一种超声波换能器驱动电源的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种超声波换能器驱动电源，包括：频率发生器，由控制信号控制，用于向超声波换能器输出驱动信号；鉴相电路，用于对超声波换能器的输出信号进行鉴相，得到鉴相结果；数字信号处理器，用于生成所述控制信号，并根据鉴相结果进行锁相；数字信号处理器在锁相后生成的控制信号能够控制频率发生器输出使超声波换能器谐振的驱动信号。本发明的数字信号处理器控制频率发生器对超声波换能器进行扫频，并在此过程中，鉴相电路对超声波换能器的输出信号进行鉴相，之后数字信号处理器根据鉴相结果确定出超声波换能器谐振频率，并锁相输出控制信号，使频率发生器能够控制超声波换能器维持在谐振状态工作，从而提高了其能量转换的效率。
【专利说明】一种超声波换能器驱动电源
【技术领域】
[0001]本发明涉及超声键合领域，特别是一种超声波换能器驱动电源。
【背景技术】
[0002]超声键合工艺是指通过超声波发生器激励换能器的高频振动，使高频振动的机械能转换为热能，从而实现金属导线与集成电路焊盘以及与引线框架引脚之间两种金属材料的热键合。其工艺简单、高效，能够在毫秒级完成焊点的连接，因此被广泛应用在半导体芯片封装领域中。
[0003]在上述过程中，除了换能器本身的品质因素外，超声波的能量通过换能器转换为机械能的转换效率是决定焊接质量的关键技术。超声波换能器在达到谐振时机械能的转换效率最高，但谐振频率会因各种机械安装及负载的因素发生一定的范围漂移，这些因素会直接导致换能器能量转换效率的下降，从而影响焊接质量。
[0004]因此，目前亟需研发一种能够提高超声波发生器工作性能的技术方案。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种超声波换能器驱动电源，能够及时跟踪超声波换能器的工作状况，并及时处理反馈信息以补偿、修正超声波换能器的输出能量，使其具有自适应能力，从而提高了工作性能。
[0006]为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种超声波换能器驱动电源，包括:
[0007]频率发生器，由控制信号控制，用于向超声波换能器输出驱动信号；
[0008]鉴相电路，用于对超声波换能器的输出信号进行鉴相，得到鉴相结果；
[0009]数字信号处理器，用于生成所述控制信号，并根据所述鉴相结果进行锁相；
[0010]其中，所述数字信号处理器在锁相后生成的控制信号能够控制所述频率发生器输出使所述超声波换能器谐振的驱动信号。
[0011]其中，所述超声波换能器驱动电源还包括:
[0012]电压反馈电路以及电流反馈电路；
[0013]所述数字信号处理器根据所述电压反馈电路获取所述超声波换能器的输出电压，并根据所述电流反馈电路获取所述超声波换能器的输出电流；以及根据预先保存的所述超声波换能器工作所需的电参数对获取到的所述输出电压以及所述输出电流进行比对，并根据比对结果对所述控制信号进行修正。
[0014]其中，所述超声波换能器驱动电源还包括:
[0015]通信接口 ；所述数字信号处理器通过所述通信接口与上位机建立交互，获取由上位机发送的所述超声波换能器工作所需的电参数。
[0016]其中，所述超声波换能器驱动电源还包括:
[0017]与所述数字信号处理器连接的外部存储器；
[0018]所述数字信号处理器还用于将所述电参数以及所述鉴相结果保存至所述外部存储器。
[0019]其中，所述通信接口具体包括网口和/或串口 ；
[0020]所述数字信号处理器通过所述网口或串口与上位机建立交互，获取由上位机发送的所述超声波换能器工作所需的电参数。
[0021]其中，所述通信接口还包括:并口。
[0022]所述数字信号处理器通过所述并口接收上位机发送时序信号，并根据该时序信号进行工作。
[0023]其中，所述数字信号处理器具体通过所述网口或串口获取由上位机发送校验指令；并根据所述校验指令向所述频率发生器发送一校验信号，使所述频率发生器生成一频率在预设范围内连续变化的驱动信号，并使所述超声波换能器输出预设范围频率的输出信号;
