基于CPLD的高频窄脉宽脉冲电源的设计

徐扬帆 李彬 谭明波

（中国船舶重工集团公司七一二研究所，武汉 430064）

0 引言

脉冲电源是微细电解加工中最为重要的环节之一，高频、窄脉宽的脉冲电源已经成为精密微细电解加工领域研究的重点和难点。大量实验数据证明：单个脉冲的放电能量和脉宽的大小对微加工的精度有着重要的影响。国内外研制的脉冲电源存在着很大的差距：国外纳秒级脉宽的脉冲电源已经大量生产，而国内的脉冲电源普遍停留在微秒级。所以研制出稳定性好、加工效率高、除去能力强的微细电解加工窄脉宽脉冲电源对提高加工精度具有重要的意义。

1 脉冲电源的总体设计

本文设计的脉冲电源原理框图如图1所示，它主要由放电回路、控制回路和反馈控制回路组成。放电回路主要为电解加工提供放电通道；控制回路主要是为 MOSFET开关管提供高频的脉冲信号；反馈控制回路主要是对微加工的状态进行实时检测并将结果上传给上位机。控制回路主要是由单片机控制单元、CPLD控制单元、隔离模块、驱动放大电路、高频脉冲产生单元和电流控制模块组成。反馈控制回路是由电压比较模块和放电间隙检测模块组成，主要是对微加工过程中的放电电压和加工状态进行实时检测，并将检测结果上传递给上位机从而控制微动工作台的三维运动方向，实现系统的闭环控制。

2 高频脉冲产生单元的设计

该电源选用ALTERA公司生产的84管脚的EPM7128芯片，利用CPLD的定时与计数功能来实现高频脉冲信号。高频脉冲产生单元主要由数据锁存子模块、脉冲发生子模块和脉冲切断子模块组成。下文将对高频脉冲产生单元主要模块设计进行详细介绍。

图1 脉冲电源原理框图

2.1 脉冲发生子模块的设计

脉冲发生子模块是由脉宽计数器、脉间计数器和具有使能功能的 RS触发器组成，各模块的功能是通过硬件描述语言Verilog HDL编程实现的。脉冲发生子模块原理图如图 2所示，其中off_width counter是脉间计数器，on_width counter是脉宽计数器，U1、U2、U3和 U4组成具有使能功能的RS触发器，clk是外接时钟信号输入端、enable为使能输入端，off_width[0:15]是脉间计数输入端，on_width[0:15]是脉宽计数输入端，pusle1和pusle2为脉冲发生模块的输出端。

图2 脉冲发生模块原理图

2.2 脉冲切断模块的设计

脉冲发生子模块输出的脉冲信号被切断可分为两种形式：(1)在切断脉冲信号的高电平期间使脉宽信号变为低电平，(2)在切断脉冲信号的上升沿期间，将脉宽信号全部变为低电平。由于产生的脉宽信号一般都在100 ns左右，如果使用第(1)种方案切断脉冲信号，则要求MOSFET由开通到关断在几十个纳秒内完成，这对硬件电路和开关器件提出了很高的要求，实现起来有些困难； 如果使用第(2)种方案切断脉冲信号，会使得电源的加工效率受到响。通过权衡比较后，本文设计中选用第(2)中方案设计硬件电路。脉冲切断子模块电路图如图所示。图中pulse_cut是电压比较模块的输出信号，cut_pulse_reg是带使能端(E)和置位端(S)的边沿D触发器。

图3 脉冲切断模块原理图

2.3 高频脉冲产生单元的电路仿真

利用Quartus对脉冲发生模块整体进行仿真，结果如图 4所示。仿真过程中，信号源选用 50 MHz，设定脉宽计数器和脉间计数器的设定值分别为2和3，设定chsel[7:0]为02，由仿真图可知脉宽为40 ns，脉间为60 ns；电流支路选择为2；只要 pulse_cut脉冲一出现，就能使脉宽信号在pulse_cut的下降沿后全部被拉低变为脉间信号，因此仿真图形和预期设计的功能一致。

图4 脉冲发生模块仿真波形图

3 实验

为了验证本文设计的高频窄脉宽脉冲电源的主要性能指标，首先利用泰克示波器对脉冲电源的各级脉冲信号进行观察，并对输出波形进行仔细分析；接着在微细电解加工装置上进行加工试验，通过加工实验进一步验证脉冲电源的性能，为设计出优质性能的脉冲电源奠定基础。

3.1 波形分析

图5 驱动放大电路输出波形

本文设计的脉冲电源CPLD采用50 MHz的外部时钟。本节中通过两次对比试验得出实验结果，通过上位机软件设置本电源的电源技术参数：脉宽为120 n和脉宽为140 ns，脉间都为220 ns。利用示波器观察驱动放大电路输出波形和MOSFET管输出波形分别如图 5，6所示，由图可知：波形较好，满足预期的设计的窄脉宽要求。

图6 MOSFET输出波形

3.2 加工实验

微细电解加工脉冲电源的加工平台的原理图和加工实例图，如图7所示。在加工条件为电压调节模块输出的直流电压为10 V，加工电流为0.8 A，脉宽为120 ns/140 ns，脉间为220 ns的条件下，利用本文设计的微细电解加工窄脉宽脉冲电源对镍片加工出来的微细孔，在电子显微镜下放大后的图形。

图7 微细电解加工原理图及加工实例

4 结论

基于微细电解加工脉冲电源的现状，本文给出了基于CPLD的高频窄脉宽脉冲电源的设计方案，通过对波形的观察和加工实验分析可知，该电源基本满足微加工技术要求。

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