基于CPLD的半導(dǎo)體設(shè)備電源系統(tǒng)控制技術(shù)研究

井海石，肖雅靜，田洪濤，熊 朋

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京，100176)

基于CPLD的半導(dǎo)體設(shè)備電源系統(tǒng)控制技術(shù)研究

井海石，肖雅靜，田洪濤，熊 朋

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京，100176)

研究基于CPLD的半導(dǎo)體設(shè)備電源系統(tǒng)控制技術(shù)，介紹了CPLD相關(guān)知識、電源系統(tǒng)控制原理、電源系統(tǒng)控制硬件軟件設(shè)計(jì)及抗干擾技術(shù)，最后結(jié)合實(shí)際應(yīng)用指出基于CPLD的電源控制技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。

復(fù)雜可編程邏輯器件；半導(dǎo)體設(shè)備；電源系統(tǒng)控制

半導(dǎo)體設(shè)備涉及傳感識別、運(yùn)動(dòng)控制、溫度控制、圖像處理、計(jì)算機(jī)通信等眾多領(lǐng)域。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能模塊眾多，技術(shù)含量極高。半導(dǎo)體設(shè)備的電源系統(tǒng)也是很復(fù)雜的，即包含交流電源又包含直流電源，電源的種類較多。電源系統(tǒng)是半導(dǎo)體設(shè)備的心臟，電源系統(tǒng)穩(wěn)定工作是設(shè)備正常工作的先決條件。半導(dǎo)體設(shè)備對電源系統(tǒng)的控制要求比較高，一是電源控制可靠穩(wěn)定；二是實(shí)現(xiàn)特定控制功能，如時(shí)序啟動(dòng)、分模塊上電、延時(shí)斷電以及電源輸出獨(dú)立控制等。這對于抑制電源浪涌沖擊、維護(hù)電源穩(wěn)定、滿足設(shè)備工藝要求和設(shè)備模塊維護(hù)都是十分必要的。因此，簡單可靠地對半導(dǎo)體設(shè)備電源系統(tǒng)進(jìn)行控制是極為重要和關(guān)鍵的。

傳統(tǒng)電源系統(tǒng)控制技術(shù)主要采用接觸器和繼電器（中間繼電器、時(shí)間繼電器等）組合控制方式，可實(shí)現(xiàn)自鎖、互鎖、延時(shí)啟動(dòng)斷電等控制功能，可靠性較高，缺點(diǎn)是構(gòu)造復(fù)雜、接線多、不易集成、占用空間大、一旦定型無法更改控制方式。若采用PLC進(jìn)行控制則可靠性高、控制方式靈活，但面臨成本高、嵌入困難、響應(yīng)速度慢等問題。應(yīng)用CPLD邏輯器件進(jìn)行電源系統(tǒng)控制則具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)、節(jié)約空間、成本低、易于維護(hù)且可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。

1 CPLD介紹

CPLD，是“Complex Programmable Logic Device”的簡寫，即復(fù)雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件，規(guī)模較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍。用戶可以根據(jù)實(shí)際需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其設(shè)計(jì)基本方法是應(yīng)用集成開發(fā)軟件平臺，用原理圖、硬件描述語言、在線仿真等方法，生成相應(yīng)的目標(biāo)文件，通過下載電纜將代碼傳送到目標(biāo)芯片中，實(shí)現(xiàn)特定功能的數(shù)字系統(tǒng)[1]。

CPLD主要是由可編程邏輯宏單元(MC)圍繞中心的可編程互連矩陣單元組成。MC結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，具有復(fù)雜的I/O單元互連結(jié)構(gòu)，可由用戶根據(jù)需要生成特定的電路結(jié)構(gòu)，完成一定的功能。CPLD具有編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路設(shè)計(jì)，應(yīng)用已深入網(wǎng)絡(luò)通信、儀器儀表、汽車電子、數(shù)控機(jī)床、航天測控設(shè)備等方面[1]。

2 電源系統(tǒng)控制原理

如圖1所示，啟動(dòng)繼電器、R1繼電器嵌入在電源系統(tǒng)交流通路上，R2～Rn嵌入在電源系統(tǒng)直流通路上，通過控制這些嵌入在電源系統(tǒng)上的繼電器即可控制電源系統(tǒng)。CPLD電源控制電路是半導(dǎo)體設(shè)備電源系統(tǒng)控制的核心，CPLD電源控制電路監(jiān)測控制面板對電源系統(tǒng)輸出的人機(jī)交互指令信號（啟動(dòng)、急停、斷電信號），接收上位機(jī)對電源系統(tǒng)的各路電源輸出的I/O控制信號，按內(nèi)部設(shè)定的控制邏輯時(shí)序控制嵌入到電源系統(tǒng)上繼電器開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)控制電源系統(tǒng)的啟動(dòng)、急停、關(guān)閉以及各路交直流電源的時(shí)序邏輯通斷等功能。

圖1 電源系統(tǒng)控制原理結(jié)構(gòu)框圖

3 電源系統(tǒng)控制硬件設(shè)計(jì)

電源控制硬件電路包括電源模塊、CPLD邏輯器件及附屬電路、面板信號接口電路、I/O信號接口電路、光電耦合電路、電平轉(zhuǎn)換電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路等，如圖2所示。電源模塊提供UDC＝+5 V、+3.3 V和+24 V電源，統(tǒng)一為電源控制硬件電路提供直流工作電壓；CPLD邏輯器件是電源系統(tǒng)控制的核心，用來實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)控制邏輯；面板信號接口電路將啟動(dòng)、斷電、急停面板信號接入CPLD；I/O信號接口電路將上位機(jī)發(fā)出的電源I/O控制信號接入CPLD；CPLD通過繼電器驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對嵌入到電源系統(tǒng)的繼電器進(jìn)行控制。

