??? 摘 要：本文針對(duì)半導(dǎo)體封裝設(shè)備金絲球焊線機(jī)的打火燒球系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，采用C8051F000單片機(jī)為主控制芯片，以PID和PWM為控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了高性能的數(shù)字開(kāi)關(guān)電源，進(jìn)而對(duì)打火升壓器件——高壓包(FBT)進(jìn)行有效控制。此系統(tǒng)具有:打火電壓穩(wěn)定、系統(tǒng)可控性好、成球質(zhì)量高以及系統(tǒng)成本低等特點(diǎn)。
??? 關(guān)鍵詞：C8051F000；PID；PWM；開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源；FBT
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??? 近年來(lái)半導(dǎo)體封裝工業(yè)己經(jīng)開(kāi)始在中國(guó)蓬勃興起和發(fā)展，對(duì)中國(guó)工業(yè)技術(shù)的提高有很大的推動(dòng)作用。焊線機(jī)一般用于封裝前將芯片內(nèi)部電路用金線與封裝管腳連接。根據(jù)本焊線機(jī)的工作特點(diǎn)，打火工序在焊接完成以后對(duì)尾絲的處理中發(fā)揮作用。打火過(guò)程中高壓包輸出的高壓火花把尾絲燒制成球狀。這一加工過(guò)程的意義在于：第一，有利于固定金絲，使它不會(huì)在機(jī)構(gòu)的調(diào)整中從劈刀中掉落；第二，金球增大了金絲與焊接件的接觸面積，有利于焊接質(zhì)量的提高，為下一次焊接做好準(zhǔn)備。可以說(shuō)打火燒球?qū)φ麄€(gè)焊接過(guò)程具有重要的意義。
1 打火系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
??? 該焊線機(jī)的打火系統(tǒng)是以燒熔金絲成球?yàn)槟康模?lèi)似于電子焊。輸出電壓在10 000 V到20 000 V之間，功率小于2 W，對(duì)產(chǎn)品成本、輸出精度和可控度有較高要求。
??? 針對(duì)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)是以C8051F單片機(jī)和CPLD來(lái)做數(shù)字化PID[1]調(diào)節(jié)，通過(guò)數(shù)字化PID算法產(chǎn)生PWM波來(lái)控制開(kāi)關(guān)管，進(jìn)而控制主電路；變壓器選擇回掃變壓器[2]，采用逆程升壓技術(shù)[3]。該系統(tǒng)具有成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、效率高等特點(diǎn)。其硬件方框圖如圖1所示。
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1.1系統(tǒng)主電路
??? 交流市電首經(jīng)電源濾波器濾波，變壓器降壓，再經(jīng)整流電路變換為60 V直流電，加到FBT初級(jí)端。然后經(jīng)控制電路的處理變換為高頻方波或準(zhǔn)方波電壓，升壓后，再經(jīng)高頻整流、濾波電路，最后直流高壓輸出打火。
??? 系統(tǒng)采用的升壓器件是一直廣泛應(yīng)用于電視機(jī)和顯示器中的回掃變壓器，也叫FBT 或高壓包。它利用行掃描逆程時(shí)的高壓脈沖進(jìn)行升壓，是一個(gè)體積小、升壓高的器件。該系統(tǒng)的FBT是特制的，只有基本的5個(gè)端子：1個(gè)電源端，2個(gè)控制輸入端，2個(gè)輸出端。
??? 該系統(tǒng)是用驅(qū)動(dòng)電路將PWM后的脈沖加到接成推挽式的高壓開(kāi)關(guān)管上[4]，電路圖如圖2所示。高壓包利用行逆程升壓技術(shù)產(chǎn)生設(shè)計(jì)所需的高壓。行逆程升壓技術(shù)是利用外加的電路強(qiáng)行加快高壓產(chǎn)生電路開(kāi)關(guān)管截止時(shí)反峰電壓的上升速度，使開(kāi)關(guān)管在截止時(shí)，磁通變化率更大，即可達(dá)到在同等條件下產(chǎn)生更高的電壓。開(kāi)關(guān)管選擇專(zhuān)用于電視行輸出電路中的高壓快速開(kāi)關(guān)NPN型晶體管BU508A。
