??? 摘 要：本文針對半導體封裝設備金絲球焊線機的打火燒球系統進行了設計，采用C8051F000單片機為主控制芯片，以PID和PWM為控制技術，設計了高性能的數字開關電源，進而對打火升壓器件——高壓包(FBT)進行有效控制。此系統具有:打火電壓穩定、系統可控性好、成球質量高以及系統成本低等特點。
??? 關鍵詞：C8051F000；PID；PWM；開關穩壓電源；FBT
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??? 近年來半導體封裝工業己經開始在中國蓬勃興起和發展，對中國工業技術的提高有很大的推動作用。焊線機一般用于封裝前將芯片內部電路用金線與封裝管腳連接。根據本焊線機的工作特點，打火工序在焊接完成以后對尾絲的處理中發揮作用。打火過程中高壓包輸出的高壓火花把尾絲燒制成球狀。這一加工過程的意義在于：第一，有利于固定金絲，使它不會在機構的調整中從劈刀中掉落；第二，金球增大了金絲與焊接件的接觸面積，有利于焊接質量的提高，為下一次焊接做好準備?？梢哉f打火燒球對整個焊接過程具有重要的意義。
1 打火系統硬件設計
??? 該焊線機的打火系統是以燒熔金絲成球為目的，類似于電子焊。輸出電壓在10 000 V到20 000 V之間，功率小于2 W，對產品成本、輸出精度和可控度有較高要求。
??? 針對設計要求，設計的系統是以C8051F單片機和CPLD來做數字化PID[1]調節，通過數字化PID算法產生PWM波來控制開關管，進而控制主電路；變壓器選擇回掃變壓器[2]，采用逆程升壓技術[3]。該系統具有成本低、設計簡單、效率高等特點。其硬件方框圖如圖1所示。
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1.1系統主電路
??? 交流市電首經電源濾波器濾波，變壓器降壓，再經整流電路變換為60 V直流電，加到FBT初級端。然后經控制電路的處理變換為高頻方波或準方波電壓，升壓后，再經高頻整流、濾波電路，最后直流高壓輸出打火。
??? 系統采用的升壓器件是一直廣泛應用于電視機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的高壓脈沖進行升壓，是一個體積小、升壓高的器件。該系統的FBT是特制的，只有基本的5個端子：1個電源端，2個控制輸入端，2個輸出端。
??? 該系統是用驅動電路將PWM后的脈沖加到接成推挽式的高壓開關管上[4]，電路圖如圖2所示。高壓包利用行逆程升壓技術產生設計所需的高壓。行逆程升壓技術是利用外加的電路強行加快高壓產生電路開關管截止時反峰電壓的上升速度，使開關管在截止時，磁通變化率更大，即可達到在同等條件下產生更高的電壓。開關管選擇專用于電視行輸出電路中的高壓快速開關NPN型晶體管BU508A。
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1.2控制電路
??? 輸出電壓經分壓電阻分壓，通過CPLD控制將此電壓A/D轉換后，送到單片機的PID、顯示和控制報警部分。通過數字化PID算法產生PWM波來控制開關管，調整輸出電壓，以獲得穩定的輸出電壓；顯示部分采用LCD顯示當前電壓；如果輸出電壓低于設定電壓則產生蜂鳴報警。通過串口與上位機通訊，實現在線控制。
1.2.1 控制芯片C8051F000[5]
??? C8051F000是完全集成的混合信號系統級MCU芯片，具有32 KB Flash存儲器并與8051兼容的微控制器內核。還有硬件實現的(不是在用戶軟件中用位操作模擬)I2C/SMBus、UART、SPI串行接口及一個具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數器/定時器陣列(PCA)。還有4個通用的16位定時器和4字節寬的通用數字I/O端口。C8051F000有256 B的RAM，執行速度可達20 MIPS。正是基于C8051F000的優越性能和較高的性價比，采用它來完成PWM生成、PID運算及與上位機通訊。
1.2.2 輸出電壓檢測電路
??? 由于整個系統是閉環控制系統，對采樣速率要求很高。采用CPLD來控制ADC，這樣就避免了高速采樣占用系統資源的問題，減輕了單片機的負擔。本文設計選擇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轉換器。它由單一的5 V電源供電，內含一個高速18位采樣ADC，一個內部轉換時鐘，一個內部參考緩存，糾錯電路以及串行和并行系統接口，是一款速度快、功耗低、精度高的逐次逼近結構的模數轉換器。
??? 對ADC的控制，本系統采用Altera公司的FPM7128S。它是高性能E2PROM結構的CPLD。最高可達175.4 MHz的計算頻率，支持5 V的ISP功能。I/O數64；宏單元128。主要應用市場包括消費類、工業類、汽車業、計算機和通信類。
2 打火系統軟件設計
2.1數字PID部分[6]
??? 在自動控制技術中，應用最為廣泛的調節器控制規律為比例(P)、積分(I)、微分(D)控制，簡稱PID控制。隨著計算機技術的發展，常規PID控制發展為數字PID控制。本系統使用了增量式數字PI控制，控制原理框圖如圖3所示。?
