一種超聲波換能器驅動電源的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種超聲波換能器驅動電源，包括：頻率發生器，由控制信號控制，用于向超聲波換能器輸出驅動信號；鑒相電路，用于對超聲波換能器的輸出信號進行鑒相，得到鑒相結果；數字信號處理器，用于生成所述控制信號，并根據鑒相結果進行鎖相；數字信號處理器在鎖相后生成的控制信號能夠控制頻率發生器輸出使超聲波換能器諧振的驅動信號。本發明的數字信號處理器控制頻率發生器對超聲波換能器進行掃頻，并在此過程中，鑒相電路對超聲波換能器的輸出信號進行鑒相，之后數字信號處理器根據鑒相結果確定出超聲波換能器諧振頻率，并鎖相輸出控制信號，使頻率發生器能夠控制超聲波換能器維持在諧振狀態工作，從而提高了其能量轉換的效率。
【專利說明】一種超聲波換能器驅動電源

【技術領域】
[0001]本發明涉及超聲鍵合領域，特別是一種超聲波換能器驅動電源。

【背景技術】
[0002]超聲鍵合工藝是指通過超聲波發生器激勵換能器的高頻振動，使高頻振動的機械能轉換為熱能，從而實現金屬導線與集成電路焊盤以及與引線框架引腳之間兩種金屬材料的熱鍵合。其工藝簡單、高效，能夠在毫秒級完成焊點的連接，因此被廣泛應用在半導體芯片封裝領域中。
[0003]在上述過程中，除了換能器本身的品質因素外，超聲波的能量通過換能器轉換為機械能的轉換效率是決定焊接質量的關鍵技術。超聲波換能器在達到諧振時機械能的轉換效率最高，但諧振頻率會因各種機械安裝及負載的因素發生一定的范圍漂移，這些因素會直接導致換能器能量轉換效率的下降，從而影響焊接質量。
[0004]因此，目前亟需研發一種能夠提高超聲波發生器工作性能的技術方案。


【發明內容】

[0005]本發明要解決的技術問題是提供一種超聲波換能器驅動電源，能夠及時跟蹤超聲波換能器的工作狀況，并及時處理反饋信息以補償、修正超聲波換能器的輸出能量，使其具有自適應能力，從而提高了工作性能。
[0006]為解決上述技術問題，本發明的實施例提供一種超聲波換能器驅動電源，包括:
[0007]頻率發生器，由控制信號控制，用于向超聲波換能器輸出驅動信號；
[0008]鑒相電路，用于對超聲波換能器的輸出信號進行鑒相，得到鑒相結果；
[0009]數字信號處理器，用于生成所述控制信號，并根據所述鑒相結果進行鎖相；
[0010]其中，所述數字信號處理器在鎖相后生成的控制信號能夠控制所述頻率發生器輸出使所述超聲波換能器諧振的驅動信號。
[0011]其中，所述超聲波換能器驅動電源還包括:
[0012]電壓反饋電路以及電流反饋電路；
[0013]所述數字信號處理器根據所述電壓反饋電路獲取所述超聲波換能器的輸出電壓，并根據所述電流反饋電路獲取所述超聲波換能器的輸出電流；以及根據預先保存的所述超聲波換能器工作所需的電參數對獲取到的所述輸出電壓以及所述輸出電流進行比對，并根據比對結果對所述控制信號進行修正。
[0014]其中，所述超聲波換能器驅動電源還包括:
[0015]通信接口 ；所述數字信號處理器通過所述通信接口與上位機建立交互，獲取由上位機發送的所述超聲波換能器工作所需的電參數。
[0016]其中，所述超聲波換能器驅動電源還包括:
[0017]與所述數字信號處理器連接的外部存儲器；
[0018]所述數字信號處理器還用于將所述電參數以及所述鑒相結果保存至所述外部存儲器。
[0019]其中，所述通信接口具體包括網口和/或串口 ；
[0020]所述數字信號處理器通過所述網口或串口與上位機建立交互，獲取由上位機發送的所述超聲波換能器工作所需的電參數。
[0021]其中，所述通信接口還包括:并口。
[0022]所述數字信號處理器通過所述并口接收上位機發送時序信號，并根據該時序信號進行工作。
[0023]其中，所述數字信號處理器具體通過所述網口或串口獲取由上位機發送校驗指令；并根據所述校驗指令向所述頻率發生器發送一校驗信號，使所述頻率發生器生成一頻率在預設范圍內連續變化的驅動信號，并使所述超聲波換能器輸出預設范圍頻率的輸出信號;
[0024]其中，所述數字信號處理器具體根據所述校驗指令控制所述鑒相電路對超聲波換能器的輸出預設范圍頻率的輸出信號進行鑒相。