[0024]其中，所述数字信号处理器具体根据所述校验指令控制所述鉴相电路对超声波换能器的输出预设范围频率的输出信号进行鉴相。
[0025]其中，所述鉴相结果具体为数字信号处理器的输出电流与输出电压对应所述预设范围频率的相位差；
[0026]所述数字信号处理器具体根据所述鉴相结果中最小的相位差进行锁相。
[0027]其中，所述超声波换能器驱动电源还包括:
[0028]高频隔离变压器，其一端与所述频率发生器的输出端连接，另一端用于与所述超声波换能器的接入端连接，用于对所述超声波换能器进行阻抗匹配。
[0029]其中，所述超声波换能器驱动电源还包括:
[0030]功率放大电路，接入在所述高频隔离变压器与所述频率发生器之间，用于对所述驱动信号进行功率放大。
[0031]本发明的上述技术方案的有益效果如下:
[0032]本发明的数字信号处理器控制频率发生器对超声波换能器进行扫频，并在此过程中，鉴相电路对超声波换能器的输出信号进行鉴相，之后数字信号处理器根据鉴相结果确定出超声波换能器谐振频率，并锁相输出控制信号，使频率发生器能够控制超声波换能器维持在谐振状态工作，从而提高了其能量转换的效率，可广泛应用在超声键合工艺设备中，以改善键合质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0033]图1为本发明的超声波换能器驱动电源的结构示意图。
【具体实施方式】
[0034]为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
[0035]如图1所示，本发明的实施例提供一种超声波换能器驱动电源，包括:
[0036]频率发生器，由控制信号控制,用于向超声波换能器输出驱动信号；
[0037]鉴相电路，用于对超声波换能器的输出信号进行鉴相，得到鉴相结果；
[0038]数字信号处理器，用于生成所述控制信号，并根据所述鉴相结果进行锁相；
[0039]其中，所述数字信号处理器在锁相后生成的控制信号能够控制所述频率发生器输出使所述超声波换能器谐振的驱动信号。
[0040]本发明的数字信号处理器控制频率发生器对超声波换能器进行扫频，并在此过程中，鉴相电路对超声波换能器的输出信号进行鉴相，之后数字信号处理器根据鉴相结果确定出超声波换能器谐振频率，并锁相输出控制信号，使频率发生器能够控制超声波换能器维持在谐振状态工作，从而提高了其能量转换的效率，可广泛应用在超声键合工艺设备中，以改善键合质量。
[0041]进一步地，在上述实施例基础之上，所述超声波换能器驱动电源还包括:
[0042]电压反馈电路以及电流反馈电路；
[0043]所述数字信号处理器根据所述电压反馈电路获取所述超声波换能器的输出电压，并根据所述电流反馈电路获取所述超声波换能器的输出电流；以及根据预先保存的所述超声波换能器工作所需的电参数对获取到的所述输出电压以及所述输出电流进行比对，并根据比对结果对所述控制信号进行修正。
[0044]在上述描述中，可事先将超声波换能器工作所需的电参数预先保存在数字信号处理器中。数字信号处理器在进行工作时，能够周期性地根据保存的电参数调节超声波换能器的输出电流以及输出电压。基于数字信号处理器的处理水平，上述一个周期的用时在50微秒内，完全可以保证超声波换能器在稳定幅值上进行工作。此外，根据上述闭环反馈原理，数字信号处理器可以对超声波换能器进行恒压、恒流、恒功率控制，扩宽了超声波换能器的使用范围。
[0045]具体地，本发明的超声波换能器驱动电源还包括:
[0046]通信接口 ；所述数字信号处理器通过所述通信接口与上位机建立交互，获取由上位机发送的所述超声波换能器工作所需的电参数。
[0047]示例性地，电参数可以是电流/电压对应不同时间的取值，即电流/电压对应时间维度的曲线图。数字信号处理器控制频率发生器生成符合曲线轮廓的驱动信号。
[0048]此外，由于数字信号处理器是将电参数以及鉴相结果缓存在自身的内存中，因此在掉电后会丢失数据，为避免该情况发生，所述超声波换能器驱动电源还包括:
[0049]与所述数字信号处理器连接的外部存储器(如EPPROM存储器、FLASH闪存)，所述数字信号处理器将所述电参数以及所述鉴相结果保存至所述外部存储器。外部存储器保证了数字信号处理器掉电后不会丢失数据。
