梁劲斐，于兆勤，郭钟宁

（广东工业大学，广东广州 510006）

0 前言

随着微机电系统（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）的发展，微型复杂结构金属器件的应用范围越来越广，如生物医学和航空领域，因此微细加工技术成为现代工业的一个热点问题。目前，微细加工技术包括光刻技术，电火花加工，超声加工和微细电化学加工等等。微细电化学加工是一种电化学分离加工，它拥有无工具损耗、无加工应力、加工表面质量好和加工复杂结构能力等优点[1-3]。在电化学加工过程中，材料的去除是利用电化学反应以离子尺度进行，金属离子的尺寸在0.1 nm 甚至更小，因此这种微去除方式使得电化学加工技术在微米、纳米制造领域有着很大的发展潜能[4]。

通过对超窄脉冲微细电解加工过程的分析，当脉冲频率提高到几十兆赫兹，脉宽减小至纳秒级时，将小间隙电解加工、低浓度电解液、间歇加工去极化、极间间隙的实时检测和阴极进给的反馈控制等提高电解加工精度的方法综合运用，从而实现纳米、亚微米级的微细电解加工。用超窄脉冲电流能够实现纳米、亚微米的微细电化学加工，其关键因素在于：脉冲电源的脉冲宽度缩小到纳秒或皮秒级时，电极表面双电层的极化被局限在了电极端部数微米的加工区域内，利用双电层的空间约束来控制电化学加工的形状精度与尺寸精度，从而显著提高加工的微细程度和加工精度[4-5]。由此可见纳秒级脉冲电源对于微细电解加工有重要意义。

1 电源的总体设计

纳秒级脉冲电源的设计关键在于控制高频脉冲的产生。旧有的设计方法通常采用单片机来发送脉冲信号，而单片机的固有缺点是晶振频率较低，对于需要产生纳秒级脉冲难以实现。而FPGA拥有基准晶振频率较高、高速并行处理能力强、内部配置灵活的特点，能够产生频率较高的脉冲信号，且对于反馈信号的处理灵活迅速，适合用以设计纳秒级脉冲电源。

电源的整体结构框图如图1 所示。主要设计思路分为主电路、控制电路和检测电路三部分。主电路由LM317 芯片负责调压，控制电路由FPGA控制脉冲发送，检测电路监察电路的短路情况反馈给FPGA执行相应关断回退指令。

图1 电源整体设计框图

（1）主电路

主电路主要采用LM317 芯片来调节电压。该芯片是三端可调正极性电压调节器，可调范围从1.2～37 V。该芯片简单易用，通过调节两个外接电阻的比值来调节输出电压，此外还提供内部限流和热关断等功能。主电路如图2所示。

经过前面的变压整流滤波后LM317 的输入端得到15 V 的直流电压，输出的电压根据下列公式可得：

通过调节可调电阻R2可以改变输出电压。

（2）控制电路

控制电路主要由FPGA 控制，通过FPGA内部编程产生高频脉冲，因FPGA 的输出为3.3 V，驱动MOSFET 的能力太弱，所以输出脉冲需外加一个运算放大器使其电压放大，经过放大后的脉冲用以开通和关断MOSFET，MOSFET 对主电路斩波后得到脉冲电压。该电源的脉冲最高频率为5 MHz，运放接成5.7倍放大得到电压为18.8 V，由此可得所需最小压摆率为94 V/s。运放采用AD 公司的AD818 集成运算放大器，该运放属于电压反馈类型，适合信号频率在10 MHz以下的系统使用。该运放的增益带宽积为130 MHz（G=+2），压摆率为500 V/ μs，符合设计要求。MOSFET 采用AO6602，其主要参数：ID为3.1 A，VGS为±20 V ，VDS为30 V，开通延迟时间为3.4 ns，关断延迟时间为13.2 ns，均满足设计的要求。电路如图3所示。

