n ta r ed o n e t h eh a r d w a r ep a r tm a i n l yi n c l u d e s4m o d u l e s ，w h i c ha r ed cr e g u l a t o rc i r c u i t ， f u l l b r i d g ei n v e r t o r , f r e q u e n c ya u t o - t r a c k i n ga n dm i c r oc o n t r o l l e ru n i t s t h e s ea r e m a i n l ys t u d i e da n dd e s i g n e di nt h i st h e s i s t h ee x p e r i m e n tp c bu s i n g2 2 0 v a ci n p u t ， a n do u t p u tt ot h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r t h eb o n d i n gp a r a m e t e r sa n dc o n t r o l c o m m a n d sa r ei n p u tf r o mt h ep ct h r o u g hr s 2 3 2s e r i a lp o r tc o m m u n i c a t i o n ，a n dt h e u l t r a s o n i co u t p u tp o w e ra n dt i m ea r ec o n t r o l l e db yt h eh y p o g y n o u sm a c h i n e t h es o f t w a r ep a r ti sm a i n l yt h ee x p e r i m e n ts o f t w a r ed e s i g no ft h eh y p o g y n o u s m a c h i n e t h em a i nf u n c t i o nm o d u l e so ft h es o f t w a r es y s t e ma r ed e t a i l e d l ya n a l y z e d a n dd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ef l o wc h a r td e s i g no fm a i np r o g r a m ，t h ef l o wc h a r td e s i g n o fs e r i a li n t e r r u p ts e r v i c es u b p r o g r a m ，t h ep r o g r a md e s i g no fp o w e rr e g u l a t i o na n d t h et i m i n gp r o g r a md e s i g no ft h eu l t r a s o n i co u t p u t o nt h eb a s i so ft h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n dc i r c u i td e s i g n i n g ，c o r r e l a t i v et e s t sa n d v a l i d a t i o no fe x p e r i m e n ta r ed o n eb yu s i n gah i g hp r e c i s i o nd i g i t a lo s c i l l o g r a p h , i n c l u d i n gt h eo u t p u tt e s to fd cr e g u l a t o rc k c u i t ，w o r k i n gt i m et e s to ff u l l b r i d g e i n v e r t o r , a n dt h ee f f e c tt e s to ff r e q u e n c ya u t o - t r a c k i n gc i r c u i t i nt h ee n d , t h e e x p e r i m e n tc o n c l u s i o n sa r es u m m e du p a b s t r a c t