CN114101014A - 一种超声波换能器的驱动电路、半导体焊线机和自举电路 - Google Patents

一种超声波换能器的驱动电路、半导体焊线机和自举电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超声波换能器的驱动电路、半导体焊线机和自举电路，驱动电路包括电压信号源和自举电路，该电路包括：运算放大器，其第一输入端连接电压信号源，运算放大器的第二输入端连接接地电阻；运算放大器的正极端通过第一开关管连接电源正极，第一开关管的控制端通过第一电阻支路连接电源正极，第一开关管的控制端通过第二电阻支路连接运算放大器的输出端；运算放大器的负极端通过第二开关管连接电源负极，第二开关管的控制端通过第三电阻支路连接电源负极，第二开关管的控制端通过第四电阻支路连接运算放大器的输出端；电流放大器，其输入端连接运算放大器的输出端，输出端连接有超声波换能器，减少了换能器驱动电路的生产成本。

Description

一种超声波换能器的驱动电路、半导体焊线机和自举电路
技术领域
本发明涉及声波换能驱动技术领域和放大控制技术领域，尤其涉及一种超声波换能器的驱动电路、半导体焊线机和自举电路。
背景技术
现有技术中，半导体焊线机中通常需要设置超声波换能器的驱动电路，以驱动超声波换能器，使半导体焊线机进行正常工作。半导体焊线机在正常工作中，半导体焊线机上的超声波换能器需要>+/-36V的电压幅值，所需的驱动电流一般也需要>500mA；另外超声波换能器的工作频率高达140Khz；这就造成一般的线性驱动电路很难同时满足频率，电压及电流的要求。
为满足半导体焊线机的工作需求，现有的超声波换能器的驱动电路如图1所示，包括电压信号源AC（1）、运算放大器2、电流放大器3和变压器4，电压信号源AC（1）与运算放大器2的一个输入端连接，运算放大器2的另一输入端接地，运算放大器2的输出端连接电流放大器3的输入端，电流放大器3的输出端连接变压器4的原边，变压器4的副边连接换能器5。
上述的驱动电路的驱动过程为：电压信号源1产生电压信号，电压信号经过运算放大器2和电流放大器3的共同作用，将电压信号放大至+/-12V，电流在2A左右，后面经过变压器4进行信号调整，起到升高电压、降低电流变化的作用，例如信号调整后的电压和电流为+/-36V和600mA左右，调整后的信号用来驱动超声波换能器5。
由于变压器本身的特性，上述超声波换能器的驱动电路具有以下缺点：
（1）变压器本身对不同的信号的响应做不到线性，不同设计的变压器、不同批次的变压器可能造成2%到5%左右的非线性误差，个别情况可能达到10%。
（2）该驱动电路需要使用变压器升高电压，并降低电流，那就使得变压器初级线圈侧的电路需要能驱动较大的工作电流，这对驱动电路中的元件选择提出了挑战，大电流且工作带宽高的元件往往种类稀少且价格昂贵。
（3）该驱动电路无法对超声波换能器上的电流实现有效关断，当变压器的初级线圈侧电路关断后，超声波换能器上的残留能量会在次级线圈和负载间来回震荡，直到能量被导线及线圈完全消耗，这一过程往往能持续几个毫秒，这对分秒必争的半导体封装应用是巨大的时间及性能浪费。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种超声波换能器的驱动电路，以解决现有超声波换能器的驱动电路由于设置变压器导致成本较高的问题；同时，提出一种半导体焊线机，以解决降低半导体焊线机的生产成本问题；并且，提出一种应用在超声波换能器的驱动电路中的自举电路，以解决现有驱动电路由于设置变压器导致成本较高的问题。
基于上述目的，一种超声波换能器的驱动电路的技术方案，所述驱动电路中不设置变压器，所述驱动电路包括：
电压信号源，用于提供电压信号；
自举电路，所述自举电路包括：
运算放大器，所述运算放大器的第一输入端连接所述电压信号源，所述运算放大器的第二输入端连接接地电阻；所述运算放大器的正极端通过第一开关管连接电源正极，所述第一开关管的控制端通过第一电阻支路连接所述电源正极，所述第一开关管的控制端通过第二电阻支路连接所述运算放大器的输出端；所述运算放大器的负极端通过第二开关管连接电源负极，所述第二开关管的控制端通过第三电阻支路连接所述电源负极，所述第二开关管的控制端通过第四电阻支路连接所述运算放大器的输出端；
电流放大器，所述电流放大器的输入端连接所述运算放大器的输出端，所述电流放大器的输出端连接有超声波换能器。
上述技术方案具有以下有益效果：
