一种小功率高精度脉冲电镀电源

摘要

本发明公开了一种小功率高精度脉冲电镀电源，包括控制器、调压电路、正反向脉冲产生电路；所述控制器通过调控所述调压电路和正反向脉冲产生电路以产生稳定的脉冲电流。本发明提出的脉冲电镀电源输出的脉冲电流精度高且波形稳定，当达到峰值电流时，无明显的过冲、振铃，有效解决了现有脉冲电镀电源产生的脉冲电流精度不高、脉冲模式单一或脉冲电流波形不稳定的问题。

说明书

技术领域

本发明属于脉冲电镀电源技术领域，具体涉及一种可以产生任意模式的脉冲波形、且电流精度高、脉冲电流波形平滑稳定的小功率高精度脉冲电镀电源。

背景技术

目前，电镀金已广泛应用于印刷电路板、芯片封装、光电子器件，以及某些武器的关键零部件的表面防腐处理，要求镀金层质量高、表面缺陷少，尤其在某些精密物理实验中，更是要求零件的镀金层要具有极高的致密性、极低的孔隙率，和极小的晶粒尺寸，所以获得极高质量的镀金层显得至关重要。在现有的制备方法中，脉冲电镀，包括单向脉冲和周期换向脉冲电镀，是获得高质量镀金层常用的方法。研究发现在电镀金过程中，除了电镀液以外，脉冲电镀电源输出的电流波形参数对镀金层的质量影响较大，所以电镀电源输出电流波形的好坏直接决定镀金层质量。目前，现有的脉冲电镀电源多是面向于大功率、大电流电镀金应用，其电流精度不高，最低只能达到近百毫安；不能产生任意组合形式、任意脉冲电流幅值的脉冲波形；脉冲电流波形达到峰值时有比较明显的过冲、振铃等问题，难以满足零件精密电镀的要求。

发明内容

为了解决现有脉冲电镀电源产生的脉冲电流精度不高、脉冲模式单一或脉冲电流波形不稳定的问题，本发明提供了解决上述问题的一种小功率高精度脉冲电镀电源。

本发明通过下述技术方案实现：

一种小功率高精度脉冲电镀电源，包括控制器、调压电路、正反向脉冲产生电路；

所述控制器通过调控所述调压电路和正反向脉冲产生电路以产生稳定的脉冲电流。

优选的，本发明的调压电路采用直流电压输入，通过控制MOSFET的开/关来调节储能电容两端的电压，所述储能电容两端的电压是正反向脉冲产生电路的输入电压，从而通过调节所述储能电容两端的电压即可实现对正反向脉冲产生电路产生的脉冲电流进行控制。

优选的，本发明的调压电路包括直流电源、MOSFET Q1和储能电容C33；

其中，所述直流电源的输出端通过电阻R26与所述MOSFET Q1的漏极连接，所述MOSFET Q1的栅极接Drive_Q1驱动信号，所述MOSFET Q1的源极与所述储能电容C33的一端连接，所述储能电容C33的另一端接地；所述MOSFET Q1的源极与所述储能电容C33的公共连接端作为所述调压电路的输出端，输出电压信号作为所述正反向脉冲产生电路的输入电压。

优选的，本发明的正反向脉冲产生电路采用由4个MOSFET构成的桥式MOSFET控制电路，通过控制4个MOSFET的开/关，所述正反向脉冲产生电路能够产生正向单脉冲、正向群脉冲、反向单脉冲、反向群脉冲和正反向群脉冲。

优选的，本发明的正反向脉冲产生电路包括MOSFET Q2、MOSFET Q3、MOSFET Q4和MOSFET Q5；

其中，所述MOSFET Q2的漏极输入电压信号，所述MOSFET Q2的栅极接Drive_Q2驱动信号，所述MOSFET Q3的源极与所述MOSFET Q3的漏极和所述电镀工件的阳极连接，所述MOSFET Q3的栅极接Drive_Q3驱动信号，所述MOSFET Q3的源极接地；

所述MOSFET Q4的漏极输入电压信号，所述MOSFET Q4的栅极接Drive_Q4驱动信号，所述MOSFET Q4的源极与所述MOSFET Q5的漏极和所述电镀工件的阴极连接，所述MOSFET Q5的栅极接Drive_Q5驱动信号，所述MOSFET Q5的源极接地。

优选的，本发明的MOSFET Q2和MOSFET Q3之间、所述MOSFET Q4和MOSFET Q5之间均设置有保护器F1和电流传感器；所述电流传感器用于检测所述正反向脉冲产生电路产生的脉冲电流。