k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cp o w e rs u p p l y ：f r e q u e n c yt r a c k i n g ；p h a s e - l o c k e dl o o p ： r e s o n a n c ec i r c u i t i i i 广东工业大学工学硕士学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学攻读硕士学位研究生期间在导师的指 导下取得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导教师签字： 论文储粹夯岛谬 沙7 年参月岁日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 本课题来源于广州市科技攻关计划项目全自动i c 芯片焊线机的关键技 术研究与开发( 项目编号：2 0 0 6 2 3 - d 9 0 7 1 ) 。 近年来随着世界产业的调整，制造业向亚太地区转移，特别是向中国、向珠 江三角洲地区转移，在我国珠三角地区，半导体封装产业己经蓬勃兴起和发展， 随着竞争的加剧，成本不断地压缩，越来越多的厂家转向邦定( b o n d i n g ) 的封装形 式【l 】。邦定是英文“b o n d i n g ”的音译，金丝球焊线是一种用金线将i c 芯片内部 电路与引线框架管脚进行连接的工艺，而焊线机是邦定封装的主要设备。 上个世纪八十年代后期，焊线机的生产研发主要分布在美国、日本、中国台 湾及西欧等发达国家地区，且价格都非常高，我国完全依赖进口设备，大大制约 了我国半导体制造业的发展。现在一些国内半导体设备制造商如深圳伟天星半导 体设备有限公司、深圳亿洋光电设备有限公司、深圳翠涛电子科技有限公司等已 通过白行研发，成功研制生产了手动、半自动超声波金、铝线焊线机，而价格大 大低于国外同类机型，取得了良好的销售成绩【l 】。但由于近几年新型电子产品的 高性能化、小型化、并且产量急剧上升，现有的设备已不能完全满足客户产品的 要求，必须对原有的设备进行技术改造，使其成为能够进行更细间距、更高精度、 更高速度的微电子封装设备【2 】。超声波焊接技术，又称为芯片打线技术，占有微 电子封装9 0 的市场，是目前最常用的芯片互连技术。而实现该焊接功能的超声 波功率电源是焊线机焊接质量与焊接速度的直接决定因素。因此，要想加快焊线 的速度，改善焊点的质量，提高焊线机整机设备的性能，促进我国半导体封装产 业的发展，打破国外的技术垄断，掌握面向金丝球焊线机的高性能超声波功率电 源的原理及其控制方法具有很强的研究价值和实用意义。 广东t 业大学硕十学位论文 1 2 课题背景知识 1 2 1 超声波焊线技术 超声波焊线技术，又称为热超声键合技术，是一种初级内部互连方法，是框 架引脚连到实际的裸片表面或器件逻辑电路的内部互连方式，这种连接方式把逻 辑信号或晶片的电信号与外界连起来【3 】。超声焊接过程是一种不同于热焊的固态 焊接过程，如图1 - 1 所示，它是通过超声功率电源输出频率稳定的超声频交流电 信号，经超声换能器转变为机械振动，振幅经超声变幅杆放大后传递给焊接劈刀， 使两种金属接触面产生摩擦。在焊接初期阶段消除焊接区氧化膜及杂质，振动摩 擦使两种金属充分接触；在焊接阶段，摩擦作用使焊接区升温，交界面产生塑性 变形，同时在一定压力的作用下，两种金属键合到一起，形成牢固的机械连接， 即实现焊接。在一级芯片封装领域中，热超声芯片键合以其工艺过程简单、效率 高、无污染等的优点而被认为是具有广泛应用前景的技术工艺【4 】。 图1 - 1 超声波焊线技术示意图 f i g 1 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f u l t r a s o n i cw i r eb o n d i n g 1 2 2 超声功率电源的基本原理 刀 超声功率电源也称作超声电源，实质是一个功率信号发生器，它主要是用来 产生一定频率的超声频交流电信号，从而驱动超声换能器。常见的基本系统框图 如图1 - 2 所示，由波形发生器、功率放大器、阻抗匹配和频率自动跟踪等功能模块 组成，超声换能器作为系统负载【5 1 。从电学观点看，由于换能器在静态时呈现“容 2 第一芎绪论 性 ，故需要设计一个匹配电路，使其总体呈现“纯阻性” 6 1 。对于一些功率在 几百瓦甚至上千瓦的大功率应用场合，如大功率超声焊接、超声清洗等，换能器 的阻抗匹配非常重要。