基于FPGA的氧化扩散炉温度控制系统研究

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引言

氧化扩散炉的温度控制一直是半导体集成电路生产的要点，在科技不断进步的背景下，半导体技术也在不断进步，集成电路更近换代周期缩短，而各类新型集成电路的性能优化的同时，也对相关的工艺、技术和质量控制提出了更高的要求。因此很有必要开展氧化扩散炉温度控制系统研究，以此来为集成电路产品的生产和创新提供助力。

1 温度测控方案设计

氧化扩散炉的作用不仅是加热，还在于温度控制，因此需要设计一个具有加热、温度测控、实时显示的系统方案。

（1）加热方案设计。氧化扩散炉的炉体主要负责扩散环节加热，设计为三段电加热方式，所有加热炉丝的电源都互不相干，彼此独立，温度控制主要依靠比例控制器。三段加热的功率都较大，而电压很低，炉口的功率和电压分别是1.5千瓦和23伏，炉中分别是2.1千瓦和33伏，炉尾与炉口相同。过往依靠晶闸管调相加热方式，这种加热方式虽然能够有效提升电网功率因数，但是整体上看系统效率较低。本文设计开关电源加热方式，通过半桥逆变开关电源进行加热，成本低效率高。

（2）系统总体方案设计。系统进行分为测温、控温、加热和其他几部分内容，测温需要进行温度信号采集、处理及转换，控温的关键在于FPGA核心单元，加热为半桥逆变及其驱动电路，剩下的就是其他部分。

进行系统总体设计，先借助S型热电偶实现温度采集，明确测温范围和相应电压。为避免干扰信号，要采取电路滤波设计，为了保证热电势，还要设计热电偶的冷端补偿。再以A/D转换电路进行信号的转换和传输，使其到达FPGA控制系统。系统控制板为FPGA开发板，主要是具有PWM脉冲信号发生器、增量PID控制器和数据分析和处理输出功能。PWM从FPGA发出，借助半桥逆变电路实现加热调节，最终实现温度控制。此外，系统设计还包括电源供电设计、用按键来温度设置、用LCD显示来实现温度实时显示，当温度过高时，保护电路将发挥作用[1]。

2 系统硬件设计

（1）FPGA控制电路。首先要选择合适的FPGA芯片，综合效率、功能、能耗和价格进行综合考虑，最终选择了Altera的Cyclone Il系列EP2C8Q208C8芯片。进行时钟电路设计，以50MHZ有源晶振为系统时钟，采取单端时钟信号，系统时钟从CLKO引脚输入，同时将其他不用的时钟引脚接地。EPGA供电电路主要是芯片的输出和输入、可编程逻辑、可编程锁相环三部分进行供电。程序下载及配置电路主要借助AS和JTAG两种配置模式。FLASH数据存储电路主要芯片采用3.3V单电源供电，数据存取时间为90ns,支持TTL逻辑电平，4M化it的芯片容量。

（2）温度采集电路。热电偶是温度采集中的关键元件，能够进行信号转化，需要合理选择合适的热电偶。热电偶根据偶丝材质区分型号，型号不同输出热点是也有差异，同时热电偶还有分度号上的差异，进行热电偶选择时先要看型号，再要看分度号和防爆、精度的等级，接着要考虑安装固定形式、保护管材质、长度或插入深度。

（3）信号调理电路。信号调理分为放大滤波和冷端补偿两部分。放大滤波需要合适的仪表放大器增加分辨率，同时还要设计低通滤波电路来进行干扰信号抑制，要明确电压。冷端补偿包括冰点槽法、热电势修正法、电桥补偿法、补偿导线法、软件补偿法等，其中软件补偿法具有成本低、难度小的优点，为本设计采用。

（4）A/D转换电路。A/D转换电路主要是将采集的温度信号转化为能够被FPGA处理的数字信号。要综合分辨率、转换误差、转换时间和线性度等参数因素选择合适的A/D转换器，系统要求分辨率在0.16mV以上，根据此选择相应的A/D转换芯片，并明确电压设计电路。

（5）半桥逆变电路。选择合适的电路元器件。对于二极管，要考虑电流电压的波动和裕量，明确电压、电源最大功率和最大输入电流，以便选择合适的输入整流桥。对于输入滤波电容，通过计算得出直流输入电压的相关数据，明确输入电容大小。此外还要明确IGBT、变压器、输出整流元件、输出滤波元件以及散热片面积[2]。

3 系统软件设计

（1）增量PID控制器。在很多控制系统中都会应用到数字PID，这主要是结合控制对象构件数学模型，并借助对比例、微分、积分系数进行调节，来实现对系统的控制。本系统采取增量PID控制器，同时借助FPGA的LPM宏模块对其做出设计，以便避免微处理时出现程序跑飞的情况，提升增量PID控制器的应用效果。

（2）PWM信号发生器。PWM技术能够借助数字输出实现对模拟电路的控制，将信号用数字形式进行传送，具有抑制谐波和动态响应强的优势，是测量。通信等行业中的常用技术。PWM的单片机在应用中存在一定的局限，会影响系统的抗干扰能力，或者导致系统瘫痪。因此，要将PWM控制器与FPGA系统结合，解决原本的隐患，是其能够更好地发挥作用。

（3）Nios Ⅱ嵌入式处理器系统。Nios Ⅱ软核处理器成本较低、性能高、可配置、生命周期长、易于开发升级，具有良好的应有优势。在使用时，需要结合系统方案对处理器进行特别设计，要合理设置系统时钟和添加系统CPU，还要结合硬件电路情况增加外设以及设置中断请求和系统起始地址。

（4）系统控制程序。系统控制程序设计包括A/D转换器、液晶屏显示、和按键驱动程序三方面内容，对于A/D转换器驱动程序设计要借助三次传输进行数据转换，对于液晶屏显示驱动程序要在相应的软件中完成C语言，并在Nios Ⅱ编程，对于按键驱动程序，要形成矩形键盘并检测调整。

4 结束语

综上所述，集成电路产品生产质量与温度因素息息相关，做好温度控制是提升产品生产质量和效率的重要措施。不断更新发展的集成电路需要更加优质的设备和工艺的支持才能够从设计落实成为产品，氧化扩散炉作为重要设备需要得到优化。