基于CPLD的半导体设备电源系统控制技术研究

井海石，肖雅静，田洪涛，熊 朋

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京，100176)

基于CPLD的半导体设备电源系统控制技术研究

井海石，肖雅静，田洪涛，熊 朋

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京，100176)

研究基于CPLD的半导体设备电源系统控制技术，介绍了CPLD相关知识、电源系统控制原理、电源系统控制硬件软件设计及抗干扰技术，最后结合实际应用指出基于CPLD的电源控制技术具有广泛的应用前景。

复杂可编程逻辑器件；半导体设备；电源系统控制

半导体设备涉及传感识别、运动控制、温度控制、图像处理、计算机通信等众多领域。系统结构复杂、功能模块众多，技术含量极高。半导体设备的电源系统也是很复杂的，即包含交流电源又包含直流电源，电源的种类较多。电源系统是半导体设备的心脏，电源系统稳定工作是设备正常工作的先决条件。半导体设备对电源系统的控制要求比较高，一是电源控制可靠稳定；二是实现特定控制功能，如时序启动、分模块上电、延时断电以及电源输出独立控制等。这对于抑制电源浪涌冲击、维护电源稳定、满足设备工艺要求和设备模块维护都是十分必要的。因此，简单可靠地对半导体设备电源系统进行控制是极为重要和关键的。

传统电源系统控制技术主要采用接触器和继电器（中间继电器、时间继电器等）组合控制方式，可实现自锁、互锁、延时启动断电等控制功能，可靠性较高，缺点是构造复杂、接线多、不易集成、占用空间大、一旦定型无法更改控制方式。若采用PLC进行控制则可靠性高、控制方式灵活，但面临成本高、嵌入困难、响应速度慢等问题。应用CPLD逻辑器件进行电源系统控制则具有结构简单、响应速度快、适应性强、节约空间、成本低、易于维护且可靠性高等优点。

1 CPLD介绍

CPLD，是“Complex Programmable Logic Device”的简写，即复杂可编程逻辑器件，是从PAL和GAL器件发展出来的器件，规模较大，结构复杂，属于大规模集成电路范围。用户可以根据实际需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。其设计基本方法是应用集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言、在线仿真等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送到目标芯片中，实现特定功能的数字系统[1]。

CPLD主要是由可编程逻辑宏单元(MC)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。MC结构较复杂，具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。CPLD具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，应用已深入网络通信、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面[1]。

2 电源系统控制原理

如图1所示，启动继电器、R1继电器嵌入在电源系统交流通路上，R2～Rn嵌入在电源系统直流通路上，通过控制这些嵌入在电源系统上的继电器即可控制电源系统。CPLD电源控制电路是半导体设备电源系统控制的核心，CPLD电源控制电路监测控制面板对电源系统输出的人机交互指令信号（启动、急停、断电信号），接收上位机对电源系统的各路电源输出的I/O控制信号，按内部设定的控制逻辑时序控制嵌入到电源系统上继电器开关，从而实现控制电源系统的启动、急停、关闭以及各路交直流电源的时序逻辑通断等功能。

图1 电源系统控制原理结构框图

3 电源系统控制硬件设计

电源控制硬件电路包括电源模块、CPLD逻辑器件及附属电路、面板信号接口电路、I/O信号接口电路、光电耦合电路、电平转换电路、继电器驱动电路等，如图2所示。电源模块提供UDC＝+5 V、+3.3 V和+24 V电源，统一为电源控制硬件电路提供直流工作电压；CPLD逻辑器件是电源系统控制的核心，用来实现电源系统控制逻辑；面板信号接口电路将启动、断电、急停面板信号接入CPLD；I/O信号接口电路将上位机发出的电源I/O控制信号接入CPLD；CPLD通过继电器驱动电路实现对嵌入到电源系统的继电器进行控制。

图2 电源控制硬件电路结构框图

CPLD逻辑器件选用ALTERA公司MAXII系列EPM570T100C3N，具有以下特点[2]：

●低成本，低功耗

●瞬时上电，非易失性架构

●提供快速传播延迟和时钟输出时间

●总线型结构

●可编程摆率、驱动强度和上拉电阻

●支持热插拔

●内置JTAG边界扫描测试电路

●支持多种电平I/O接口

4 电源系统控制软件设计

电源控制软件采用Altera公司集成开发软件Quartus II进行开发。首先，根据电源系统实际应用需求，绘制CPLD功能控制原理图，用硬件描述语言VHDL语言完成原理图模块程序的编写；然后软件编译并仿真查看软件是否满足实际控制需求；再其后将软件程序烧录到CPLD，并将电源控制电路板与电源系统连接，实际测试直到软件满足实际需要；最后将电源系统安装到半导体设备进行长时间实际考核，验证软件程序的可靠性并针对出现的问题对程序进行改进。启动功能软件原理框图、断电功能软件原理框图及电源控制系统软件控制流程图分别如图3、图4、图5所示。

5 电源系统控制抗干扰技术

半导体设备本身存在高压及大功率器件，瞬时高压和大功率器件启停都会产生较大的电磁干扰，另外半导体设备应用场所也存在其他设备和工作环境的电磁干扰，因此在电源控制设计中加入抗干扰技术来增强电源系统稳定性十分重要，主要通过硬件和软件设计两方面进行抗干扰设计。

图3 启动功能软件原理框图

图4 断电功能软件原理框图

图5 电源控制系统软件控制流程图

硬件抗干扰设计主要采用的方法：

（1）隔离技术。DC-DC电源隔离，防止电磁干扰通过电源线路进入CPLD；光耦隔离I/O及面板信号；优化电源控制电路板电子器件布局及走线设计；对电源控制电路板进行合理敷地。

（2）PCB设计。采用电源滤波器减少电磁干扰；优化电源控制电路板电子器件布局及走线设计；对电源控制电路板进行合理敷地；

软件抗干扰设计主要采用的方法：

（1）重复多次采样输入I/O信号，直到连续两次或多次采样结果完全一致方为有效。

（2）重复输出数字输出I/O信号，设定周期越短越好。外设接收一个错误的信号后，还来不及做出有效的反应，下一个正确的输出信号又到来了，可以及时防止误动作，克服干扰的影响。

（3）数字滤波技术：CPLD内部编程设计数字滤波器，从采样信号中提取出有效信号数值，滤除干扰信号。

6 结束语

基于CPLD的半导体设备电源系统控制技术已成功应用到半导体设备电源系统中，截止目前，已完成约150余套批量化生产，电源系统工作可靠稳定且故障率低。采用CPLD进行半导体设备电源系统控制成本低、灵活性高，CPLD将会在电源系统控制方面得到越来越广泛的应用。

[1] 宋万杰，罗丰，吴顺君.CPLD技术及其应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2000.

[2] 周兴华.CPLD入门与实践[M].北京：中国电力出版社，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，河北邢台人，工程师，硕士研究生，主要从事半导体专用设备电气研发工作。

2017-02-08