本发明的驱动电路通过增设自举电路，在自举电路中采用普通的运算放大器，就可以将自举电路中运算放大器的电压输出范围放大，而不必在驱动电路中设置变压器，保证驱动电路使用性能的基础上，大幅减少了换能器驱动电路的生产成本，解决现有超声波换能器的驱动电路由于设置变压器导致成本较高的问题。并且，由于电路中不存在变压器，也就不存在现有驱动电路中因为设置变压器而引发的一系列问题。
可选的，所述第一开关管为NPN型，所述第二开关管为PNP型。
可选的，所述第一电阻支路中串设有第一电阻，所述第二电阻支路中串设有第二电阻，所述第三电阻支路中串设有第三电阻，所述第四电阻支路中串设有第四电阻。
可选的，所述第二电阻支路中还串设有第一二极管，所述第四电阻支路中还串设有第二二极管。
可选的，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻和所述第四电阻的阻值相等。
可选的，所述第一开关管和第二开关管均为三级管。
可选的，所述第一开关管和第二开关管均为场效应管。
基于上述目的，一种自举电路的技术方案，所述自举电路设置在超声波换能器的驱动电路中，所述自举电路包括：
运算放大器，所述运算放大器的第一输入端用于连接电压信号源，所述运算放大器的第二输入端连接接地电阻，所述运算放大器的输出端用于连接超声波换能器；
所述运算放大器的正极端通过第一开关管连接电源正极，所述第一开关管的控制端通过第一电阻支路连接所述电源正极，所述第一开关管的控制端通过第二电阻支路连接所述运算放大器的输出端；
所述运算放大器的负极端通过第二开关管连接电源负极，所述第二开关管的控制端通过第三电阻支路连接所述电源负极，所述第二开关管的控制端通过第四电阻支路连接所述运算放大器的输出端。
上述技术方案具有以下有益效果：
本发明的自举电路应用在超声波换能器的驱动电路中，通过设置的自举电路结构，仅采用普通的运算放大器，就可以将自举电路中运算放大器的电压输出范围放大，本发明的自举电路应用在超声波换能器的驱动电路后，就可以在驱动电路中去掉变压器，保证驱动电路使用性能的基础上，有助于大幅减少换能器驱动电路的生产成本。
可选的，所述第一开关管和第二开关管均为三级管，或均为场效应管。
基于上述目的，一种半导体焊线机的技术方案，所述半导体焊线机包括机箱，所述机箱中设置有所述的超声波换能器的驱动电路。
上述技术方案具有以下有益效果：
本发明的半导体焊线机，通过在焊线机的机箱中设置生产成本较低的超声波换能器的驱动电路，能够在一定程度上降低半导体焊线机的生产成本，具有一定的经济效益，解决现有半导体焊线机的生产成本较高的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中提供的一种超声波换能器的驱动电路图；
图2是本发明实施例一中提供的一种超声波换能器的驱动电路图；
图3是本发明实施例一中提供的驱动电路中的自举电路图；
符号说明如下：
1、电压信号源；2、运算放大器；3、电流放大器；4、变压器；5、超声波换能器；20、自举电路；21、运算放大器；22、第一开关管；23、第二开关管；24、第一电阻支路；25、第二电阻支路；26、第四电阻支路；27、第三电阻支路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在实施例一中，如图2所示，提供一种超声波换能器的驱动电路，所述驱动电路中不需要设置变压器，所述驱动电路包括：
电压信号源AC（1），用于提供电压信号，且该电压信号源通过电阻R10连接自举电路20。
自举电路20，如图3所示，所述自举电路20包括：
运算放大器（21），所述运算放大器21的第一输入端连接所述电压信号源AC，所述运算放大器21的第二输入端连接接地电阻Rg；所述运算放大器21的正极端通过第一开关管22连接电源正极VCC，所述第一开关管22的控制端通过第一电阻支路24连接所述电源正极VCC，所述第一开关管22的控制端通过第二电阻支路25连接所述运算放大器21的输出端Vout；所述运算放大器21的负极端通过第二开关管23连接电源负极Vee，所述第二开关管23的控制端通过第三电阻支路27连接所述电源负极Vee，所述第二开关管23的控制端通过第四电阻支路26连接所述运算放大器21的输出端Vout。
如图2所示，该驱动电路还包括电流放大器3，所述电流放大器3的输入端连接所述运算放大器21的输出端Vout（即自举电路的输出端），所述电流放大器3的输出端连接超声波换能器5的正极端，超声波换能器5的负极端接地。并且，该电流放大器3的输出端通过电阻R20连接运算放大器21的第一输入端。