[0050]示例性地，上述通信接口具体包括网口和/或串口；
[0051]数字信号处理器通过所述网口或串口与上位机建立交互，获取由上位机发送的所述超声波换能器工作所需的电参数。
[0052]优选地，如图1所示，本发明的超声波换能器驱动电源同时包括网口和串口，用户可根据设备条件选择其中一个与上位机连接。
[0053]此外,如图1所示,所述通信接口还包括:并口。
[0054]所述数字信号处理器通过所述并口接收上位机发送时序信号，并根据该时序信号进行工作。
[0055]在上述描述中，由于并口传递时序信号不需要解析过程，因此能够快速实现对数字信号处理器的工作控制。
[0056]具体地，所述数字信号处理器通过所述网口或串口获取由上位机发送校验指令；并根据所述校验指令向所述频率发生器发送一校验信号，使所述频率发生器生成一频率在预设范围内连续变化的驱动信号，并使所述超声波换能器输出预设范围频率的输出信号；
[0057]其中，所述数字信号处理器具体根据所述校验指令控制所述鉴相电路对超声波换能器的输出预设范围频率的输出信号进行鉴相。
[0058]具体地，上述鉴相结果具体为数字信号处理器的输出电流与输出电压对应所述预设范围频率的相位差；
[0059]所述数字信号处理器具体根据所述鉴相结果中最小的相位差进行锁相。
[0060]在超声波换能器的输出电流与输出电压的相位差为O时到达谐振。因此，预设范围频率的设置应涵盖超声波换能器的谐振频率。数字信号处理器可根据最小相位差确定出超声波换能器的谐振频率，并根据内部算法进行锁相。
[0061]此外，作为优选方案，所述超声波换能器驱动电源还包括:
[0062]隔离变压器，其一端与所述频率发生器的输出端连接，另一端用于与所述超声波换能器的接入端连接，用于对所述超声波换能器进行阻抗匹配，使所述超声波换能器驱动电源能够适用于不同参数的超声波换能器。
[0063]此外，所述超声波换能器驱动电源还包括:
[0064]功率放大电路，接入在所述高频隔离变压器与所述频率发生器之间，用于对所述驱动信号进行功率放大，使驱动信号能够达到超声波换能器工作要求。
[0065]下面对上述超声波换能器驱动电源进行详细介绍。
[0066]本发明的超声波换能器驱动电源采用DC24V直流供电。上电后数字信号处理器的系统自动进行初始化，在初始化完成后数字信号处理器通过网口或串口于上位机建立通信，下载超声波换能器工作所需要的电参数到自身内存以及外部存储器中。
[0067]在超声波换能器工作前需要进行相位的校准。如图1所示，在该过程中，上位机向数字信号处理器发送校准指令，数字信号处理器在收到校准指令后向频率发生器发送一校验信号，频率发生器在收到校验信号会激活内部程序，从而生成一预设范围内频率连续变化的驱动信号，驱动信号具体为正弦波，通过功率放大器、隔离变压器以及超声波换能器接口后加载到超声波换能器的两端，使超声波换能器模拟工作，生成输出信号(包括电流信号以及电压信号)。
[0068]与此同时，数字信号处理器控制鉴相器对该输出信号进行鉴相。示例性地，鉴相器可以包括复杂可编程逻辑器件CPLD以及比较电路。其中，比较电路可分为第一比较电路以及第二比较电路。第一比较电路先将将超声波换能器的输出信号的电流信号转换为电压信号，之后由电流信号转换成的电压信号经第一比较电路中的第一比较器后转换为第一方波信号。同理，第二比较电路中的第二比较器直接将超声波换能器输出的电压信号转换为第二方波信号。CPLD根据内部程序计算第一方波信号以及第二方波信号相位差，并将该相位差发送至数字信号处理器，数字信号处理器将校验过程得到相位差进行报表处理，对并保存至外部存储器以及内部缓存中。
[0069]此外，数字信号处理器同时记录电压反馈电路以及电流反馈电路反馈的超声波换能器的输出电压以及输出电流，并根据内部程序可以获得超声波换能器的频率特性图，包括但不限于频率与阻抗的关系图、频率与电压的关系图、频率与电流的关系图、频率与相位的关系图，并通过网口或串口发送至上位机，使技术人员能够利用上位机进行分析，例如重新修改超声波换能器工作所需的电参数。