优选的，本发明还包括驱动电路，所述驱动电路在所述控制器的控制下产生驱动信号，控制所述调压电路和所述正反向脉冲产生电路的MOSFET的开/关。

优选的，本发明的驱动电路包括光耦隔离芯片和隔离式栅极驱动器；

所述控制器输出的驱动信号首先经过所述光耦合隔离芯片实现数模隔离，然后输入到所述隔离式栅极驱动器，所述隔离式栅极驱动器输出MOSFET栅极驱动电流信号，增强MOSFET的驱动能力，实现对MOSFET开/关的准确控制。

优选的，本发明还包括电流检测电路；

所述电流检测电路包括高速电压信号放大器AD8021和高精度模数转换芯片AD7985；

所述正反向脉冲产生电路产生的脉冲电流流过电流传感器，该电流传感器输出的电压信号经RC滤波之后输入到所述AD8021进行隔离放大之后，电压信号输入到所述AD7985进行模数转换，之后反馈输入到所述控制器。

优选的，本发明还包括MCU模块和人机交互模块；

所述人机交互模块通过所述MCU模块将设置的控制参数下发至所述控制器。

本发明具有如下的优点和有益效果：

1、本发明提出的脉冲电镀电源输出的脉冲电流波形稳定，当达到峰值电流时，无明显的过冲、振铃。

2、本发明提出的脉冲电镀电源可输出任意模式的脉冲，例如正向单脉冲、正向群脉冲、正反向群脉冲等，且脉冲幅值任意可调。

3、本发明提出的脉冲电镀电源输出的脉冲电流精度高，脉冲波形的最大峰值电流达到20A时仍能将电流精度控制在10mA以内，可有效满足多种精密镀件的高质量镀金防腐技术要求。

4、本发明提出的脉冲电镀电源应用范围广，除了应用于电镀电源技术领域，还可用于其他任何需要产生脉冲的电源或信号发生器等产品中。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的电镀电源原理框图。

图2为本发明的电压调节电路原理图。

图3为本发明的脉冲产生电路原理图。

图4为本发明的MOSFET驱动电路原理图。

图5为本发明的电流检测电路原理图。

具体实施方式

在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所发明的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本发明的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本发明的各种实施例中，表述“或”或“A或/和B中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“A或B”或“A或/和B中的至少一个”可包括A、可包括B或可包括A和B二者。

在本发明的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本发明的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本发明的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本发明的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

为了获得致密性好、厚度均匀、孔隙率低的高质量镀金层，本实施例提出了一种小功率高精度脉冲电镀电源。

具体如图1所示，本实施例提出的电镀电源主要包括人机交互模块、MCU模块(C8051F040)、控制器(FPGA,EP4CE75F23I7)、正反向调压电路和正反向脉冲产生电路。本实施例的控制器模块通过调控调压电路和脉冲产生电路以产生稳定的脉冲电流。

本实施例的调压电路采用直流电压输入，通过控制MOSFET的开/关来调节储能电容两端的电压，由于该储能电容两端的电压是正反向脉冲产生电路的输入电压，从而通过调节所述储能电容两端的电压即可实现对正反向脉冲产生电路产生的脉冲电流进行有效控制。

本实施例的脉冲电镀电源通过人机交互模块(本实施例的人机交互模块采用触摸屏)设定脉冲模式和脉冲参数，确认后参数将自动下发至MCU模块，MCU控制模块接收和解析这些参数后传递给控制器，控制器接收脉控制参数后，进行正反向电流、电压采集，正反向脉冲产生，正反向脉冲电流的恒流控制以实现多种模式脉冲波形的稳定输出。

本实施例的电镀电源具有多种脉冲输出模式，通过控制器控制桥式MOSFET电路的有序开关以产生多种模式的脉冲波形包括：直流、正向单脉冲、正向群脉冲、正反交替脉冲、组合脉冲、并且可实现正向脉冲和负向脉冲幅值任意可调。

本实施例采用的正反向调压电路原理类似，本实施例以正向电压调节为例(反向调压电路与正向调压电路原理和电路结构一样)，具体如图2所示，本实施例的调压电路包括直流电源DC、MOSFET Q1和储能电容C33；

