[发明专利]压电式超声换能器驱动电源

说明书

技术领域

本发明属于电子技术领域，涉及一种压电式超声换能器驱动电源。

背景技术

压电式超声换能器及其驱动电源是热超声键合设备的核心部件。压电式超声换能器包括压电换能器、变幅杆以及键合工具等。其中，压电换能器通过电致伸缩效应将超声频率电信号转换为同频率的机械振动，机械振动通过变幅杆传递到键合工具上，使键合工具产生一定振幅的振动。超声频率的振动促使两金属之间形成洁净面并且相互扩散而焊接在一起。

在热超声键合设备中，压电式超声换能器振幅输出直接影响着焊线质量，要保证压电式超声换能器正常工作就必须使其工作在谐振状态，即激励电信号的频率与压电式超声换能器固有频率相同，但在焊接过程中，由于键合界面状态的改变、界面连接阻尼和刚度的改变、扰动、磨损、老化等各种原因，压电式超声换能器的谐振频率是不断变化的，如果超声电源的动态特性差，激励频率不能及时准确随之改变，压电式超声换能器将工作在失谐状态而使输出振幅降低，从而降低键合效率和键合质量。因此需要提高现有超声电源的动态特性，实现超声频率在大范围内的实时跟踪，以提高热超声键合的质量，提高键合可靠性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种压电式超声换能器驱动电源，可在负载与环境因素变化的情况下迅速使驱动电源的输出频率实时跟踪变化中的压电式超声换能器的固有频率，确保压电式超声换能器始终工作在谐振状态下，并具有最大的输出振幅，以提高焊线效率，保证焊线质量。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种压电式超声换能器驱动电源，其特征在于，包括主控制器、采样电路、调整电路和驱动电路；所述的采样电路和调整电路从压电式超声换能器获取信号，所述的采样电路和调整电路的输出端接所述的主控制器；所述的主控制器接收外部控制发来的信号，所述的主控制器通过驱动电路连接压电式超声换能器；

所述的主控制器包括鉴相单元、控制单元、直接数字式频率合成器、调幅限幅单元；所述的鉴相单元接所述采样电路的输出信号；所述的鉴相单元、控制单元、直接数字式频率合成器和调幅限幅单元依次串联后输出信号给所述的驱动电路。

所述的主控制器还包括开机锁定并延时单元，该开机锁定并延时单元接收来自外部控制的控制信号和主控制器内部的时钟信号，并输出控制信号到所述控制单元和直接数字式频率合成器的控制端。

所述的驱动电路包括D/A转换器、低通滤波器和功放电路；所述的D/A转换器、低通滤波器和功放电路依次串接。

所述的主控制器采用FPGA实现。

所述的控制器为采用PD和PID混合控制算法的控制器。

所述的PD和PID混合控制算法为：当电流和电压的相位差大于30个计数脉冲时采用PD控制；当电流和电压的相位差小于30个脉冲时采用PID控制。

当压电式超声换能器工作在谐振状态时，电压和电流的相位差为零，图1为压电式超声换能器的相频关系曲线，曲线在X轴上有两个过零点，第一个过零点即为谐振点，此时电压和电流的相位差为零；第二个过零点为反谐振点。本发明主要依据这种特征实现频率跟踪。采用FPGA控制的目的就是使电压和电流的相位差保持为零，换能器工作在谐振点处，同时在特殊工作条件下实现恒功率驱动和恒电流驱动，以及通过FPGA内部的ROM存储器存储一系列的二进制数，通过查表的方式从存储器中取出二进制数，再和经过调整后的电压信号一起输入乘法器，调整电压信号的幅值从而实现输出功率随时间任意连续变化；通过同样的方式输出经过削峰的波形，削峰的幅度也可实现随时间任意连续变化。基于FPGA的智能压电式超声驱动电源可以应用于不同频率和不同工作条件下的超声波换能器上，使超声波换能器保持在良好的状态下工作，可广泛应用于各种热超声键合设备中。

本发明的有益效果有：

超声波换能器在焊接过程中，由于焊盘表面质量不同，因此谐振频率也随之改变，在FPGA中使用的混合频率控制算法既保证了频率跟踪的速度，又保证了频率跟踪的准确性，可以实时跟踪到换能器在各种扰动情况下的谐振频率变化，而且速度快(启动到稳定跟踪小于1ms)，精度高(误差小于1Hz)，跟踪范围宽(大于10KHz)，稳定性好；同时，本发明可用于各种频率小于200KHz的换能器，因此适应性好。

本发明使用的FPGA有很高的时钟频率，可保证高速鉴相和高效频率反馈。

与基于DSP和其他控制器的超声电源相比，本发明具有锁相速度快(小于1ms)、精度高(误差小于1Hz)、输出功率可编程调节等优点。