超聲波發生器的鎖相關鍵技術

李維　洪喜　盧佳　郭堯

摘 要超聲波發生器的發展關系到超聲技術的水平，鎖相控制技術是實現超聲波發生器性能突破的瓶頸和關鍵技術。本文在介紹超聲波發生器的發展和控制方案的基礎上，對鎖相控制方案做了詳細探討，針對控制電路等關鍵技術做了具體分析。

【關鍵詞】超聲技術 超聲波發生器 鎖相控制

超聲波發生器的作用是驅動換能，為了要保證系統芯片輸入/輸出端口的鍵合，必須要保證鍵合設備的以諧振的狀態進行工作。在此過程中，決定鍵合系統工作的性能的關鍵是鎖相控制技術，因而鎖相控制技術的研究對于超聲波發生器的發展有著極其重要的意義。

1 超聲波發生器的發展及控制方案

1.1 超聲波發生器的發展

超聲波發生器的設計生產是為了提供超聲能量，供能的對象是超聲波換能器，目的是為了讓其產生諧振頻率。超聲波發生器主要分類兩類：一類是自激式超聲波發生器，另一類是他激式超聲波發生器。前者整體包括換能部分，功率放大部分，輸出變壓部分和信號發生部分，所有的部分組成一個封閉的整體，作用于發生器，使其產生足夠的動力，保證換能器可以產生諧振頻率；而后者整體包括前后兩級，功能分別是產生信號和放大功率，然后經過變壓器的作用，為換能器提供產生諧振頻率的能量。

超聲波發生器的技術更迭發展與電子元件的發展密不可分，跟隨電子元件的類型特性的變化而進步。總的來說，超聲波發生器的發展階段主要有三個：第一個是電子管階段，這一階段的超聲波發生器是最初級的，存在很多缺點，目前已被淘汰；第二個階段是晶體管階段，這種超聲波發生器相較于電子管較成熟，而且成本不高，但是本身體積龐大，性能不理想；第三個階段是功率模塊階段，主要通過MOS和GBT這兩種開關器件來控制輸出功率，方便易用，體積不大，重量小，性能好。

1.2 控制方案

超聲波發生器的能量轉換是通過超聲換能器來實現的，要保證超聲設備的諧振目標，這就要求超聲波發生器所發出的信號頻率跟蹤換能器的諧振頻率。目前研究中主要有幾種常用的跟蹤控制方案： 第一種方案是通過聲音跟蹤，獲得諧振頻率的信號發送給振蕩器；第二種是電跟蹤，該種跟蹤方式是基于電子元件和控制的基礎理論，其中最具代表性的也是最關鍵的技術是鎖相式控制跟蹤，這種跟蹤方式的性能相對較優。

2 鎖相控制技術

2.1 基本原理

鎖相控制方式的基本原理其實就是通過同步鎖定兩個周期信號的相位，來準確的控制頻率，本質上是控制相位的系統，叫做鎖相環。其主要有以下特點：一方面是誤差較小，通過窄帶寬的性質過濾不相干信號，減少干擾和誤差；另一方面穩定性較好，這指的是輸出的功率，當負載變化時，其變化相對穩定。

圖1所示的是鎖相控制的原理圖，采樣的電壓和電流首先要經過波形轉換，輸入PC鑒相器，PC鑒相器對其進行處理計算，向LF低通過濾器輸入相位誤差信號，在此信號中的高頻成分被過濾掉，產生的是控制電壓，該控制電壓與VCO壓控振蕩器的震蕩頻率有關，為了控制電流和電壓的同相位狀態。當震蕩頻率與諧振頻率不相同時，就需要控制電壓來拉平，達到同相位的目的。

2.2 控制電路

鎖相跟蹤控制電路的設計實現可以通過窄帶寬的性質過濾不相干信號，減少其他外界環境因素的干擾，降低誤差產生的幾率。具體包括以下幾方面的工作：

2.2.1 自激信號的產生

自激信號通過傳感器采集輸入電流，經過過濾轉換成電壓。通過整流，產生自激信號用來反映電流相位。主要用到的是二極管，將其進行反并聯，再并聯電流樣本的電容電阻，這種做法不僅可以降低比較器兩端的電壓差值，對保護器是一種保護措施；還可以在剛啟動的時得到較強的電流信號，從而使得靈敏度提高。候反饋電流由電流互感器采樣后輸入，濾波后由功率電阻轉化

2.2.2 他激信號的產生

圖2展示的是他激信號EXT的產生原理圖，他激信號是一個方波的信號，主要通過壓控振蕩器從VCOUT輸出。它的頻率在一定的區間內，輸出的頻率主要通過改變電位器的輸入壓來實現。

2.2.3 控制信號的產生

該信號的產生來源于與自激信號相同的信號源，只不過它要經過不同的轉換過程，即交流電首先要轉換成直流電，這一步要通過單相半波整流電路的作用；然后通過特定的操作轉變成正電平，該操作是整形濾波；最后通過與參考電壓進行比較，得到最終的控制信號。

2.2.4 電子開關

鎖相控制電路中，選用的與非門電子開關，與非門總共有四個，將3.2.1、3.2.2、3.2.3所產生的信號作為輸入信號，最終輸出的信號遵循公式1的邏輯關系：

（1）

2.2.5 頻率跟蹤電路

為了保證輸入信號的相位等于輸出信號的相位，鎖相控制頻率跟蹤電路中所使用的是PCII鑒相器，該鑒相器有兩個輸入信號一個輸出信號，當輸入信號1與輸入信號2同步時候，結果所輸出的信號為高阻；當輸入信號1要比輸入信號2提前時候，結果所輸出的信號為高電平；當輸入信號2比輸入信號1提前時候結果所輸出的信號為低電平。

3 結語

超聲技術快速發展，超聲波發生器對于其發展起到非常重要的作用，而鎖相控制方式又是關系到超聲波發生器性能的重點。因此，提出良好的控制方案，關注鎖相控制的關鍵技術，勢必會提升超聲波發生器的頻率追蹤控制性能，促進超聲波發生器的進一步發展。

參考文獻

[1]韓為民.鍵合機中超聲波的基本控制原理及方法[J].電子工業專用設備，2003（05）：21-26.

[2]林渭勛.現代電力電子電路[M].浙江：浙江大學出版社，2002（07）.

[3]應建平，林渭勛，黃敏超.電力電子技術基礎[M].北京：機械工業出版社，2002（05）.

[4]徐濤.聲波發生器電源技術的發展[J].洗凈技術，2003，6（4）：10-15.

作者單位

長春光華微電子設備工程中心有限公司 吉林省長春市 130000