基于FPGA的納秒級微細電解加工脈沖電源的研制

梁勁斐，于兆勤，郭鐘寧

（廣東工業大學，廣東廣州 510006）

0 前言

隨著微機電系統（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）的發展，微型復雜結構金屬器件的應用范圍越來越廣，如生物醫學和航空領域，因此微細加工技術成為現代工業的一個熱點問題。目前，微細加工技術包括光刻技術，電火花加工，超聲加工和微細電化學加工等等。微細電化學加工是一種電化學分離加工，它擁有無工具損耗、無加工應力、加工表面質量好和加工復雜結構能力等優點[1-3]。在電化學加工過程中，材料的去除是利用電化學反應以離子尺度進行，金屬離子的尺寸在0.1 nm 甚至更小，因此這種微去除方式使得電化學加工技術在微米、納米制造領域有著很大的發展潛能[4]。

通過對超窄脈沖微細電解加工過程的分析，當脈沖頻率提高到幾十兆赫茲，脈寬減小至納秒級時，將小間隙電解加工、低濃度電解液、間歇加工去極化、極間間隙的實時檢測和陰極進給的反饋控制等提高電解加工精度的方法綜合運用，從而實現納米、亞微米級的微細電解加工。用超窄脈沖電流能夠實現納米、亞微米的微細電化學加工，其關鍵因素在于：脈沖電源的脈沖寬度縮小到納秒或皮秒級時，電極表面雙電層的極化被局限在了電極端部數微米的加工區域內，利用雙電層的空間約束來控制電化學加工的形狀精度與尺寸精度，從而顯著提高加工的微細程度和加工精度[4-5]。由此可見納秒級脈沖電源對于微細電解加工有重要意義。

1 電源的總體設計

納秒級脈沖電源的設計關鍵在于控制高頻脈沖的產生。舊有的設計方法通常采用單片機來發送脈沖信號，而單片機的固有缺點是晶振頻率較低，對于需要產生納秒級脈沖難以實現。而FPGA擁有基準晶振頻率較高、高速并行處理能力強、內部配置靈活的特點，能夠產生頻率較高的脈沖信號，且對于反饋信號的處理靈活迅速，適合用以設計納秒級脈沖電源。

電源的整體結構框圖如圖1 所示。主要設計思路分為主電路、控制電路和檢測電路三部分。主電路由LM317 芯片負責調壓，控制電路由FPGA控制脈沖發送，檢測電路監察電路的短路情況反饋給FPGA執行相應關斷回退指令。

圖1 電源整體設計框圖

（1）主電路

主電路主要采用LM317 芯片來調節電壓。該芯片是三端可調正極性電壓調節器，可調范圍從1.2～37 V。該芯片簡單易用，通過調節兩個外接電阻的比值來調節輸出電壓，此外還提供內部限流和熱關斷等功能。主電路如圖2所示。

經過前面的變壓整流濾波后LM317 的輸入端得到15 V 的直流電壓，輸出的電壓根據下列公式可得：

通過調節可調電阻R2可以改變輸出電壓。

（2）控制電路

控制電路主要由FPGA 控制，通過FPGA內部編程產生高頻脈沖，因FPGA 的輸出為3.3 V，驅動MOSFET 的能力太弱，所以輸出脈沖需外加一個運算放大器使其電壓放大，經過放大后的脈沖用以開通和關斷MOSFET，MOSFET 對主電路斬波后得到脈沖電壓。該電源的脈沖最高頻率為5 MHz，運放接成5.7倍放大得到電壓為18.8 V，由此可得所需最小壓擺率為94 V/s。運放采用AD 公司的AD818 集成運算放大器，該運放屬于電壓反饋類型，適合信號頻率在10 MHz以下的系統使用。該運放的增益帶寬積為130 MHz（G=+2），壓擺率為500 V/ μs，符合設計要求。MOSFET 采用AO6602，其主要參數：ID為3.1 A，VGS為±20 V ，VDS為30 V，開通延遲時間為3.4 ns，關斷延遲時間為13.2 ns，均滿足設計的要求。電路如圖3所示。

（3）檢測電路

一般的比較常用的檢測方法為利用霍爾傳感器檢測電流情況，但由于霍爾傳感器的檢測頻率太低，一般為200 kHz～300 kHz左右，最高一般不超過1 MHz，而本文設計的電路最高頻率為5 MHz，所以采用霍爾傳感器作檢測的方法不適用與本電源。本電源的檢測方法為通過三極管的開關來反映真實加工時負載脈沖的情況，在負載兩端接一個三極管，三極管的開關情況由負載的脈沖決定，在該情況下只需檢測三極管的開關狀態就可判斷負載脈沖的情況。檢測電路原理如4所示。