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1.2控制電路
??? 輸出電壓經(jīng)分壓電阻分壓，通過(guò)CPLD控制將此電壓A/D轉(zhuǎn)換后，送到單片機(jī)的PID、顯示和控制報(bào)警部分。通過(guò)數(shù)字化PID算法產(chǎn)生PWM波來(lái)控制開(kāi)關(guān)管，調(diào)整輸出電壓，以獲得穩(wěn)定的輸出電壓；顯示部分采用LCD顯示當(dāng)前電壓；如果輸出電壓低于設(shè)定電壓則產(chǎn)生蜂鳴報(bào)警。通過(guò)串口與上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)在線控制。
1.2.1 控制芯片C8051F000[5]
??? C8051F000是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片，具有32 KB Flash存儲(chǔ)器并與8051兼容的微控制器內(nèi)核。還有硬件實(shí)現(xiàn)的(不是在用戶(hù)軟件中用位操作模擬)I2C/SMBus、UART、SPI串行接口及一個(gè)具有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA)。還有4個(gè)通用的16位定時(shí)器和4字節(jié)寬的通用數(shù)字I/O端口。C8051F000有256 B的RAM，執(zhí)行速度可達(dá)20 MIPS。正是基于C8051F000的優(yōu)越性能和較高的性?xún)r(jià)比，采用它來(lái)完成PWM生成、PID運(yùn)算及與上位機(jī)通訊。
1.2.2 輸出電壓檢測(cè)電路
??? 由于整個(gè)系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)采樣速率要求很高。采用CPLD來(lái)控制ADC，這樣就避免了高速采樣占用系統(tǒng)資源的問(wèn)題，減輕了單片機(jī)的負(fù)擔(dān)。本文設(shè)計(jì)選擇ADC芯片AD7678。 AD7678是18位、100 kS/s、電荷分配的完全差分逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它由單一的5 V電源供電，內(nèi)含一個(gè)高速18位采樣ADC，一個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，一個(gè)內(nèi)部參考緩存，糾錯(cuò)電路以及串行和并行系統(tǒng)接口，是一款速度快、功耗低、精度高的逐次逼近結(jié)構(gòu)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
??? 對(duì)ADC的控制，本系統(tǒng)采用Altera公司的FPM7128S。它是高性能E2PROM結(jié)構(gòu)的CPLD。最高可達(dá)175.4 MHz的計(jì)算頻率，支持5 V的ISP功能。I/O數(shù)64；宏單元128。主要應(yīng)用市場(chǎng)包括消費(fèi)類(lèi)、工業(yè)類(lèi)、汽車(chē)業(yè)、計(jì)算機(jī)和通信類(lèi)。
2 打火系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1數(shù)字PID部分[6]
??? 在自動(dòng)控制技術(shù)中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例(P)、積分(I)、微分(D)控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PID控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，常規(guī)PID控制發(fā)展為數(shù)字PID控制。本系統(tǒng)使用了增量式數(shù)字PI控制，控制原理框圖如圖3所示。?