而在一些超声功率较小的应用场合，例如微功率超声焊接， 阻抗匹配的重要性并不大 7 1 。本文所设计的超声波发生器因为其最大功率只有 5 w ，故本文不进行这方面的论述。 图1 - 2 超声功率电源基本系统框图 f i g 1 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fu l t r a s o n i cp o w e rs u p p l y 1 2 3 超声功率电源的发展历程 超声功率电源的发展与电力电子器件的发展密切相关，一般分为三个阶段： 第一个阶段是采用电子管放大器；第二个阶段是采用晶体管放大器；第三个阶段 是采用电力电子开关型器件引。 ( 1 ) 采用电子管放大器 在上世纪8 0 年代之前，信号的功率放大还采用电子管。电子管的优点是它的 动态范围较宽，该参数对于音频放大器致关重要，但对超声功率电源则没有什么 用处。而电子管的缺点很多，例如：功耗大、体积大、寿命短、效率低。因此， 一旦功率晶体管出现之后，电子管放大器即遭淘汰。 ( 2 ) 采用晶体管放大器 上世纪8 0 年代到9 0 年代中旬，功率晶体管发展已非常成熟，各种o c l 及o t l 电 路均适用于发生器，但工作在模拟线路状态的功率晶体管放大器也有几个缺点： 例如功耗较大、热稳定性差、容易老化、效率较低、体积大、重量重、成本高、 可靠性低、参数整定不方便、不易使用现代的微处理器来处理。 ( 3 ) 采用电力电子开关型器件 随着电力电子器件的发展，特别是v d m o s 管( 垂直沟道m o s 管，也可称功 率场效应管) 和i g b t ( 隅离栅双极晶体管) 的发展和成熟，使得采用开关式发生 器成为可能。开关型发生器的原理是通过调节开关管的占空比( 或导通与截止时 3 广东t 业大学硕t 学位论文 间) 来控制输出的功率。由于晶体管工作在截止及饱和导通时的功耗很小，因此 这种开关型发生器的优点是：功耗很低、寿命高、效率高、开关快速、体积小、 重量轻、可靠性好、可用微处理器等直接控制。近年来，超声功率电源的开关器 件主要为m o s f e t 和i g b t ，前者主要用于2 k w 以下的电源，而后者则主要应用于 2 k w 以上的电源。 1 。3 超声功率电源中关键技术的国内外现状及发展方向 1 3 1 超声波信号产生技术 目前，功率超声系统中的换能器绝大部分都是使用超声频交流电信号驱动的 压电换能器，因而基于压电换能器设计的超声功率电源即成为主流，而超声功率 电源中超声频交流电信号的产生有如下几种方法【8 】： ( 1 ) 采用专门波形函数发生器的方法。例如i c l 8 0 3 8 等，配以少量的外围 电路产生所需波形。该方法的优点是产生的波形平滑，压控性能较好。但是信号 波形的频率不能太高，并且由于采用模拟线路的架构，后面需要接一个功耗较大、 效率较低的功率放大电路，仍属于超声功率电源发展第二阶段的技术。 ( 2 ) 采用半桥或全桥逆变器的方法。例如采用功率m o s f e t 或i g b t 等的 电力电子器件，并配以专门的硬件驱动电路。该方法电路简单，容易结合p w m 、 p f m 以及直流斩波等的技术，而且器件工作于开关管状态，效率很高，功耗很低， 而且便于使用微控制器控制，扩展其功能。该项技术方法比较成熟，所需的电力 电子器件也较为常用，因而已成为当代设计电源的技术主流。 ( 3 ) 采用直接数字频率合成( d d s ) 技术。例如采用数模转换器或者f p g a 等半导体器件直接产生超声频交流电信号，该方法产生的波形精确、稳定、可靠， 容易使用微控制器进行直接控制。但该方法也有缺点，例如直接输出的功率较低， 驱动能力弱，在需要实时动态调整输出功率或者控制输出时间的场合则不大方便， 对c p u 等相关半导体器件的要求较高，从而增加了成本。 1 3 2 频率自动跟踪技术 在超声功率电源系统中，频率自动跟踪是一个必备的功能。系统负载超声波 压电换能器的内部等效电路如图1 3 所示，换能器负载在静态时呈现容抗特性， 4 第一章绪论 但在工作时会产生时变的动态电感l m 、电容c m 、电阻r m 6 。从电路观点看，换 能器系统构成谐振电路。当达到谐振状态，即电源的输出频率与该谐振系统的固 有频率一致时，主回路中的电流以及焊线机劈刀的振幅达到最大，焊线加工效果 最好。然而换能器的动态电感、电容、电阻将会引起换能器固有频率的变化，如 果此时电源的输出频率不随之改变，将使换能器工作在失谐状态，从而导致焊线 机劈刀的振幅减小，使系统降低甚至丧失超声加工的能力。因此控制措施应具有 快速响应并且自动跟踪谐振频率的功能【6 。 