[0070]之后，数字信号处理器根据校准后得到的相位差报表数据进行计算，从而完成锁相工作，即形成PLL锁相环以保持超声波换能器输出电压与输出电流的最小相位差(理想为零)。
[0071]锁相成功后，校准过程结束，上位机通过并口向数字信号处理器发送时序信号，驱动数字信号处理器开始正常工作。在该过程中，数字信号处理器可将外部存储器的电参数加载到自身内存中，并按照该电参数生成锁相后的控制信号，以控制频率发生器生成锁相后的驱动信号(也就是超声波换能器的工作能量)。锁相后的驱动信号经功率放大器、隔离变压器以及超声波换能器接口后加载到超声波换能器，驱动超声波换能器按照驱动信号对应的能量谐振工作。
[0072]在整个能量施加的过程中，上位机也可以通过网口或串口实时将新的电参数发送给数字信号处理器，从而实现动态刷新的输出需求，满足实际键合过程中复杂的工艺要求。
[0073]以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种超声波换能器驱动电源，其特征在于，包括: 频率发生器，由控制信号控制，用于向超声波换能器输出驱动信号； 鉴相电路，用于对超声波换能器的输出信号进行鉴相，得到鉴相结果； 数字信号处理器，用于生成所述控制信号，并根据所述鉴相结果进行锁相； 其中，所述数字信号处理器在锁相后生成的控制信号能够控制所述频率发生器输出使所述超声波换能器谐振的驱动信号。
2.根据权利要求1所述的超声波换能器驱动电源，其特征在于，还包括: 电压反馈电路以及电流反馈电路； 所述数字信号处理器根据所述电压反馈电路获取所述超声波换能器的输出电压，并根据所述电流反馈电路获取所述超声波换能器的输出电流；以及根据预先保存的所述超声波换能器工作所需的电参数对获取到的所述输出电压以及所述输出电流进行比对，并根据比对结果对所述控制信号进行修正。
3.根据权利要求1所述的超声波换能器驱动电源，其特征在于，还包括: 通信接口 ；所述数字信号处理器通过所述通信接口与上位机建立交互，获取由上位机发送的所述超声波换能器工作所需的电参数。
4.根据权利要求3所述的超声波换能器驱动电源，其特征在于，还包括: 与所述数字信号处理器连接的外部存储器； 所述数字信号处理器还用于将所述电参数以及所述鉴相结果保存至所述外部存储器。
5.根据权利要求3所述的超声波换能器驱动电源，其特征在于，所述通信接口具体包括网口和/或串口； 所述数字信号处理器通过所述网口或串口与上位机建立交互，获取由上位机发送的所述超声波换能器工作所需的电参数。
6.根据权利要求3所述的超声波换能器驱动电源，其特征在于，所述通信接口还包括:并口 ； 所述数字信号处理器通过所述并口接收上位机发送时序信号，并根据该时序信号进行工作。
7.根据权利要求5所述的超声波换能器驱动电源，其特征在于，所述数字信号处理器具体通过所述网口或串口获取由上位机发送校验指令；并根据所述校验指令向所述频率发生器发送一校验信号，使所述频率发生器生成一频率在预设范围内连续变化的驱动信号，并使所述超声波换能器输出预设范围频率的输出信号； 其中，所述数字信号处理器具体根据所述校验指令控制所述鉴相电路对超声波换能器的输出预设范围频率的输出信号进行鉴相。
8.根据权利要求7所述的超声波换能器驱动电源，其特征在于，所述鉴相结果具体为数字信号处理器的输出电流与输出电压对应所述预设范围频率的相位差； 所述数字信号处理器具体根据所述鉴相结果中最小的相位差进行锁相。
9.根据权利要求5所述的超声波换能器驱动电源，其特征在于，还包括: 高频隔离变压器，其一端与所述频率发生器的输出端连接，另一端用于与所述超声波换能器的接入端连接，用于对所述超声波换能器进行阻抗匹配。
10.根据权利要求9所述的超声波换能器驱动电源，其特征在于，还包括: 功率放大电路，接入在所述高频隔离变压器与所述频率发生器之间，用于对所述驱动信号进行功率放大。
【文档编号】G05B19/042GK104516290SQ201410376021
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年8月1日 优先权日:2013年9月30日
【发明者】刘娜, 于海波, 谢珺耀 申请人:北京中电科电子装备有限公司