在一示例中，如图3所示，该自举电路中的第一开关管22为NPN型，第二开关管23为PNP型，并且，第一开关管22和第二开关管23均为三极管Q1、Q2，作为其他实现方式，第一开关管22和第二开关管23还可以均为场效应管，即MOSFET（金氧半场效晶体管）。
在一示例中，如图3所示，该自举电路中，第一电阻支路24中串设有第一电阻R2，第二电阻支路25中串设有第二电阻R1和第一二极管D2，第三电阻支路27中串设有第三电阻R4，第四电阻支路26中串设有第四电阻R3和第二二极管D3。
本实施例的驱动电路中的自举电路，仅采用普通运算放大器，就能够增加输出电压的范围，因此不需要在驱动电路中设置变压器来增加输入电压范围。
下面以采用型号为AD744的运算放大器为例，结合图3中的自举电路，来证明该自举电路能够增加输出电压范围，证明过程如下：
图3中，设置的参数有：电源正极电压Vcc=+36V，电源负极电压Vee=-36V，两个三极管Q1、Q2的基极和发射极之间的电压VBE=0.6V。根据图3中自举电路中各器件的连接结构关系，可以计算出运算放大器的正极端和输出端之间的电压Vco，和运算放大器的负极端和输出端之间的电压Veo，计算公式如下：
Figure 949000DEST_PATH_IMAGE002
式中，Vco为运算放大器的正极端和输出端之间的电压，VCC为电源正极电压，Vee为电源负极电压，R1为第二电阻支路25中第二电阻的阻值，R2为第一电阻支路24中第一电阻的阻值，R3为第四电阻支路26中第四电阻的阻值，R4为第三电阻支路27中第三电阻的阻值。
当第二电阻支路25中加入第一二极管D2，第四电阻支路中加入第二二极管D3后，起到补偿两个三极管Q1、Q2的基极和发射极之间电压VBE的压降作用，将两个二极管的压降Vd设为0.6V，重新计算出运算放大器的正极端和输出端之间的电压Vco，和运算放大器的负极端和输出端之间的电压Veo，计算公式如下：
Figure 616742DEST_PATH_IMAGE004
式中，Vd为第一二极管D2和第二二极管D3的压降。
当考虑在第二电阻支路25中加入第一二极管D2后，自举电路的输出端（运算放大器的输出端）电压的最大值为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，也就是运算放大器的输出端电压Vout最大不超过
Figure 985755DEST_PATH_IMAGE006
。
为了使输出端电压Vout能达到最大，本实施例中的自举电路优选为对称电路，大地电压刚好介于VCC和VEE中点，并且，设置各个电阻的阻值关系为：R3=R1，R4=R2，即第二电阻支路25中第二电阻的阻值等于第四电阻支路26中第四电阻的阻值，第一电阻支路24中第一电阻的阻值等于第三电阻支路27中第三电阻的阻值。
将该阻值关系代入上面的计算公式中，可以得出VCO和Veo的电压差为：
Figure 713539DEST_PATH_IMAGE008
若令R1=R2，可继续化简该电压差为：
Figure 202289DEST_PATH_IMAGE010
根据上面推导可以看出，在驱动电路中设置自举电路而不使用变压器的情况下，并且，在自举电路中所选用的型号为AD744的运算放大器的额定工作电压仅为+/-18V的情况下，自举电路输出电压最大能够升高至+/-35.4V。
因此，本发明的驱动电路中的自举电路，可将任意满足条件的低压高速运算放大器的输出范围放大，从而使驱动电路不再受到变压器带来的种种负面影响，也使得在元件选型上有更多自由，进而大幅减少换能器驱动电路的生产成本。
在另一示例中，若不需要将自举电路的输出电压升高至+/-35.4V时，则不必将第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的阻值设置相同，具体根据自举电路的输出电压需求设置各个阻值大小即可。
在另一示例中，图3中自举电路的第二电阻支路25和第四电阻支路26中还可以仅串设电阻，而不用串设二极管，在此情况下，若第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻的阻值设置相等，那么自举电路输出电压最大能够升高至+/-36V。
在实施例二中，提供一种自举电路，该自举电路设置在如图2所示的超声波换能器的驱动电路中，具体的，自举电路包括：
运算放大器，所述运算放大器的第一输入端用于连接电压信号源，所述运算放大器的第二输入端连接接地电阻，所述运算放大器的输出端用于连接超声波换能器；
