基于AD9850的微电铸超窄脉冲电源的设计与应用

2021-08-26朱鹏程

电加工与模具 2021年4期

赵忠，朱鹏程

（江苏科技大学机械工程学院，江苏省船海机械先进制造及工艺重点实验室，江苏镇江 212003）

随着微机电系统（MEMS）的发展，微金属传感器以其体积小、重量轻、灵敏度高、抗干扰能力强等优点备受青睐，广泛应用于航空航天、医疗卫生、国防科技、海洋探测等领域[1-10]。在微金属器件的制作中，微细电铸技术因具有复制精度高、可重复性好、成本低的特点，在微纳制造领域应用广泛，其中，高频脉冲电源是微细电铸技术中最重要的设备之一。与普通直流电源相比，高频脉冲利用电流的脉冲间歇，在界面处补充溶液深处的金属离子，从而提高极限电流密度，改善铸层力学性能[11]。作为一种加工精度高、定域性强、可实现微纳米结构加工的技术，高频脉冲电铸技术可应用于包括微孔、微型腔、微沟道等复杂微金属结构的加工制作中，具有广阔的应用前景。

关于高频脉冲电源的设计，朱维龙[12]采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）设计了一款具有多波形数字化控制的脉冲电镀电源，并可应用于电镀生产线。为了改善IGBT的导通关断过程，于晓慧[13]采用移相控制器改善了脉冲电源的输出波形，有效提高了脉冲频率。王建业等[14]采用金氧半导体场效应管（MOSFET）斩波方式设计了一款适合中小零件加工的脉冲电源。为了适应双向脉冲输出的需要，张亚坤[15]采用MOSFET设计了具有双向脉冲输出的电镀电源，采用IGBT设计脉冲电源适用于大功率电镀的场合；然而，利用开关管设计的脉冲电源其控制电路复杂、谐波严重，且开关高频通断过程会产生浪涌电流。对于微电铸而言，开关管产生的浪涌电流会使得局部沉积电流过大，导致微结构烧焦现象，这些都会影响微电铸加工的精度和质量。为了克服功率开关管脉冲电源的缺点，赵忠等[16]采用ICL8038芯片设计了一款高频脉冲电源，能够满足微电铸加工要求，但其占空比仅有几档调节，不能够实现连续控制。此外，林伟等[17]采用AD9850芯片设计了用于光学码板电解加工的脉冲电源，但其电源设计需使用波形调理芯片，控制复杂。目前，关于超窄脉冲电源研究主要集中于电解加工定域性的研究，对于采用直接数字频率合成（DDS）技术设计适用于微电铸加工的脉冲电源研究较少。

针对微电铸加工的特点，本文基于STC89C51单片机与AD9850芯片设计了一款控制简单、波形良好的超窄脉冲电源，并采用微电铸实验制作了电沉积镍层，采用扫描电镜与表面轮廓方法表征了沉积层表面质量，超窄脉冲电源适用于微电铸结构的加工。

1 脉冲电源硬件电路设计

在微电铸工艺中，由于微电铸结构较小，电源功率较小。图1是电源设计的整体思路，利用AD9850芯片产生脉冲加信号放大的方式能够满足微电铸工艺的要求，整个电源可分为主控模块、DDS模块、按键模块及液晶显示模块。其中，矩阵键盘输入并装载波形频率，然后通过串口送于单片机；单片机将接收的信号转化为AD9850的频率控制字和相位控制字；AD9850根据相应的控制字产生相应的波形和频率。

图1 超窄脉冲电源硬件设计图

图2是单片机的控制电路设计。脉冲电源的控制电路采用STC89C51R芯片作为整个系统的控制核心，芯片与各模块进行电路连接设计，包括键盘电路的连接、LCD1602显示器的连接和DDS芯片的连接。

图2 单片机控制电路

单片机的RST/VPD引脚与复位电路连接。其中，复位电路上10 uF电容C6与一个阻值10 kΩ的R9串联，电容的正极接5 V电源，电容上并联一个名为S34的按键，R9电阻一端接地；工作时按下复位电路键，此时电容放电RST引脚会收到两个机器周期以上的高电平从而使得系统复位。在设计中，与X1、X2引脚连接的是晶振电路，X1连接电容为30 pF的C7，X2连接电容为30 pF的C8，将C7与C8串联并接地，另在X1与X2上接上频率12 MHz的晶振，这个电路的作用主要是为单片机提供工作信号脉冲；其次，在31号引脚上连接4.7 kΩ的电阻，电阻另一端与5 V正极连接，其作用是EA=1时程序从内部ROM开始执行，EA=0时程序从外部ROM开始执行。P0口（P0.0~P0.7）与LCD1602的DB0~DB7相连接，P0口内部为开漏输出，需要外接上拉电阻，通过并行数据传输方式，用于传输数据或指令给LCD1602。最后，引脚P2.0~P2.7连接键盘模块，用来接收来自按键S18~S33的输入信号。

图3是AD9850控制电路图设计，采用AD9850作为DDS输出芯片，其具有频率切换时间短、频率分辨率高、相位连续变化、输出波形灵活、低相位噪音和漂移等特点[17]，其中VCC连接5 V电源，引脚1~4连接LPF低通滤波模块，引脚GND接地，引脚6~9连接单片机。