其中，该直流电源DC的输出端通过电阻R26与MOSFET Q1的漏极连接，MOSFET Q1的栅极接Drive_Q1驱动信号，MOSFET Q1的源极与储能电容C33的一端连接，储能电容C33的另一端接地；MOSFET Q1的源极与储能电容C33的公共连接端作为调压电路的输出端，输出电压信号作为正反向脉冲产生电路的输入电压。

本实施例采用了非隔离式DC-DC转换技术，24V直流电源输入，通过动态占空比调节算法控制MOSFET Q1的开/关以调节储能电容C22两端的电压，由于该储能电容C22的电压是脉冲输出的输入电压，所以调节该电压即可实现对电路中电流的有效控制。

本实施例通过在直流电源DC和MOSFET Q1之间串联电阻R26增大储能电容充电时间以降低电压调节难度。

图2中的二极管D1和D3主要是隔离反向电流保护电源，D2主要是保护MOSFET Q1，R22主要是在泄放通道起限流作用，R23和R24是电压反馈，R25和C32起到滤波的作用。

本实施例在硬件上采用非隔离式DC-DC转换技术，且在输入端串联电阻，负载端并联低ESR电容(大容值电解电容和陶瓷电容)以增大储能电容充电时间；在软件上采取了自适应动态调节占空比算法，以及在不产生脉冲波形时进行恒压、恒流的控制策略，实现在不产生脉冲时进行电流、电压调控，消除因为电压调节带来的脉冲波动。

为了获得高质量的镀金层，需要能够在实际加工时产生不同形式的脉冲，本实施例的正反向脉冲产生电路采用能够产生正向单脉冲、正向群脉冲和正反向群脉冲的桥式MOSFET控制电路，具体如图3所示。

本实施例的脉冲产生电路包括MOSFET Q2、MOSFET Q3、MOSFET Q4和MOSFET Q5；

其中，MOSFET Q2的漏极输入电压信号，MOSFET Q2的栅极接Drive_Q2驱动信号，MOSFET Q3的源极与MOSFET Q3的漏极和电镀工件的阳极连接，MOSFET Q3的栅极接Drive_Q3驱动信号，MOSFET Q3的源极接地；

MOSFET Q4的漏极输入电压信号，MOSFET Q4的栅极接Drive_Q4驱动信号，MOSFETQ4的源极与MOSFET Q5的漏极和电镀工件的阴极连接，MOSFET Q5的栅极接Drive_Q5驱动信号，MOSFET Q5的源极接地。

本实施例的脉冲产生电路工作原理为：

电镀过程中，当需要产生正向单脉冲或群脉冲时，保持MOSFET Q5常开，同时通过周期性开关MOSFET Q2实现对输入信号的斩波，使得正向电流以脉冲的形式流过电镀工件，从而产生周期性正向脉冲；同理，当需要产生反向脉冲时，保持MOSFET Q3常开，通过周期性开关MOSFET Q4实现斩波，使得反向电流以脉冲的形式流过电镀工件，从而产生反向脉冲；当需要交替产生正反向群脉冲时，则保持Q3或Q5常开，然后有序地交替开关Q2和Q4即可实现正反向交替脉冲输出。

准确控制MOSFET的开关，是实现脉冲电流的恒定控制和产生脉冲的关键，因此本实施例采用了驱动电路来实现整个电源中的MOSFET驱动控制，整个脉冲电镀电源一共有6条MOSFET驱动电路，每一条驱动电路的驱动原理和选用的元器件均相同。以驱动MOSFET Q1为例，如图4所示的MOSFET Q1的驱动电路原理图。在本电路设计中，控制器(FPGA)输出的驱动信号首先经过光耦隔离芯片6N137实现模数隔离，然后输入隔离式栅极驱动器TC4421以有效提高栅极驱动电流，增强MOSFET的驱动能力，最终实现对MOFET开、关的准确控制。

为了实现对脉冲电镀电源系统电流、电压信号的快速、高精度采集，本实施例采用了电流检测电路实现将电源产生的脉冲电流等信号反馈给控制器，具体如图5所示，本实施例在电流检测电路中采用了高速电压信号放大器AD8021和高精度模数转换芯片AD7985。AD8021是一款高性能、高速电压反馈放大器，AD7985一款快速、低功耗、单电源、精密16位、最大吞吐速率2.5MSPS的逐次逼近型模数转换器。当系统产生脉冲时，会有脉冲电流流过感应式霍尔传感器，该传感器输出的电压信号经过RC滤波之后输入AD8021，隔离放大之后，电压信号输入到AD7985芯片进行模数转换，并最终反馈输入到控制器。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。