[0025]其中，所述鑒相結果具體為數字信號處理器的輸出電流與輸出電壓對應所述預設范圍頻率的相位差；
[0026]所述數字信號處理器具體根據所述鑒相結果中最小的相位差進行鎖相。
[0027]其中，所述超聲波換能器驅動電源還包括:
[0028]高頻隔離變壓器，其一端與所述頻率發生器的輸出端連接，另一端用于與所述超聲波換能器的接入端連接，用于對所述超聲波換能器進行阻抗匹配。
[0029]其中，所述超聲波換能器驅動電源還包括:
[0030]功率放大電路，接入在所述高頻隔離變壓器與所述頻率發生器之間，用于對所述驅動信號進行功率放大。
[0031]本發明的上述技術方案的有益效果如下:
[0032]本發明的數字信號處理器控制頻率發生器對超聲波換能器進行掃頻，并在此過程中，鑒相電路對超聲波換能器的輸出信號進行鑒相，之后數字信號處理器根據鑒相結果確定出超聲波換能器諧振頻率，并鎖相輸出控制信號，使頻率發生器能夠控制超聲波換能器維持在諧振狀態工作，從而提高了其能量轉換的效率，可廣泛應用在超聲鍵合工藝設備中，以改善鍵合質量。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1為本發明的超聲波換能器驅動電源的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0034]為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。
[0035]如圖1所示，本發明的實施例提供一種超聲波換能器驅動電源，包括:
[0036]頻率發生器，由控制信號控制,用于向超聲波換能器輸出驅動信號；
[0037]鑒相電路，用于對超聲波換能器的輸出信號進行鑒相，得到鑒相結果；
[0038]數字信號處理器，用于生成所述控制信號，并根據所述鑒相結果進行鎖相；
[0039]其中，所述數字信號處理器在鎖相后生成的控制信號能夠控制所述頻率發生器輸出使所述超聲波換能器諧振的驅動信號。
[0040]本發明的數字信號處理器控制頻率發生器對超聲波換能器進行掃頻，并在此過程中，鑒相電路對超聲波換能器的輸出信號進行鑒相，之后數字信號處理器根據鑒相結果確定出超聲波換能器諧振頻率，并鎖相輸出控制信號，使頻率發生器能夠控制超聲波換能器維持在諧振狀態工作，從而提高了其能量轉換的效率，可廣泛應用在超聲鍵合工藝設備中，以改善鍵合質量。
[0041]進一步地，在上述實施例基礎之上，所述超聲波換能器驅動電源還包括:
[0042]電壓反饋電路以及電流反饋電路；
[0043]所述數字信號處理器根據所述電壓反饋電路獲取所述超聲波換能器的輸出電壓，并根據所述電流反饋電路獲取所述超聲波換能器的輸出電流；以及根據預先保存的所述超聲波換能器工作所需的電參數對獲取到的所述輸出電壓以及所述輸出電流進行比對，并根據比對結果對所述控制信號進行修正。
[0044]在上述描述中，可事先將超聲波換能器工作所需的電參數預先保存在數字信號處理器中。數字信號處理器在進行工作時，能夠周期性地根據保存的電參數調節超聲波換能器的輸出電流以及輸出電壓。基于數字信號處理器的處理水平，上述一個周期的用時在50微秒內，完全可以保證超聲波換能器在穩定幅值上進行工作。此外，根據上述閉環反饋原理，數字信號處理器可以對超聲波換能器進行恒壓、恒流、恒功率控制，擴寬了超聲波換能器的使用范圍。
[0045]具體地，本發明的超聲波換能器驅動電源還包括:
[0046]通信接口 ；所述數字信號處理器通過所述通信接口與上位機建立交互，獲取由上位機發送的所述超聲波換能器工作所需的電參數。
[0047]示例性地，電參數可以是電流/電壓對應不同時間的取值，即電流/電壓對應時間維度的曲線圖。數字信號處理器控制頻率發生器生成符合曲線輪廓的驅動信號。
[0048]此外，由于數字信號處理器是將電參數以及鑒相結果緩存在自身的內存中，因此在掉電后會丟失數據，為避免該情況發生，所述超聲波換能器驅動電源還包括:
[0049]與所述數字信號處理器連接的外部存儲器(如EPPROM存儲器、FLASH閃存)，所述數字信號處理器將所述電參數以及所述鑒相結果保存至所述外部存儲器。外部存儲器保證了數字信號處理器掉電后不會丟失數據。
[0050]示例性地，上述通信接口具體包括網口和/或串口；
