高频数字集成电子元件无损检测仪设计与研制

徐超，李慧，徐健，李波文

（九江职业技术学院，江西九江，332007）

0 引言

传统的剥离观察法对被检测元器件的破坏很大，且不够直观。工频模式设计的集成电子元器件无损检测设备虽然一定程度解决上述不足，但是其存在“大、笨、重”的缺点，且辐射量大，使用成本高，往往高到几万至十几万不等，一般中小型电子企业难以配备[1]。与之相比，采用高频数字技术设计的X 光集成电子元件无损检测仪，解决了传统高压发生器结构设计的不足以及传统高压发生器输出易受电网波动干扰的问题，工作效率高、辐射量小，且在大幅度减小体积、重量的基础上，使得拍摄更加清晰[2]。随着新型电子器件、电路拓扑结构和控制技术的发展及应用，研制高性能的高频化、高效率、小型化、轻型化和模块化的无损检测仪电路将是未来发展趋势[3-4]。

1 外形结构设计

高频数字集成电子元件无损检测仪采取符合人性化操作的模仿枪式结构进行设计，主要包括限束器卡扣圈、限束器、机座、充电插口、X 射线发射按钮、支架接口、转轮、控制面板等部分组成。其中x 射线发射按钮用于控制x射线的发射达到拍摄检测的目的；控制面板主要实现电量显示、曝光显示以及参数设置等。

图1 为高频数字集成电子元件无损检测仪的示意图，其中图1(a)为结构正视示意图，图1(b)为内部结构示意图，图1(c)为激光定位灯的布置结构示意图。示意图中标号1 为枪式壳体，标号2为定位开关转轮，标号3 为安装在壳体上的X 射线发射按钮，标号4 为LED 显示屏，标号5 为枪式壳体一端连接的限束器，标号6 为限束器卡扣圈，标号7 为定位支架上安装的激光定位灯。标号9 为枪式壳体内部安装的控制电路板，标号8为高压球头，标号10 为供电锂电池。

图1 高频数字集成电子元件无损检测仪的示意图

2 整机电路设计

图2 为高频数字集成电子元件无损检测仪总体电路原理框图，主要由高压球头模块、控制驱动电路模块、显示屏及开机键、曝光键和外接电池、充电器等组成。原理框图上半部分为高压球头模块内部功能原理图，下半部分为控制驱动电路模块原理框图。控制驱动电路模块中的驱动电路输出60kHz 高频电压至高压球头模块中的高压变压器初级线圈，60kHz 高频电压经变压器升压至5KV 后，再经12倍压整流电路变换成60KV 的直流高压，为X 射线管提供阳极高压。控制电路模块中的灯丝电流控制器输出的灯丝电源直接给X射线管灯丝供电。X 射线管在阳极高压及灯丝电流的共同作用下，生产剂量稳定的X 射线，实现透视无损检测仪功能。

图2 高频数字集成电子元件无损检测仪总体电路原理框图

3 模块电路设计

■3.1 高压球头电路模块

高压球头电路模块如图3 所示。主要由高压升压变压器、倍压整流电路、电流采样电路、电压采样电路及射线管组成。升压变压器将驱动电路输出的高频交流电升压至5KV，再经12 倍压整流电路变换成60KV 高压直流电源为X射线管电场极板供电。灯丝电源控制器输出2.5V 左右的灯丝电压直接给X 射线管灯丝供电。电压采样电路提供60KV 高压直流电压采样，采样电压比率约16KV/V，电压采样电压为正电压。电流采样电路提供射线管电流采样，采样电流比率约1mA/V，电流采样电压为负电压。射线管在满足要求的阳极高压及灯丝电压激发下，生产剂量稳定的X 射线。

图3 高压球头电路框图

■3.2 控制驱动电路模块

控制驱动电路模块如图4 所示。主要由PWM 控制电路、电压反馈信号调理运算电路、电流反馈信号调理运算电路、灯丝电源控制器电路、微处理器控制电路及辅助电源等组成。

图4 控制驱动电路模块

PWM 控制电路采用UC28025DW 为主控芯片，产生PWM 信号控制功率MOS 管Q6、Q7 驱动球头内的升压变压器产生高压。UC28025DW 受微处理器输出的控制信号控制，保证高压产生的时间。球头反馈的高压反馈电压经运放电路调理后经R55 电阻送入UC28025DW 用于稳定高压输出。UC28025DW 的16 脚输出一个5V 参考电压，该电压被用作高压稳压和管电流稳流的参考电压源。C25 和R38是构成UC28028DW 振荡器的主要外围元件，它们决定了PWM 控制电路的工作频率，PWM 控制电路设计的工作频率为60kHz。PWM 控制电路原理图如图5 所示。

图5 PWM 控制电路原理图

电压反馈信号调理运算电路由C8、C13、R19、C17 构成的阻容滤波网络和K5A 构成的电压跟随器组成，调理后的电压经R55 送入UC28025DW 的1 脚，同时电位器R31和K5B 构成的电压跟随器组成高压反馈的参考电压调节电路，调节后的参考电压经Q4、R32、R16、C44 组成的控制电路，再送入图5 所示PWM 控制电路中UC28025DW 的2脚。这两路信号是高压生成的关键信号，直接决定高压的稳定性。电压反馈信号调理运算电路原理图如图6 所示。

图6 电压反馈信号调理运算电路图

电流反馈信号调理运算电路由K1 的四个运放组成，由于管电流的反馈电压是负值，所以管电流反馈信号IP-FB 与控制参考电压IPREF 做加法运算后经半波整流电路变换为正电压（以K1A 运放构成的电路），经K1D 构成的电压跟随器后，再与灯丝电压做加法后输出IP-CTRL 信号，控制灯丝电压控制电路，最终达到控制管电流的目的。电流反馈信号调理运算电路原理图如图7 所示。

图7 电流反馈信号调理原理图

高频数字集成电子元件无损检测仪的微处理器控制电路采用PIC16F1937 集成芯片设计，实现整个电路的操控和显示，控制着放电时间、放电时间设置、检测电池电压、检测灯丝电压、显示放电时间、驱动蜂鸣器等各项功能。

高频数字集成电子元件无损检测仪的+5V 电源是以DC-DC 转换芯片EUP3458VIR1 为主控芯片，将24V 电源输入电压转换为+5V 电源，供微处理器使用。+12V 电源是采用78L12G-AB3-R 线性稳压芯片，将24V 电源输入电压转换为+12V 电源，供PWM 控制器UC280251(K2)和运放LM324(K1)、LM2904(K5)使用。

高频数字集成电子元件无损检测仪采用高频数字技术设计，克服了传统工频集成电子元件无损检测设备体积大、质量重、效率低、清晰度不够等缺陷，具有使用轻便、图像清晰的特点。实验检测效果图如图8 所示。

图8 高频数字集成电子元件无损检测仪实验检测效果图

4 结束语

随着集成电子元器件产业的迅猛发展，集成电子元件的无损检测设备市场规模将呈现增长趋势[5]。通过详细介绍整体方案和系统硬件模块的设计，成功研制出具有先进、实用、分辨率高、透视清晰、操作灵活、定位准确、性价比高的高清集成电子元件无损检测仪，填补国内市场的空白，也打破国外产品的长期垄断，满足广大的中小型电子器件生产厂家、电子产品生产厂家的使用需求，将具有良好的应用价值和市场潜力。