新型超窄脉宽脉冲电源的设计与实现

林 伟,张春林

(武汉理工大学自动化学院,湖北武汉 430070)

随着对加工精度要求的提高,微细加工的研究越来越受到人们的重视。而在微细加工领域,电化学加工由于是以离子形式对材料进行蚀除,具有刀具无损耗,加工后工件无残余应力、无变形,加工表面质量好等优点。因此,在工业生产中,尤其是在航空航天、精密仪器、生物医学等精密机械加工领域具有重要的意义。然而,电解加工存在杂散腐蚀问题。对微细电解来说,杂散腐蚀对微细加工的精度有极大影响。根据德国Fritz Haber研究所的RSchuster等人提出了超窄脉冲电微细电解加工技术理论,要求脉冲电源输出的脉宽越小越好。最新研究表明:当电解加工电源输出纳秒级的超窄脉冲时,可大大减小加工杂散腐蚀,加工间隙可缩小到微米级。将超窄(ns或ps)脉冲电流与低浓度电解液、加工间隙的实时检测及调整等技术结合,可实现纳米、亚微米级精度的加工,完全能满足微细加工的要求。所以在电化学加工中,脉冲电源的性能是影响加工精度的至关重要的原因。

本文设计的脉冲电源以单片机控制DDS芯片产生基本正弦波信号为基础,加上外部脉冲调理电路,实现超窄脉冲宽度,最小可达10 ns,且脉宽和占空比可调,电压在3～5 V,mA级电流,主要是用来在5μm或者10μm的镍片上进行光学小孔码板的加工,要求孔径不大于30μm。

1 电源设计

1.1 电源总体设计

由前面的电源参数可得出,要得到10 ns的脉宽以及1∶10的占空比,得出信号的周期应该为100 ns,即信号的频率应该达到10MHz。传统的以开关斩波形式来实现脉冲,对开关器件的开关速度要求很严格,对器件上升及下降沿速度要求很高,并对开关器件的驱动也有很高的要求。对于超窄脉宽,常用的开关器件很难达到要求,且开关器件易发热,不适应长期工作。这里以DDS芯片为基础,来产生5～10 MHz的基础信号频率,再结合相应的脉冲调理电路,实现超窄脉宽。超窄脉冲电源总体框图见图1。

图1 超窄脉冲电源总体框图

1.2 信号产生单元电路

单片机主要是用来控制DDS芯片产生信号的类型以及频率。本设计中单片机采用的是AT89S51,该单片机采用增强的RISC结构,每MHz可实现1M IPS的处理能力。AT89S51支持在线编程,非常方便,能满足本设计需要。

本设计中首先要获得高频正弦波或者方波信号,这里采用DDS芯片AD9851来实现高频基础信号。AD9851是一种高度集成的设备,采用先进的DDS技术,可以产生一个稳定的频率和相位,且可数字化编程的模拟信号输出。

AD9851与单片机相连,通过输入控制字来控制AD9851输出信号的相位和频率。AT89S51与AD9851图连接见图2。单片机将控制字加载到AD9851,并通过并行或串行方式载入。并行负载格式包括5个字节。第一个8位字节控制输出相位,6×REFCLK倍乘器,电源关闭启用和装载模式;其余4字节组成32位频率控制字。在+5 V电源供电时,AD9851供电电源仅555 mW,功率耗散,功耗小,适应长期工作。

图2 AT89S51与AD9851并行连接

AD9851系统时钟和调谐字输出频率之间的关系表示:

其中:Phase为十进制值的32位频率控制字;SystemClock为直接输入参考时钟或6倍频的输入时钟(6倍乘法器启动)。

为了使输出的频率不受高频斜波的干扰,所以选用了两级的π型LC低通滤波器。π型 LC低通滤波器如图3所示。

图3 π型LC低通滤波器

本设计中基础信号的频率最大为10 MHz,π型LC低通滤波器的截止频率为12 MHz。其中电感用手动绕制漆包线电感。

1.3 信号调理电路

由上面的单片机与AD9851电路,可得到一个5～10 MHz的正弦波基本信号,通过外部调理电路,将正弦波信号变成超窄脉冲信号。这里主要利用快速光耦以及脉冲整形芯片来实现对基本信号的变换。快速光耦选用6N137,这是一款高速光电耦合器,其内部有一个850 nm波长的LED和一个集成检测器组成,具有温度、电流和电压补偿功能,高的输入输出隔离,高的工作速率,典型可达 10 MHz,为集电极开路输出。6N137在本设计中主要有以下作用:利用光耦的单向导通性去除正弦波的下半部分,起到单向整流作用和信号隔离滤波的作用,防止在加工过程中由于短路或者其他原因损坏脉冲电源。6N137为集电极开路输出,其上拉电压可在一定范围内调节,从而调节输出方波信号的电压。且6N137的上升沿较为缓慢,利用这一特点,可与脉冲整形芯片74HC14的门限比较电压相比较,从而实现超短脉宽。使用6N137时要注意,电源端一定要接0.1μF的去耦电容,光耦的2脚和3脚之间为一LED,必须接一限流电阻。

74HC14为六反相斯密特触发器,主要用于脉冲整形,与其工作速率可达40 MHz,满足设计要求。将光耦的输出信号输入74HC14,经过两次反相,即可得到所需的脉冲信号。调理电路原理图见图4。

图4 调理电路原理图

在一定范围内调节光耦的集电极开路输出的上拉电压 VCC,可调节输出脉冲电压信号的脉宽及占空比。图5、图6为脉冲电源输出脉宽20 ns和10 ns的信号波形图,占空比均为1∶10。

图5 脉冲电源输出信号20 ns

图6 脉冲电源输出信号10 ns

2 加工试验结果

利用上述超窄脉冲电源,在5μm厚的镍片上利用钨丝工具进行打孔试验。实验参数为:10 MHz频率,3.5 V电压,10 ns脉宽,1∶10占空比。利用此参数在5μm镍片上进行单个孔及连续打孔试验,结果分别见图7和图8。

由图7和图 8可看出,在 10 ns、1∶10占空比的工作参数下,所加工的小孔周围杂散腐蚀范围小,孔径小于30μs,符合加工精度要求。

3 结束语

图7 单孔效果图(10 ns,10MHz)

图8 连续孔效果图(10 ns,10 MHz)

利用DDS芯片基本信号产生电路,结合脉冲整形电路,设计电化学加工超窄脉冲电源,输出信号稳定,且对于电化学加工所要求的窄脉宽、占空比均能满足需要。通过加工试验,证明了该电源效果良好,提高了电化学加工精度,减小了电化学加工的杂散腐蚀,具有一定的实用价值。

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