l m c m r m a 抉能器符号 b 换能器等效电路 图1 - 3压电换能器的符号及其等效电路 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f t r a n s d u c e r 谐振频率自动跟踪的方法，可以分为电反馈控制和声反馈控制【9 】。声反馈控 制是以声耦合方式，从换能器上采集反映机械谐振频率的反馈信号。虽然这种方 法可以直接检测换能器的振动信息，但传感信号一般极微弱，在信号处理上对系 统抗干扰性要求非常严格，从而导致成本的增加。 电反馈控制方法把换能器振动系统看作超声功率电源的电学负载，通过利用 在谐振时换能器电学信号的特征进行反馈控制。主要有以下几种方法： l 、阻抗电桥式动态反馈系统。这种方法是利用电桥平衡原理以补偿换能器电 学臂的无功与有功分量，利用电桥的差动变量提取与换能器机械臂电流成正比的 反馈电压，使闭环系统在换能器机械谐振频率上形成自激振荡。该方法存在一些 缺点，例如通用性差、效率低、电桥的元件匹配精度要求高【1 0 1 。 2 、搜索电流最大值的频率跟踪系统。当换能器系统处于串联谐振时，电源输 出的电流达到最大。此方法就是通过搜索电流最大点，找到谐振频率，从而控制 电源工作的频率。这种方法多用单片机来实现搜索和调节频率，使用软件实现跟 踪，因而对c p u 的性能以及程序算法的时效要求都比较高【1 1 1 。 3 、基于锁相环硬件电路的谐振频率跟踪系统。这种方法目前比较常用，它是 利用换能器电压与电流的相位差来控制发生器的输出电频率，从而实现频率自动 广东t 业大学硕，j 学位论文 跟踪。这种频率跟踪方法的优点如下【1 2 】： ( 1 ) 电路结构简单，锁相环片内集成的v c o 振荡频率范围宽，频率跟踪能 力稳定可靠，成本低廉。 ( 2 ) 锁相环是一个很好的带通滤波器，可以有效的将带外不需要的信号滤掉， 不会使系统误跟踪在其他非谐振信号的频率上。 ( 3 ) 锁相环频率自动跟踪系统的控制信号是相位信号，不再直接依靠换能器 振动系统的电压、电流动态变化量，因此相比于其他控制技术更适合于大功率超 声设备的频率跟踪系统。 ( 4 ) 换能器不直接包括在反馈网络中，避免了因声能系统的不同而对反馈控 制回路中各元件参数的严格选择和复杂的调试，因此更具有实用性。 1 3 3 国内外的技术发展方向 目前，国内外在超声功率电源系统的技术研究方面，除了超声波信号的产生、 频率自动跟踪等技术外，还有下面几个重点研究的技术方向1 3 1 ： ( 1 ) 大功率。在一些超声应用中，如清洗、焊接等，往往需要超声功率电源 对作用对象输出很大的电功率，这就要求使用到的电力电子开关器件具有较大的 容量以及良好的缓冲措施。另外，功率合成以及单元模块设计也是实现大功率化 的一个趋势。 ( 2 ) 兆赫级超声功率电源的研制。近几年发展起来的兆赫超声清洗技术要求 采用7 0 0 k h z 1 m h z 的超声波进行清洗。兆赫级电源的研制存在着诸多问题，开 关器件要有很高的开关频率，软开关技术、降低开关损耗将是提高效率的关键。 此外，高频使到电感、电容等电子元器件上的无功功率大大增加，电磁干扰问题 也十分突出。 ( 3 ) 数字化。把数字技术引入到超声功率电源之中，特别是应用d s p 技术实 现频率自动跟踪和功率自动调节是近几年来研究的热点。 ( 4 ) 扫频技术的应用。用于避免固定在某一加工点处出现驻波现象，从而使 得加工效果均匀。 6 第一章绪论 1 4 本文主要研究内容 本文根据超声波金丝球焊线机的工艺动作和超声功率电源的控制要求，主要 在以下几个方面开展研究工作： ( 1 ) 根据焊线机对超声功率电源的技术参数要求，以及通过对各种功能电路、 控制方法的分析与论证，选择本课题超声功率电源的设计方案。 ( 2 ) 完成超声功率电源硬件电路系统的设计与制作，包括整板供电模块、直 流稳压模块、波形发生器模块、功率给定模块、时间控制模块、频率自动跟踪模 块、单片机控制模块、串行口通信模块等。 ( 3 ) 完成系统实验程序的设计，包括单片机主程序、串行口通信中断服务子 程序、功率给定子程序和超声输出时间控制子程序。 ( 4 ) 超声功率电源实验电路板的制作，以及实际电路波形的测试，相应实验 波形的分析与实验结果的总结。 7 广东t 业大学丁学硕十学位论文 第二章超声功率电源硬件系统的设计 2 1 系统硬件设计的技术参数要求 本文设计的超声功率电源主要应用于微功率焊接的精密超声波金丝球焊线 机，功率上需求较小，最大只有5 w ，而常见的超声功率电源大多数为几百瓦甚 至几千瓦；另外，焊线机的焊接工艺精细，可焊的金丝线径为2 0 5 0 9 m 即o 8 2 m i l ，超声焊接时劈刀的振动幅度极小，肉眼基本上难以观测。