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??? 由圖3所示，當(dāng)系統(tǒng)輸出產(chǎn)生偏差后，微控制器根據(jù)偏差eu[0]值的大小選擇比例參數(shù)和積分參數(shù)。當(dāng)偏差信號(hào)eu[0]在偏差范圍e內(nèi)時(shí)，比例參數(shù)Kp選擇Kp1，積分參數(shù)選擇Ki1，以防止過(guò)大動(dòng)作產(chǎn)生超調(diào)量；當(dāng)偏差較大則選擇Kp1和Ki2，引入比例環(huán)節(jié)快速調(diào)整作用。計(jì)算比例環(huán)節(jié)P值需要將本次偏差eu[0]與上次偏差eu[1]相比較，得出偏差量增量。在選擇比例系數(shù)Kp和積分系數(shù)Ki時(shí)，遵循兩個(gè)原則：第一，選擇比例增益系數(shù)Kp以保證系統(tǒng)穩(wěn)定和良好的瞬態(tài)響應(yīng)，比例增益系數(shù)Kp越大，瞬態(tài)響應(yīng)作用越大；第二，選擇積分系數(shù)Ki，以滿足消除靜態(tài)誤差。對(duì)于本系統(tǒng)，其控制對(duì)象為典型一階慣性環(huán)節(jié)，PID參數(shù)可以在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)整定。
2.2 PWM控制技術(shù)[7]
??? 脈沖寬度調(diào)制PWM(Pulse Width Modulation)，簡(jiǎn)稱(chēng)脈寬調(diào)制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，廣泛應(yīng)用于測(cè)量、通信、功率控制與變換等許多領(lǐng)域。PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無(wú)需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。
??? PWM技術(shù)對(duì)開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制, 通過(guò)改變脈沖列的周期可以調(diào)頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調(diào)壓,采用適當(dāng)控制方法即可使電壓與頻率協(xié)調(diào)變化。本文的PWM由C8051F000單片機(jī)自帶的可編程計(jì)數(shù)陣列PCA產(chǎn)生，頻率45 kHz。以下是部分程序。
??? 系統(tǒng)時(shí)鐘初始化:
??? void SYSCLK_Init (void)
??? { int i;?????????? //延時(shí)計(jì)數(shù)器
??? OSCXCN=0x67;?????? //開(kāi)啟外部振蕩器18.432MHz晶體
??? for(i=0;i<256;i++) ; //等待振蕩器啟振
??? while(!(OSCXCN&0x80)) ;? //等待晶體振蕩器穩(wěn)定
??? OSCICN=0x88;?????????? //選擇外部振蕩器為系統(tǒng)時(shí)鐘源并允許丟失時(shí)鐘檢器
??? }
??? IO口初始化
??? void PORT_Init (void)
??? { XBR0 =0x07;???? //使能SMBus,SPI0,和UART0
?? ?XBR1 =0x04;????? //P1.0<---int0
?? ?XBR2 =0x40;????? //使能數(shù)據(jù)交叉開(kāi)關(guān)和弱上拉
??? EMI0CF =0x27;
??? EMI0TC =0x21;
??? P74OUT =0xFF;
??? P0MDOUT =0x15;
??? P1MDOUT |=0x3C;???? //P1.2-P1.5推挽輸出
??? P1 &= 0xc3;??????????? //P1.2-P1.5=0
??? }
??? 定時(shí)器0初始化，定時(shí)時(shí)間為11us
??? void Timer0_Init (void)
??? { CKCON|=0x8; TMOD|=0x1;??? //16位
??? Count1ms=10;
??? TR0 = 0;???????????????????? //停止定時(shí)器0
??? TH0 = (-SYSCLK/100000) >> 8;??? //設(shè)初值，11ms時(shí)溢出
??? TL0 = -SYSCLK/100000;?
??? TR0 = 1;??????????????????? //開(kāi)啟定時(shí)器0
?? ?IE|= 0x2;
??? }
3 系統(tǒng)測(cè)試
??? 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，應(yīng)用示波器測(cè)試由C8051產(chǎn)生的PWM波形和上升時(shí)間。圖4是單片機(jī)輸出PWM波形；圖5為PWM波形上升時(shí)間。
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??? 測(cè)試用的TDS2014B是高精度數(shù)字示波器。測(cè)試在常溫下進(jìn)行。結(jié)果顯示波形穩(wěn)定，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
??? 該打火系統(tǒng)經(jīng)檢測(cè)，滿足設(shè)計(jì)要求。其數(shù)字開(kāi)關(guān)電源有可控性好、系統(tǒng)成本低、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以應(yīng)用在其他領(lǐng)域。由于篇幅限制系統(tǒng)中的其它環(huán)節(jié)，如抗干擾等部分未做說(shuō)明。另外未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是使用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)替代硬開(kāi)關(guān)技術(shù)，減小開(kāi)關(guān)功率器件的開(kāi)關(guān)功耗。還有對(duì)控制精度、速度的研究也需要深入。
參考文獻(xiàn)
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