圖2 主電路電路圖

圖3 驅動電路圖

圖4 檢測電路原理圖

檢測輸出的信號Sig_Out與負載脈沖的頻率相同，當加工短路時Sig_Out持續輸出高電平，根據對Sig_Out對低電平的計數個數可確定電路是否短路。

2 控制邏輯設計

控制邏輯的設計主要分為兩部分：（1）控制脈沖的發生；（2）短路反饋檢測控制。整個的邏輯控制由FPGA來實現，通過對FPGA的編程實現各個功能模塊。采用Altera公司的EP4CE15F17C8系列的FPGA，基準時鐘為50 MHz 晶振，通過對基準時鐘的倍頻能過得到更高的頻率。

（1）控制脈沖的編程實現

圖5 輸出波形圖

（2）檢測控制的編程實現

在實際的加工中由于各種的干擾會導致很多短路信號是偽短路信號，必須對檢測到的短路信號進行識別區分。這種偽短路信號的維持時間非常的短，通常都是在某一瞬間出現，所以可以設定一小段定時來進行區分。本文設定用以區分的時間為1 ms，當短路信號維持時間小于1 ms 時，系統認定為干擾信號，電源繼續輸出加工；當短路信號維持時間大于1 ms時，系統認定為加工短路，立即切斷電源并發送信號到上位機使工具電極回退。

將在三極管集電極和發射極兩端檢測到的信號發送到FPGA中，FPGA根據檢測到的信號的高低電平進行計數，當電源正常加工時，FPGA檢測到的是脈沖信號；當電源短路時，三極管的基極輸入為低電平，三極管關斷，集電極端一直輸出為3.3 V的高電平。在程序中設定一個檢測寄存器Count_Out 在定時1 ms 內對檢測到的低電平數計數，若正常加工或有干擾時，在1 ms內的低電平數不為0；若電源短路時，在1 ms 內對低電平檢測到的個數為0。程序的設計流程如圖6所示。

圖6 檢測程序設計路程圖

初始化后設定寄存器Count1 對基準時鐘計數且寄存器Count_Out 對檢測到的低電平計數，當Count1計數值達到定時1 ms后，查詢Count_Out中的計數值并且清零Count1，若Count_Out中計數值不為零，將反饋信號寄存器rFeedback 置0；若Count_Out中計數值為零，將rFeedback置1，最后將rFeedback 中的值賦值給反饋信號Feedback，Feedback為0，電源繼續正常輸出加工，Feedback為1，脈沖發送模塊關斷，切斷電源。

3 結語

本文結合微細電化學加工的發展趨勢，設計出了適合于微細電化學加工的電源。電源整體采用直流加斬波的方式，斬波部分應用FPGA 芯片進行脈沖發送的控制，依靠FPGA 內部高頻時鐘信號的特點，使控制脈沖信號能夠達到較高頻率，從而使MOSFET 在高頻下對直流部分開通和關斷，輸出高頻的脈沖電壓。同時檢測信號的處理在FPGA 的內部進行，能在很短的物理延遲時間內完成。而且由于使用了FPGA 芯片，代替了以前舊有的外圍電路，縮小了電源的整體體積，且使用靈活方便，日后升級換代比較簡單，只需要重新對FPGA編程即可。

［1］徐家文，云乃彰，王建業，等.電化學技工技術：原理、工藝及應用［M］.北京：國防工業出版社，2008.

［2］B.Bhattacharyya，J.Munda，M.Malapati.Advancement of electrochemical micro-machining ［J］.International Journal of Machine Tools & Manufacture，2004，44：1577-1589.

［3］Liu Yong，Zhu Di，Zeng Yongbin，et al.Experimental Investigation on Complex Structures Machining by Electrochemical Micromachining Technology ［J］.Chinese Journal of Aeronautics，2010，23：578-584.

［4］張朝陽，毛衛平，陳飛.納米、亞微米的超窄脈寬微細電化學加工［J］.微納電子技術，2009，46（11）：684-690.

［5］Rolf Schuster，Viola Kirchner，Philippe Allongue，et al.Electrochemical Micromachining ［J］.Science，2000，289：101.