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??? 由圖3所示，當系統輸出產生偏差后，微控制器根據偏差eu[0]值的大小選擇比例參數和積分參數。當偏差信號eu[0]在偏差范圍e內時，比例參數Kp選擇Kp1，積分參數選擇Ki1，以防止過大動作產生超調量；當偏差較大則選擇Kp1和Ki2，引入比例環節快速調整作用。計算比例環節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Kp和積分系數Ki時，遵循兩個原則：第一，選擇比例增益系數Kp以保證系統穩定和良好的瞬態響應，比例增益系數Kp越大，瞬態響應作用越大；第二，選擇積分系數Ki，以滿足消除靜態誤差。對于本系統，其控制對象為典型一階慣性環節，PID參數可以在現場經驗整定。
2.2 PWM控制技術[7]
??? 脈沖寬度調制PWM(Pulse Width Modulation)，簡稱脈寬調制，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用于測量、通信、功率控制與變換等許多領域。PWM的一個優點是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無需進行數模轉換。
??? PWM技術對開關器件的導通和關斷進行控制, 通過改變脈沖列的周期可以調頻，改變脈沖的寬度或占空比可以調壓,采用適當控制方法即可使電壓與頻率協調變化。本文的PWM由C8051F000單片機自帶的可編程計數陣列PCA產生，頻率45 kHz。以下是部分程序。
??? 系統時鐘初始化:
??? void SYSCLK_Init (void)
??? { int i;?????????? //延時計數器
??? OSCXCN=0x67;?????? //開啟外部振蕩器18.432MHz晶體
??? for(i=0;i<256;i++) ; //等待振蕩器啟振
??? while(!(OSCXCN&0x80)) ;? //等待晶體振蕩器穩定
??? OSCICN=0x88;?????????? //選擇外部振蕩器為系統時鐘源并允許丟失時鐘檢器
??? }
??? IO口初始化
??? void PORT_Init (void)
??? { XBR0 =0x07;???? //使能SMBus,SPI0,和UART0
?? ?XBR1 =0x04;????? //P1.0<---int0
?? ?XBR2 =0x40;????? //使能數據交叉開關和弱上拉
??? 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
??? }
??? 定時器0初始化，定時時間為11us
??? void Timer0_Init (void)
??? { CKCON|=0x8; TMOD|=0x1;??? //16位
??? Count1ms=10;
??? TR0 = 0;???????????????????? //停止定時器0
??? TH0 = (-SYSCLK/100000) >> 8;??? //設初值，11ms時溢出
??? TL0 = -SYSCLK/100000;?
??? TR0 = 1;??????????????????? //開啟定時器0
?? ?IE|= 0x2;
??? }
3 系統測試
??? 對系統進行測試，應用示波器測試由C8051產生的PWM波形和上升時間。圖4是單片機輸出PWM波形；圖5為PWM波形上升時間。
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??? 測試用的TDS2014B是高精度數字示波器。測試在常溫下進行。結果顯示波形穩定，達到設計要求。
??? 該打火系統經檢測，滿足設計要求。其數字開關電源有可控性好、系統成本低、抗干擾能力強等特點，可以應用在其他領域。由于篇幅限制系統中的其它環節，如抗干擾等部分未做說明。另外未來發展趨勢是使用軟開關技術來替代硬開關技術，減小開關功率器件的開關功耗。還有對控制精度、速度的研究也需要深入。
參考文獻
[1] 李夕紅. 基于DSP和FPGA的數字化開關電源的實用化研究[D].成都: 成都理工大學, 2008,5.
[2]?于志章. 顯示器易修精要[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2006.
[3] 李新民. BSCH—1 型回掃變壓器自動測試系統設計[D]. 長沙:湖南省電子產品檢測分析所, 1999.
[4]?任建. 開關電源中的PWM電路設計[D]. 沈陽: 沈陽工業大學,2007.
[5]?潘琢金. C8051F000混合信號ISP FLASH微控制器數據手冊[M].新華龍電子有限公司，2005.
[6]?張磊. 高精度數字開關電源系統的研究[D]. 成都：電子科技大學，2006.
[7]?張權. 一種基于單片機的汽車電子點火系統的設計[D]. 太原: 中北大學, 2007.