[0051]數字信號處理器通過所述網口或串口與上位機建立交互，獲取由上位機發送的所述超聲波換能器工作所需的電參數。
[0052]優選地，如圖1所示，本發明的超聲波換能器驅動電源同時包括網口和串口，用戶可根據設備條件選擇其中一個與上位機連接。
[0053]此外,如圖1所示,所述通信接口還包括:并口。
[0054]所述數字信號處理器通過所述并口接收上位機發送時序信號，并根據該時序信號進行工作。
[0055]在上述描述中，由于并口傳遞時序信號不需要解析過程，因此能夠快速實現對數字信號處理器的工作控制。
[0056]具體地，所述數字信號處理器通過所述網口或串口獲取由上位機發送校驗指令；并根據所述校驗指令向所述頻率發生器發送一校驗信號，使所述頻率發生器生成一頻率在預設范圍內連續變化的驅動信號，并使所述超聲波換能器輸出預設范圍頻率的輸出信號；
[0057]其中，所述數字信號處理器具體根據所述校驗指令控制所述鑒相電路對超聲波換能器的輸出預設范圍頻率的輸出信號進行鑒相。
[0058]具體地，上述鑒相結果具體為數字信號處理器的輸出電流與輸出電壓對應所述預設范圍頻率的相位差；
[0059]所述數字信號處理器具體根據所述鑒相結果中最小的相位差進行鎖相。
[0060]在超聲波換能器的輸出電流與輸出電壓的相位差為O時到達諧振。因此，預設范圍頻率的設置應涵蓋超聲波換能器的諧振頻率。數字信號處理器可根據最小相位差確定出超聲波換能器的諧振頻率，并根據內部算法進行鎖相。
[0061]此外，作為優選方案，所述超聲波換能器驅動電源還包括:
[0062]隔離變壓器，其一端與所述頻率發生器的輸出端連接，另一端用于與所述超聲波換能器的接入端連接，用于對所述超聲波換能器進行阻抗匹配，使所述超聲波換能器驅動電源能夠適用于不同參數的超聲波換能器。
[0063]此外，所述超聲波換能器驅動電源還包括:
[0064]功率放大電路，接入在所述高頻隔離變壓器與所述頻率發生器之間，用于對所述驅動信號進行功率放大，使驅動信號能夠達到超聲波換能器工作要求。
[0065]下面對上述超聲波換能器驅動電源進行詳細介紹。
[0066]本發明的超聲波換能器驅動電源采用DC24V直流供電。上電后數字信號處理器的系統自動進行初始化，在初始化完成后數字信號處理器通過網口或串口于上位機建立通信，下載超聲波換能器工作所需要的電參數到自身內存以及外部存儲器中。
[0067]在超聲波換能器工作前需要進行相位的校準。如圖1所示，在該過程中，上位機向數字信號處理器發送校準指令，數字信號處理器在收到校準指令后向頻率發生器發送一校驗信號，頻率發生器在收到校驗信號會激活內部程序，從而生成一預設范圍內頻率連續變化的驅動信號，驅動信號具體為正弦波，通過功率放大器、隔離變壓器以及超聲波換能器接口后加載到超聲波換能器的兩端，使超聲波換能器模擬工作，生成輸出信號(包括電流信號以及電壓信號)。
[0068]與此同時，數字信號處理器控制鑒相器對該輸出信號進行鑒相。示例性地，鑒相器可以包括復雜可編程邏輯器件CPLD以及比較電路。其中，比較電路可分為第一比較電路以及第二比較電路。第一比較電路先將將超聲波換能器的輸出信號的電流信號轉換為電壓信號，之后由電流信號轉換成的電壓信號經第一比較電路中的第一比較器后轉換為第一方波信號。同理，第二比較電路中的第二比較器直接將超聲波換能器輸出的電壓信號轉換為第二方波信號。CPLD根據內部程序計算第一方波信號以及第二方波信號相位差，并將該相位差發送至數字信號處理器，數字信號處理器將校驗過程得到相位差進行報表處理，對并保存至外部存儲器以及內部緩存中。
[0069]此外，數字信號處理器同時記錄電壓反饋電路以及電流反饋電路反饋的超聲波換能器的輸出電壓以及輸出電流，并根據內部程序可以獲得超聲波換能器的頻率特性圖，包括但不限于頻率與阻抗的關系圖、頻率與電壓的關系圖、頻率與電流的關系圖、頻率與相位的關系圖，并通過網口或串口發送至上位機，使技術人員能夠利用上位機進行分析，例如重新修改超聲波換能器工作所需的電參數。
[0070]之后，數字信號處理器根據校準后得到的相位差報表數據進行計算，從而完成鎖相工作，即形成PLL鎖相環以保持超聲波換能器輸出電壓與輸出電流的最小相位差(理想為零)。