由于焊一条线一 般都要两个焊点，而每个焊点的可焊性不一定相同，容易焊接的焊点需要焊接的 功率和时间相对短些，不易焊接的焊点需要的焊接功率和时间相对长些。因此， 若要保证每个焊点的质量又要尽量提高焊线的工作效率，则要求超声的输出必须 要具有两个通道，即一焊超声输出通道和二焊超声输出通道，且其功率和时间都 要分别可调。本课题超声功率电源详细的技术参数要求如下： ( 1 ) 超声输出通道数：2 通道( 一、二焊的功率以及时间都分别可调) 。 ( 2 ) 超声输出功率：0 - - 一5 w 可调。 ( 3 ) 超声输出时间：5 1 0 0 m s 5 可调。 ( 4 ) 超声输出频率：6 1 k l k h z 。 ( 5 ) 所带压电换能器阻抗：2 5q 。 ( 6 ) 频率跟踪方式：自动跟踪。 ( 7 ) 焊接参数输入方式：由上位机通过串口通信输入到单片机。 2 2 系统硬件设计的方案及工作原理 根据系统的基本技术参数要求，以及在第一章中对超声功率电源发展历程和 关键技术的了解与分析，决定采用电力电子开关型器件，应用逆变技术产生超声 频交流电信号，采用锁相环电路实现频率的自动跟踪。确定本文设计的超声功率 电源硬件结构框图如图2 1 所示。 8 第二章超声功率电源硬件系统的设计 2 2 0 v a c 工频电网 焊接参数 图2 1 系统硬件结构框图 f i g 2 1h a r d w a r es t r u c t u r eo f t h es y s t e m 图2 1 超声功率电源硬件系统中主要模块及其功能如下： ( 1 ) 直流稳压电路：把工频电网的电能整流并转换为逆变电路所需要的功率 输入，并且在该部分电路之中提供功率设置以及时间控制功能。 ( 2 ) 开关型逆变电路：把直流稳压电路的功率输出转换为驱动换能器所需要 的超声频交流电信号。 ( 3 ) 锁相环电路：用于实现负载谐振频率和驱动脉冲频率的同步，从而实现 频率自动跟踪。包括电流采样电路、锁相环电路、逆变驱动电路三部分。 ( 4 ) 微控制器：用于接收上位机发送过来的控制参数，并进行相关设置。 系统的基本工作原理如下：上位机把焊接功率、时间参数以及超声输出等的 相关命令通过串行口通讯发送到下位机单片机，单片机按照接收到的功率和时间 参数对直流稳压模块进行相关的控制，以输出所需要的电功率。一旦接收到输出 超声的命令，即马上驱动逆变电路输出压电换能器工作所需的交流电信号，同时 在超声输出的过程中采用频率自动跟踪控制电路形成一个闭环的硬件控制回路， 从而实现超声波电信号频率的自动跟踪，以确保换能器工作在谐振状态。 2 3 系统主要功能模块的电路设计 2 3 1 整板供电模块 本系统需要以下两种电源进行供电： ( 1 ) + 1 5 v ：为超声功率电源的主电路、运算放大器芯片、模拟开关芯片、锁 相环芯片、开关管驱动器芯片提供电源； ( 2 ) + 5 v ：为主电路的电压调零、数字电位器芯片、以及单片机控制系统等提 9 广东t 业大学t 学硕十学位论文 供电源。 电源的结构框图如图2 - 2 所示，实现方法如下：2 2 0 v a c 的交流市电经 2 2 0 v a c 1 8 v a c ，8 w 工频变压器降压、k b p 2 1 0 g 单片全桥整流、电容滤波、三 端集成稳压l 7 8 1 2 c v 、7 8 0 5 c t 之后分别输出+ 1 5 v 和+ 5 v ，各路电源允许输出的 电流最高可达1 5 a 。 2 2 0 v a c 变压h 整流滤波 三端集 成稳压 墨苦 图2 - 2 整板供电模块的结构框图 f i g 2 2s t r u c t u r eo fp o w e rs u p p l yf o rp c b 2 3 2 直流稳压模块 直流稳压电路向逆变电路提供稳定的功率输入，是超声功率电源一个重要的 组成部分，该部分电路的性能直接影响到焊接的质量。直流稳压电路需要有稳定 可调、满足功率需求的直流输出，以及对电网电压波动不敏感等方面的要求。目 前市面上有很多的直流电源，但输出电压一般都比较低，并且难以实现参数自动 化调整，而一些大功率的直流电源则容量过大，因此需要自行设计开发适用于焊 线机超声功率电源的直流稳压电路。 2 3 2 1 直流稳压电路的设计要求与方案选择 该部分电路要求实现的基本功能： ( 1 ) 将工频电网的电能转换为逆变电路所需要的功率输入。 ( 2 ) 提供利用单片机控制实现功率设置以及时间控制的功能。 ( 3 ) 超声输出双通道的功能( 一、二焊的功率以及时间都分别可调) 。 ( 4 ) 可以手动输出超声的测试功能。 技术参数要求： ( 1 ) 超声输出功率：o 5 w 可调。 ( 2 ) 超声输出时间：5 l o o m s 5 可调。 ( 3 ) 输出直流电压：0 1 2 v 可调。 1 0 ( 4 ) 负载换能器阻抗：2 5 q 。 根据上述参数，计算电流容量： k = 半= 器- 0 4 8 a ( 2 1 ) 在电源系统的设计当中，常用的直流稳压电路一般有以下三种：采用晶闸管 的可控整流稳压电路，采用桥式整流以及斩波电路构成的稳压电路，采用桥式整 流以及三端集成稳压芯片构成的稳压电路，常见的电路结构如图2 3 所示【1 4 】。 v t l 一厂一 厂 zv t lzv - r 2 i 一 厂一广 zv t 3zv t 4 1 1 1 “ v t l东+ i z ( a ) 晶闸管整流电路( b ) 降压斩波电路 图2 - 3 常用整流稳压电路 f i g 2 - 3r e g u l a t o rc i r c u i t sf o ru s u a lu s e ( 1 ) 从电路结构、控制方法以及调压能力进行分析：前两者都可以实现较宽 电压范围的连续调整，但是控制电路比较复杂，都需要设计专门的驱动电路，采 用如p w m 、p f m 等的控制方式。如果要求多通道输出的话，实现起来也比较繁 琐。l m 3 1 7 是输出电压可调的集成稳压芯片，使用简单，可以通过调整其调整端 的电压来调节输出电压，调压范围1 2 5 v - 一3 7 v 连续可调，并且能够保证1 5 a 的 输出电流，可以满足系统设计0 1 2 v ，l 盯- - 0 4 8 a 的参数要求。 ( 2 ) 从输出稳定性以及电路板制作等方面分析：性能优良的超声电源的输出 功率随着接驳负载的增减能做出相应的调整，保证输出到换能器的电压幅值恒定。 晶闸管可控整流会带来大量的谐波，波形严重失真，并且对电网造成严重的污染。 斩波电路中的开关器件在导通和关断时有电压和电流作用在开关器件上，也会造 成较大的开关损耗和高次谐波，特别是在高频的情况之下问题更加严重。它们都 采用大电解电容作为储能元件，而l m 3 1 7 三端可调集成稳压芯片则只需要外接 小容量的滤波电容，并且其内阻小，输出电压稳定，输出涟波小，噪音极低。 因而，直流稳压电路的设计采用l m 3 1 7 三端可调集成稳压芯片的方案。 广东工业大学t 学硕上学位论文 2 3 2 2 基于l m 3 1 7 的直流稳压电路 l m 3 1 7 是可调节的三端正电压集成稳压器芯片，在输出电压范围为1 2 一3 7 v 时能够提供1 5 a 的驱动电流【1 5 1 。还具备内部热过载保护，不随温度变化的内部 断路电流限制，输出晶体管安全工作补偿的功能，使之基本能防止烧断保险丝。 此外，它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好，调整端若使用滤 波电容可以得到比标准三端稳压器高的多的涟波抑制比。此稳压器非常易于使用， 只需要两个外部电阻来设置输出电压。该器件还可以用来制作可编程的输出稳压 器，只需要将其调整端接到一个可编程控制的电压上，即可实现可编程的电压输 出，其输出电压值计算公式为： u 。= u a d i + 1 2 5 v ( 2 2 ) l m 3 1 7 的基本应用电路如图2 4 所示。l m 3 1 7 能提供极为良好的负载调整 率，但为实现最优性能，r 1 电阻应尽可能连接在与稳压器靠近处，以使线路造成 的压降最小，避免调整率变差。r 2 的接地端可以回到靠近负载接地端处，以提供 远程接地取样并改进提高负载调整率。使用1 0 u f 的钽电容作为输入旁路电容 c i n ，以减少对输入电源阻抗的敏感性。通过把调节端旁路到地来提高纹波抑制， 该电容( c a d j ) 用于防止输出电压增大时纹波被放大，在1 0 v 的应用中，1 0 u f 电 容能在1 2 0 h z 处改进纹波抑制约1 5 d b 。采用1 0 u f 钽电容作为输出滤波电容c o ， 二极管d 1 、d 2 用于防止c o 、c a d i 向芯片放叫1 6 1 。 瓢 图2 - 4 l m 3 1 7 基本应用电路 f i g 2 - 4a p p l y c a t i o nc i r c u i to fl m 3 17 1 2 第二章超声功牢电源硬件系统的设计 2 3 2 3 功率设定电路 系统设计要求输出功率0 5 w 可调，采用电阻调压调功的方式，把输出电压 0 - - 一1 2 v 与功率值0 - - 一5 w 对应起来。