所述运算放大器的正极端通过第一开关管连接电源正极，所述第一开关管的控制端通过第一电阻支路连接所述电源正极，所述第一开关管的控制端通过第二电阻支路连接所述运算放大器的输出端；
所述运算放大器的负极端通过第二开关管连接电源负极，所述第二开关管的控制端通过第三电阻支路连接所述电源负极，所述第二开关管的控制端通过第四电阻支路连接所述运算放大器的输出端。
在一示例中，所述第一开关管和第二开关管均为三级管；在另一示例中，所述第一开关管和第二开关管均为场效应管。
由于本实施例中的自举电路与实施例一中记载的自举电路相同，且自举电路的详细结构已经在实施例一中进行清楚、完整的记载，本实施例中则不再赘述。
本发明的自举电路应用在超声波换能器的驱动电路中，通过设置的自举电路结构，仅采用普通的运算放大器，就可以将自举电路中运算放大器的电压输出范围放大，本发明的自举电路应用在超声波换能器的驱动电路后，就可以在驱动电路中去掉变压器，保证驱动电路使用性能的基础上，有助于大幅减少换能器驱动电路的生产成本。
在实施例三中，提供一种半导体焊线机，所述半导体焊线机包括机箱，机箱中设置有上述实施例一中的超声波换能器的驱动电路。
本发明的半导体焊线机，通过在焊线机的机箱中设置生产成本较低的超声波换能器的驱动电路，能够在一定程度上降低半导体焊线机的生产成本，具有一定的经济效益。
以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超声波换能器的驱动电路，其特征在于，所述驱动电路中不设置变压器，所述驱动电路包括：
电压信号源，用于提供电压信号；
自举电路，所述自举电路包括：
运算放大器，所述运算放大器的第一输入端连接所述电压信号源，所述运算放大器的第二输入端连接接地电阻；所述运算放大器的正极端通过第一开关管连接电源正极，所述第一开关管的控制端通过第一电阻支路连接所述电源正极，所述第一开关管的控制端通过第二电阻支路连接所述运算放大器的输出端；所述运算放大器的负极端通过第二开关管连接电源负极，所述第二开关管的控制端通过第三电阻支路连接所述电源负极，所述第二开关管的控制端通过第四电阻支路连接所述运算放大器的输出端；
电流放大器，所述电流放大器的输入端连接所述运算放大器的输出端，所述电流放大器的输出端连接有超声波换能器。
2.如权利要求1所述的超声波换能器的驱动电路，其特征在于，所述第一开关管为NPN型，所述第二开关管为PNP型。
3.如权利要求1所述的超声波换能器的驱动电路，其特征在于，所述第一电阻支路中串设有第一电阻，所述第二电阻支路中串设有第二电阻，所述第三电阻支路中串设有第三电阻，所述第四电阻支路中串设有第四电阻。
4.如权利要求3所述的超声波换能器的驱动电路，其特征在于，所述第二电阻支路中还串设有第一二极管，所述第四电阻支路中还串设有第二二极管。
5.如权利要求3所述的超声波换能器的驱动电路，其特征在于，所述第一电阻、所述第二电阻、所述第三电阻和所述第四电阻的阻值相等。
6.如权利要求1或2所述的超声波换能器的驱动电路，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均为三级管。
7.如权利要求1或2所述的超声波换能器的驱动电路，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均为场效应管。
8.一种自举电路，其特征在于，所述自举电路设置在超声波换能器的驱动电路中，所述自举电路包括：
运算放大器，所述运算放大器的第一输入端用于连接电压信号源，所述运算放大器的第二输入端连接接地电阻，所述运算放大器的输出端用于连接超声波换能器；
所述运算放大器的正极端通过第一开关管连接电源正极，所述第一开关管的控制端通过第一电阻支路连接所述电源正极，所述第一开关管的控制端通过第二电阻支路连接所述运算放大器的输出端；
所述运算放大器的负极端通过第二开关管连接电源负极，所述第二开关管的控制端通过第三电阻支路连接所述电源负极，所述第二开关管的控制端通过第四电阻支路连接所述运算放大器的输出端。
9.如权利要求8所述的自举电路，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管均为三级管，或均为场效应管。
10.一种半导体焊线机，其特征在于，所述半导体焊线机包括机箱，所述机箱中设置有如权利要求1至7任一项所述的超声波换能器的驱动电路。
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