（3）检测电路

一般的比较常用的检测方法为利用霍尔传感器检测电流情况，但由于霍尔传感器的检测频率太低，一般为200 kHz～300 kHz左右，最高一般不超过1 MHz，而本文设计的电路最高频率为5 MHz，所以采用霍尔传感器作检测的方法不适用与本电源。本电源的检测方法为通过三极管的开关来反映真实加工时负载脉冲的情况，在负载两端接一个三极管，三极管的开关情况由负载的脉冲决定，在该情况下只需检测三极管的开关状态就可判断负载脉冲的情况。检测电路原理如4所示。

图2 主电路电路图

图3 驱动电路图

图4 检测电路原理图

检测输出的信号Sig_Out与负载脉冲的频率相同，当加工短路时Sig_Out持续输出高电平，根据对Sig_Out对低电平的计数个数可确定电路是否短路。

2 控制逻辑设计

控制逻辑的设计主要分为两部分：（1）控制脉冲的发生；（2）短路反馈检测控制。整个的逻辑控制由FPGA来实现，通过对FPGA的编程实现各个功能模块。采用Altera公司的EP4CE15F17C8系列的FPGA，基准时钟为50 MHz 晶振，通过对基准时钟的倍频能过得到更高的频率。

（1）控制脉冲的编程实现

图5 输出波形图

（2）检测控制的编程实现

在实际的加工中由于各种的干扰会导致很多短路信号是伪短路信号，必须对检测到的短路信号进行识别区分。这种伪短路信号的维持时间非常的短，通常都是在某一瞬间出现，所以可以设定一小段定时来进行区分。本文设定用以区分的时间为1 ms，当短路信号维持时间小于1 ms 时，系统认定为干扰信号，电源继续输出加工；当短路信号维持时间大于1 ms时，系统认定为加工短路，立即切断电源并发送信号到上位机使工具电极回退。

将在三极管集电极和发射极两端检测到的信号发送到FPGA中，FPGA根据检测到的信号的高低电平进行计数，当电源正常加工时，FPGA检测到的是脉冲信号；当电源短路时，三极管的基极输入为低电平，三极管关断，集电极端一直输出为3.3 V的高电平。在程序中设定一个检测寄存器Count_Out 在定时1 ms 内对检测到的低电平数计数，若正常加工或有干扰时，在1 ms内的低电平数不为0；若电源短路时，在1 ms 内对低电平检测到的个数为0。程序的设计流程如图6所示。

图6 检测程序设计路程图

初始化后设定寄存器Count1 对基准时钟计数且寄存器Count_Out 对检测到的低电平计数，当Count1计数值达到定时1 ms后，查询Count_Out中的计数值并且清零Count1，若Count_Out中计数值不为零，将反馈信号寄存器rFeedback 置0；若Count_Out中计数值为零，将rFeedback置1，最后将rFeedback 中的值赋值给反馈信号Feedback，Feedback为0，电源继续正常输出加工，Feedback为1，脉冲发送模块关断，切断电源。

3 结语

本文结合微细电化学加工的发展趋势，设计出了适合于微细电化学加工的电源。电源整体采用直流加斩波的方式，斩波部分应用FPGA 芯片进行脉冲发送的控制，依靠FPGA 内部高频时钟信号的特点，使控制脉冲信号能够达到较高频率，从而使MOSFET 在高频下对直流部分开通和关断，输出高频的脉冲电压。同时检测信号的处理在FPGA 的内部进行，能在很短的物理延迟时间内完成。而且由于使用了FPGA 芯片，代替了以前旧有的外围电路，缩小了电源的整体体积，且使用灵活方便，日后升级换代比较简单，只需要重新对FPGA编程即可。

［1］徐家文，云乃彰，王建业，等.电化学技工技术：原理、工艺及应用［M］.北京：国防工业出版社，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］张朝阳，毛卫平，陈飞.纳米、亚微米的超窄脉宽微细电化学加工［J］.微纳电子技术，2009，46（11）：684-690.

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