数字电位器也称为数控电位器，是一种用数字 信号控制其阻值改变的i c 器件，数字电位器与机械式电位器相比具有可程控改变 阻值、耐震动、噪声小、寿命长、抗环境污染等重要优点，因而已在自动检测与 控制、智能仪器仪表等许多重要领域得到成功应用。但数字电位器滑动端允许通 过的电流较小，一般不超过3 m a ，此外主电路端口允许接入的电压值也比较小， 一般不超过+ 5 v ，这都在很大程度上限制了它的应用。鉴于以上的特征，可在电 位器的滑动输出端外接电压跟随器( 一般由集成运放实现，也有数字电位器片内 就集成了电压跟随器) ，这样既可以扩大芯片的电流驱动能力( 通用集成运放输出 的驱动电流为1 5 m a 左右) ，又能隔离负载后级电路对数字电位器的影响1 1 7 j 。 课题要求采用双通道设计，即一、二焊的超声输出功率以及输出时间都要分 别可调。采用由单片机控制的x 9 3 1 2 数字电位器作为功率设定器件，一焊和二焊 功率调整电位器的电路接口如图2 5 所示，+ 5 v 电源从电位器x 9 3 1 2 z 的v h 端输 入，由v w 端输出，再经过模拟开关之后送到l m 3 2 4 n 运算放大电路，v l 端连接地。 单片机p 1 口的其中三条线p 1 2 、p 1 4 、p 1 7 分别控制一焊功率调整电位器x 9 3 1 2 的 c s 、u d 、i n c 端，剩下的口线用来控制二焊功率调整电位器，以此来实现双 通道的功率调节。 x 9 3 1 2 z 图2 5 功率调整数字电位器接口电路 f i g 2 - 5i n t e r f a c ec i r c u i to fd i g i t a lp o t e n t i o m e t e rf o rp o w e rr e g u l a t i n g 1 3 广东t 业大学工学硕士学位论文 由于工作主电路电压o 1 2 v ，电流k - - 0 4 8 a ，而数字电位器芯片大多采 用+ 5 v 电源供电，若直接接入工作主电路将会被烧毁。利用l m 3 1 7 可调节三端 正电压稳压器，只要将其调整端接到由数字电位器控制的可编程电压上，即可实 现输出电压可调【1 8 】。设计基于l m 3 1 7 的直流可调稳压电路如图2 6 所示。 ， 图2 - 6l m 3 1 7 可调稳压电路 f i g 2 - 6l m 3 17a d j u s t a b l er e g u l a t o rc i r c u i t 图中，l m 3 2 4 n 是单电源通用集成运放，其中i c l 0b 接成同相放大电路， 设计放大倍数为3 倍。p o w e rs e t 端口接到数字电位器的输出端v w ，当数字电位 器输出最大电压+ 5 v 的时候，运算放大电路输出+ 1 5 v ；i c l 0c 接成减法运算 电路，使得l m 3 1 7 的输出电压值能从0 v 开始进行调节；m c l 4 0 3 为精密三端集 成稳压芯片，与i c l 0c 配合使用，用于l m 3 1 7 输出电压调零。根据l m 3 1 7 稳 压器的内部电路结构和工作原理可知，稳压器的输出电压在元件允许工作范围内， 其输出电压u c c 和数字电位器滑动端输出的电压呈线性关系，数字电位器输出0 4 v 对应于l m 3 1 7 输出o 1 2 v 。 2 3 2 4 超声输出时间控制电路的设计 m a x 4 6 0 2 1 9 】是正逻辑模拟开关芯片，具备导通电阻r o n = 2 5 qm a x ，允许电 流i = _ 3 0 0 m a ，导通时间t o n = 2 5 0 n sm a x ，关断时间t o v v = 3 5 0 n sm a x 的技术性能 参数，可以满足课题5 一1 0 0 m s 5 可调的时间要求，而固态继电器等器件则由 于开通、关断时间过长，导通内阻较大等原因所以本文不予采用。 电路连接如图2 - 7 所示。把功率调整数字电位器v w 端送过来的功率给定信 1 4 第二章超声功率电源硬件系统的设计 号接入模拟开关i c 9a ，当模拟开关闭合时则输出功率，模拟开关闭合的时间即 为超声输出的时间。采用高速光电耦合器( 以下简称高速光耦) 来控制模拟开关， 以实现单片机与模拟开关之间的信号隔离。 图2 7 时间控制模拟开关接口电路 f i g 2 - 7i n t e r f a c ec i r c u i to f b i l a t e r a ls w i t c hf o rt i m ec o n t r o l l i n g 具体的控制过程如下：当单片机的p 3 4 口输出低电平时，o c 门的输出也为 低电平，高速光耦4 n 3 5 片内发光二极管发光，片内光敏三极管受光照后导通， 使得i c 7 的第4 脚输出为+ 1 5 v ，加在模拟开关的控制端，即i c 9a 的第1 3 脚， 使得模拟开关闭合，从而连通相应的超声输出通道。