[0071]鎖相成功后，校準過程結束，上位機通過并口向數字信號處理器發送時序信號，驅動數字信號處理器開始正常工作。在該過程中，數字信號處理器可將外部存儲器的電參數加載到自身內存中，并按照該電參數生成鎖相后的控制信號，以控制頻率發生器生成鎖相后的驅動信號(也就是超聲波換能器的工作能量)。鎖相后的驅動信號經功率放大器、隔離變壓器以及超聲波換能器接口后加載到超聲波換能器，驅動超聲波換能器按照驅動信號對應的能量諧振工作。
[0072]在整個能量施加的過程中，上位機也可以通過網口或串口實時將新的電參數發送給數字信號處理器，從而實現動態刷新的輸出需求，滿足實際鍵合過程中復雜的工藝要求。
[0073]以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本【技術領域】的普通技術人員來說，在不脫離本發明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
【權利要求】
1.一種超聲波換能器驅動電源，其特征在于，包括: 頻率發生器，由控制信號控制，用于向超聲波換能器輸出驅動信號； 鑒相電路，用于對超聲波換能器的輸出信號進行鑒相，得到鑒相結果； 數字信號處理器，用于生成所述控制信號，并根據所述鑒相結果進行鎖相； 其中，所述數字信號處理器在鎖相后生成的控制信號能夠控制所述頻率發生器輸出使所述超聲波換能器諧振的驅動信號。
2.根據權利要求1所述的超聲波換能器驅動電源，其特征在于，還包括: 電壓反饋電路以及電流反饋電路； 所述數字信號處理器根據所述電壓反饋電路獲取所述超聲波換能器的輸出電壓，并根據所述電流反饋電路獲取所述超聲波換能器的輸出電流；以及根據預先保存的所述超聲波換能器工作所需的電參數對獲取到的所述輸出電壓以及所述輸出電流進行比對，并根據比對結果對所述控制信號進行修正。
3.根據權利要求1所述的超聲波換能器驅動電源，其特征在于，還包括: 通信接口 ；所述數字信號處理器通過所述通信接口與上位機建立交互，獲取由上位機發送的所述超聲波換能器工作所需的電參數。
4.根據權利要求3所述的超聲波換能器驅動電源，其特征在于，還包括: 與所述數字信號處理器連接的外部存儲器； 所述數字信號處理器還用于將所述電參數以及所述鑒相結果保存至所述外部存儲器。
5.根據權利要求3所述的超聲波換能器驅動電源，其特征在于，所述通信接口具體包括網口和/或串口； 所述數字信號處理器通過所述網口或串口與上位機建立交互，獲取由上位機發送的所述超聲波換能器工作所需的電參數。
6.根據權利要求3所述的超聲波換能器驅動電源，其特征在于，所述通信接口還包括:并口 ； 所述數字信號處理器通過所述并口接收上位機發送時序信號，并根據該時序信號進行工作。
7.根據權利要求5所述的超聲波換能器驅動電源，其特征在于，所述數字信號處理器具體通過所述網口或串口獲取由上位機發送校驗指令；并根據所述校驗指令向所述頻率發生器發送一校驗信號，使所述頻率發生器生成一頻率在預設范圍內連續變化的驅動信號，并使所述超聲波換能器輸出預設范圍頻率的輸出信號； 其中，所述數字信號處理器具體根據所述校驗指令控制所述鑒相電路對超聲波換能器的輸出預設范圍頻率的輸出信號進行鑒相。
8.根據權利要求7所述的超聲波換能器驅動電源，其特征在于，所述鑒相結果具體為數字信號處理器的輸出電流與輸出電壓對應所述預設范圍頻率的相位差； 所述數字信號處理器具體根據所述鑒相結果中最小的相位差進行鎖相。
9.根據權利要求5所述的超聲波換能器驅動電源，其特征在于，還包括: 高頻隔離變壓器，其一端與所述頻率發生器的輸出端連接，另一端用于與所述超聲波換能器的接入端連接，用于對所述超聲波換能器進行阻抗匹配。
10.根據權利要求9所述的超聲波換能器驅動電源，其特征在于，還包括: 功率放大電路，接入在所述高頻隔離變壓器與所述頻率發生器之間，用于對所述驅動信號進行功率放大。
【文檔編號】G05B19/042GK104516290SQ201410376021
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年8月1日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】劉娜, 于海波, 謝珺耀 申請人:北京中電科電子裝備有限公司