圖2 電源控制硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

CPLD邏輯器件選用ALTERA公司MAXII系列EPM570T100C3N，具有以下特點(diǎn)[2]：

●低成本，低功耗

●瞬時(shí)上電，非易失性架構(gòu)

●提供快速傳播延遲和時(shí)鐘輸出時(shí)間

●總線型結(jié)構(gòu)

●可編程擺率、驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度和上拉電阻

●支持熱插拔

●內(nèi)置JTAG邊界掃描測試電路

●支持多種電平I/O接口

4 電源系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)

電源控制軟件采用Altera公司集成開發(fā)軟件Quartus II進(jìn)行開發(fā)。首先，根據(jù)電源系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用需求，繪制CPLD功能控制原理圖，用硬件描述語言VHDL語言完成原理圖模塊程序的編寫；然后軟件編譯并仿真查看軟件是否滿足實(shí)際控制需求；再其后將軟件程序燒錄到CPLD，并將電源控制電路板與電源系統(tǒng)連接，實(shí)際測試直到軟件滿足實(shí)際需要；最后將電源系統(tǒng)安裝到半導(dǎo)體設(shè)備進(jìn)行長時(shí)間實(shí)際考核，驗(yàn)證軟件程序的可靠性并針對出現(xiàn)的問題對程序進(jìn)行改進(jìn)。啟動(dòng)功能軟件原理框圖、斷電功能軟件原理框圖及電源控制系統(tǒng)軟件控制流程圖分別如圖3、圖4、圖5所示。

5 電源系統(tǒng)控制抗干擾技術(shù)

半導(dǎo)體設(shè)備本身存在高壓及大功率器件，瞬時(shí)高壓和大功率器件啟停都會(huì)產(chǎn)生較大的電磁干擾，另外半導(dǎo)體設(shè)備應(yīng)用場所也存在其他設(shè)備和工作環(huán)境的電磁干擾，因此在電源控制設(shè)計(jì)中加入抗干擾技術(shù)來增強(qiáng)電源系統(tǒng)穩(wěn)定性十分重要，主要通過硬件和軟件設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。

圖3 啟動(dòng)功能軟件原理框圖

圖4 斷電功能軟件原理框圖

圖5 電源控制系統(tǒng)軟件控制流程圖

硬件抗干擾設(shè)計(jì)主要采用的方法：

（1）隔離技術(shù)。DC-DC電源隔離，防止電磁干擾通過電源線路進(jìn)入CPLD；光耦隔離I/O及面板信號；優(yōu)化電源控制電路板電子器件布局及走線設(shè)計(jì)；對電源控制電路板進(jìn)行合理敷地。

（2）PCB設(shè)計(jì)。采用電源濾波器減少電磁干擾；優(yōu)化電源控制電路板電子器件布局及走線設(shè)計(jì)；對電源控制電路板進(jìn)行合理敷地；

軟件抗干擾設(shè)計(jì)主要采用的方法：

（1）重復(fù)多次采樣輸入I/O信號，直到連續(xù)兩次或多次采樣結(jié)果完全一致方為有效。

（2）重復(fù)輸出數(shù)字輸出I/O信號，設(shè)定周期越短越好。外設(shè)接收一個(gè)錯(cuò)誤的信號后，還來不及做出有效的反應(yīng)，下一個(gè)正確的輸出信號又到來了，可以及時(shí)防止誤動(dòng)作，克服干擾的影響。

（3）數(shù)字濾波技術(shù)：CPLD內(nèi)部編程設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，從采樣信號中提取出有效信號數(shù)值，濾除干擾信號。

6 結(jié)束語

基于CPLD的半導(dǎo)體設(shè)備電源系統(tǒng)控制技術(shù)已成功應(yīng)用到半導(dǎo)體設(shè)備電源系統(tǒng)中，截止目前，已完成約150余套批量化生產(chǎn)，電源系統(tǒng)工作可靠穩(wěn)定且故障率低。采用CPLD進(jìn)行半導(dǎo)體設(shè)備電源系統(tǒng)控制成本低、靈活性高，CPLD將會(huì)在電源系統(tǒng)控制方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。

[1] 宋萬杰，羅豐，吳順君.CPLD技術(shù)及其應(yīng)用[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2000.

[2] 周興華.CPLD入門與實(shí)踐[M].北京：中國電力出版社，2011.

Study on the Controlling Technology of Semiconductor Equipment Power System Based on CPLD

JING Haishi，XIAO Yajing，TIAN Hongtao，XIONG Peng
(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)

In this paper，the controlling technology of semiconductor equipment power system based on CPLD is mainly studied on.The knowledge on CPLD，the power system controlling principles，the power system controlling designs of hardware and software，and the anti-interference technology are presented.At last，combined with the actual application，that the controlling technology of power based on CPLD has a wide prospect is pointed out.

Complex programmable logic device (CPLD)；Semiconductor equipment；Power system controlling

TN86

A

1004-4507(2017)02-0047-05

井海石（1984-），男，河北邢臺人，工程師，碩士研究生，主要從事半導(dǎo)體專用設(shè)備電氣研發(fā)工作。

2017-02-08