图3 AD9850控制电路图

AD9850芯片参考时钟频率工作，当工作一个周期时，累加器将控制字和寄存器输出值累加并将和值送到寄存器中，下一周期运算往复循环。在参考频率源的作用下，频率控制字不停累加，此时相位累加器输出的数据将会送至正弦ROM存储器来调取所对应的幅值表。由此，从相位到幅值之间的转化就此完成。其中，输出频率与占空比的计算方式[18]如下：

式中：f0为输出频率；fc为参考时钟频率；k为频率控制字；N为相位累加器字长；D为占空比；t为输出信号导通时间；T为输出信号周期。

图4是LCD1602电路原理设计，LCD1602显示器显示频率与占空比值。其中，引脚1与引脚3接滑动变阻器R6，引脚2用一电容并联到引脚1上，引脚DB0~DB7连接到单片机，引脚A即LCD背光电源正极引脚串联一个电容并外接5 V电源，最后再与引脚K连接，共同接地。

图4 LCD1602电路原理图

2 脉冲电源软件设计

脉冲电源系统软件的设计过程如下：首先打开keil软件，按照程序模块化的思路创建以.h为格式的包括系统资源、芯片、功能函数及便签四个文件夹；然后通过创建多个新工程，分别编写出名为主函数、延时函数、串口通信函数的.c格式的程序文件，并将之放入到资源文件夹中；接下来采用相同的方法分别将编写的lcd1602.c、ad9850.c、key.c放入芯片文件夹中，将disp.c、frecircul.c、judge.c放入功能函数文件夹中；最后将developer diary.c、help.c放入便签文件夹中。

采用STC89C52RC创建新工程，并在新工程中选择STC89C52RC作为控制器。当进入程序编译窗口后先把之前编译好的程序加载到Target文件下，然后编译出.hex格式的主程序文件，单片机上电后，单片机从片内FLASH程序区的0000H开始执行指令。首先对单片机系统初始化复位，以便中央处理器处于一个确定的初始状态，另外需对其堆栈指针SP、ALE等寄存器以及4个I/O端口等进行复位，片内RAM中内容不变；接着，对LCD1602进行初始化，设置LCD1602的开启，使指针置于首位；然后，对UART异步串口进行初始化，设置波特率、数据帧长度，使能串口中断；接下来，对AD9850初始化，将w_clk、fq_up、reset进行复位置零；最后是while（1）引导的循环程序，在其中包含了按键循环判断、串口通信实时数据接收、LCD1602数据更新及显示、AD9850芯片频率更新。AD9850的控制流程见图5。

图5 AD9850控制流程图

3 电铸实验

3.1 电源样机测试

设计电气原理图，搭建实物平台，调试电源程序，得到的脉冲电源实物见图6。采用万用表对电路板各个模块进行检测以排除虚焊及短接情况，其次检测芯片连接是否正确，通电测试电源、芯片电压的稳定性，并测试电阻及相关元器件是否正常。

图6 超窄脉冲电源实物图

图7是示波器显示的高频脉冲电源输出脉冲波形，可见脉宽在百纳秒级，波形质量状况良好。能够满足设计要求，适用于微电铸加工。

图7 超窄脉冲电源输出波形图

3.2 电铸实验测试

采用微电铸实验研究脉冲电源的性能，对比分析超窄脉冲电源的电沉积效果。实验装置包括脉冲电源、电铸槽和水浴箱等；电铸液成分包括质量浓度600 g/L的氯化镍、40 g/L硼酸、0.1 g/L润湿剂，电铸液的pH值约为4.2。实验步骤如下：铜基底经过研磨抛光后用丙酮和酒精清洗，去离子水洗净再用氮气吹干；将电铸液加入电铸槽中水浴50℃保温一段时间，采用毫秒级脉冲电源与超窄脉冲电源进行试验，电沉积时间为20 min。其中，毫秒级脉冲电源电流密度为0.4 A/dm2，脉冲波形为矩形波，频率为1 kHz、脉宽为200 ms；超窄脉冲电源电流密度为0.4 A/dm2，脉冲波形为矩形波，频率为1 MHz、脉宽为220 ns。

试验完成后，采用探针轮廓仪测量表面粗糙度，设触针移动速度为0.5 mm/s、采样步长为2μm、采样直线距离为10 mm，所得到的沉积层表面轮廓曲线见图8。根据该表面轮廓曲线，微秒脉冲电沉积层表面粗糙度为Ra1.8μm，超窄脉冲电沉积层表面粗糙度为Ra0.5μm。相对于微秒脉冲电沉积层，采用超窄脉冲电源制作的电沉积层表面更为光滑，这主要是由于超窄脉冲频率高，在脉冲间歇电解液深处的金属离子能够更快地得到补充，改善了电沉积体系的极限电流密度，提高了金属形核率，细化了由晶核形成的沉积晶粒，从而减小了由沉积晶粒组成的金属表面团聚体颗粒的大小，使金属表面更加光滑。