反之，当单片机的p 3 4 口输 出高电平时，高速光耦片内发光二极管不发光，片内光敏三极管处于截止状态， 模拟开关断开，超声输出通道截止。超声输出控制逻辑见表2 - 1 。 表2 1 超声输出控制逻辑表 t a b 2 - 1c o n t r o ll o g i co f u l t r a s o n i co u t p u t 单片机i o 口输出超声输出通道 低电平闭合 高电平关断 由表2 - 1 可知，单片机i o 口输出低电平的持续时间即为超声输出的时间。 二焊超声输出时间控制电路与一焊相同，不再予以描述。 另外，可以通过图2 7 中的b 2 按钮，以及精密可调电位器w 1 实现手动输 出超声的功能。按下按钮b 2 的时间即为输出超声的时间，w 1 用于调节功率。 广东t , j k 大学t 学硕十学位论文 2 3 3 主回路逆变电路 2 3 3 1 逆变电路拓扑形式的选择与工作原理 逆变电路用于把直流稳压电路的输出转换为驱动换能器所需要的超声频交流 电信号，直接决定着输出信号的频率，而输出信号的幅值则由直流稳压模块的功 率给定电路进行控制。逆变电路主要有如图2 8 所示的几种拓扑形式1 2 0 2 1 1 。 a 1h a l f - b r i d g ei n v e r t e r j r ( c ) 哥2 i e 激式逆变器 ( c ) d u a l - s w i t c hf a r w a r di n v e r t e r b ) f u l l - b r i d g ei n v e r t e r o i ( d 滩挽式逆变器 ( d ) p u s h - p u ui n v a t e r 图2 8 逆变拓扑形式 f i g 2 8t o p o l o g yo fi n v e r t e r ( a ) 半桥式逆变器只有两个功率开关器件，工作轮番导通，开关器件只需承 受一半的电源电压，电路结构简单，成本低廉。但是开关器件存在着直通的危险， 需要有可靠的隔离驱动电路，并且需要大的电解电容作为储能元件，而逆变电路 1 6 第二章超声功率电源硬件系统的设计 的输出电压只有电源电压的一半，一般适用于几百瓦至几千瓦的中小功率电源。 ( b ) 全桥式逆变器的功率开关器件承受全部的电源电压，在输入电压相等、 负载相同的情况下，全桥逆变输出的功率是半桥逆变的4 倍。但是全桥逆变的开关 器件也存在着直通的危险，需要多组的隔离驱动电路，一般应用于几百瓦至几百 千瓦的大中功率开关电源、焊接电源和电解电源等。 ( c ) 双正激式逆变电路的电路形式简单，开关器件同时导通和关断，不存在 直通现象，可靠性高，成本低，驱动电路也很简单；但是变压器单向励磁，利用 率低；一般应用在几百瓦至几千瓦的各种中小型开关电源上。 ( d ) 推挽式逆变电路的变压器是双向励磁，变压器一次电流回路中只有一个 开关器件，通态损耗小，驱动简单；但是变压器存在偏磁问题，而且开关器件承 受电压比较大；一般应用在几百瓦至几千瓦的低输入电压的开关电源上。 根据本课题的技术参数要求：超声输出功率0 5 w 可调，输出交流电压峰值 1 2 v 可调，最大电流0 4 8 a 。并综合上述各种逆变形式的特点，决定采用方案 ( b ) ，即全桥式逆变器作为主回路的逆变电路。 全桥逆变电路的工作波形时序如图2 - 9 所示【2 2 1 。在t l 时间段内，开关管t 1 、 t 4 同时加上栅极驱动电压，逆变电路的输出v o u t 为正；经过死区时间d t 之后， 在t 2 时间段内，开关管t 2 、t 3 同时加上栅极驱动电压，逆变电路的输出v o u t 为负；按照这个时序规律，对四个功率开关管进行导通与关断的控制，即可在逆 变电路的输出端获得所需频率的矩形波交流电压输出。 v r l g 口一一 一一一 坚l 一 l 一 口 竖 一j l 一! 口 v i 一 4 g 口lj 上一l 坚日臼口甘 j ! ! jj 丝jj 堡 jj 丝 j 1 7 广东工业大学t 学硕十学位论文 2 3 3 2 功率开关器件的选择 在电源系统的设计当中，电力电子器件是最为关键的核心器件，其性能的好 坏直接决定了电源系统的性能。电力电子器件有很多种，如功率场效应管 m o s f e t ，绝缘栅双极晶体管i g b t ，门极可关断晶闸管g t o 和双极型电力晶体 管g t r 。由于它们的电流容量、耐压能力、开关