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基于CPLD的电镀脉冲开关电源
摘要：本文提出了一种利用CPLD为全桥逆变器和斩波器电路产生PWM触发脉冲的方法。该方法产生了一种非常好的高功率和低电压大电流脉冲电镀电源。单片机是反馈控制系统的核心。采用了SCM和CPLD复合模糊PID算法精确来控制输出电压并使其保持恒定值。该系统包含一个保护电路，其可以检测输出电流和输出电压，并在系统进入过流异常状态时对系统进行校正以确保驱动电路可有效驱动IGBT。该电路还通过设置数字PWM芯片的变频器频率和死区时间来保护电路。通过Matlab软件模拟，验证了双向脉冲电源数字控制方法的准确性和可行性。
关键词：PWM；双向脉冲电源；复杂的可编程逻辑器件（CPLD）；硬件描述语言（VHDL）
1.简介
传统的直流电镀是在连续沉淀的金属离子电镀液中利用阴极周围的直流电作用破坏电镀液中溶液浓度的均匀性，使其产生一定的浓度差。该方法导致了镀氢量增加，也导致了电镀层、针孔、坑、粗糙度等质量差和起泡问题。采用双向脉冲电镀方式的“定时模式反向电流脉冲”可以解决直流电镀所引起的问题。事实上，脉冲电镀可以被看作是开关式直流电镀。通过施加反相脉冲峰值电流（正值的2-3倍），正向脉冲可以等效于直流电镀工艺。金属离子的瞬态电流处于高过电压还原状态。在负电流关断之后，靠近阴极金属浓度的溶液返回到初始状态并消除了浓差极化。这极大地优化了脉冲电镀过程的下一个正循环。脉冲反转可以同时产生沉积层的有利再结晶和吸附现象。实践证明，双向脉冲电镀可以改善晶体层，提高涂层质量，并节省贵金属。与传统的直流电镀相比，这些都是无可比拟的优势。在脉冲电镀时，由于有关断时间的存在，被消耗的金属离子利用这段时间扩散、补充到阴极附近，当下一个导通时间到来时，阴极附近的金属离子浓度得以恢复．故可以使用较高的电流密度。因此，脉冲电镀时的传质过程与直流电镀时的传质过程的差异，造成了峰值电流可以高于平均电流，促使晶种形成的速度远远高于晶体长大的速度，使镀层结晶细化，排列紧密。孔隙减小，电阻率低。脉冲电镀是使电镀回路周期性地接通和断开，或者在固定直流上再叠加某一波形脉冲的电镀方法。与普通电镀相比，这种方法具有镀层平整致密、附着性好，电流效率高、环保性能好等优点，在一般的研究和应用中，脉冲电镀所使用的脉冲方式可分为单向脉冲和双向脉冲两种。使用的脉冲波主要是矩形波和正弦波。本文介绍了一种CPLD控制电镀脉冲开关电源。
20世纪70年代，最早的可编程逻辑器件--PLD诞生了。其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因为它的硬件结构设计可由软件完成（相当于房子盖好后人工设计局部室内结构），因而它的设计比纯硬件的数字电路具有很强的灵活性，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。为弥补PLD只能设计小规模电路这一缺陷，20世纪80年代中期，推出了复杂可编程逻辑器件--CPLD。目前应用已深入网络、仪器仪表、汽车电子、数控机床、航天测控设备等方面。它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。
2.实验
2.1整体系统设计
本文提出的双向脉冲电源主要由逆变器主电路、控制电路、驱动电路和保护电路组成。整体结构如图1所示。主电路负责电源转换。控制电路负责电源恒压控制和IGBT开关控制。驱动电路负责驱动IGBT。保护电路用于控制电流过大、过电压保护的主电路。
主电路由全桥逆变器和IGBT全桥逆变器电路组成，整流逆变器采用IGBT，50 Hz，整流后的380 V交流电，电容电阻滤波器（约520 V直流电）。逆变器产生一个高频交流电（20KHZ），通过隔直流电容和变压器，被转换成低压和高电流AC，后通过全波整流桥进入低压直流电源，电抗器和电容滤波器。最后，它通过H桥斩波器，形成压力和负脉冲。
除主电路外，其余部分可称为双向脉冲电源控制系统和辅助电源控制系统。它由主控制系统，保护电路，电压采样电路，驱动电路等组成。该电路的执行过程如下：（1）主电路正常工作，（2）主控制系统使用采样电路来获得特定的信号，（3）系统在主控制系统和与数字PWM之间进行比较操作，（4）驱动电路发出控制信号，使主电路和H桥快速导通，（5）输出端获得正负脉冲电压要求。
图1. 脉冲电源系统的整体结构图
2.2双向脉冲电源的主电路
双脉冲电源是高频开关电源技术的又一突破性产品，是最新一代的电镀电源产品，是高频开关电源技术的进一步发展与创新。可用于电镀生产或者实验测试等全名为平波/双向脉冲波可调开关电源。是脉冲电源中的一个分支，另外一个是单脉冲电源，两者往往在一个电源上可实现互相转化。也就是说脉冲电源一般即可输出双脉冲又可输出单脉冲。
双脉冲电源是最新一代电镀电源产品，又名平波/双向脉波可调开关电源；它通过将工频交流电整流为直流高压双脉冲电源，通过高频电压变换及高频整流产生低压大电流电源，再通过LC滤波成纯直流电源，然后送到一个不对称的全桥变换电路（又称斩波电路），产生一个人为的平波（即纯直流）或双向脉冲方波输出。由于采用了先进的工作原理，使用双核微电脑控制，大屏幕LCD显示，所以，深圳实诚GKP双脉冲电源具有外形美观，显示直观，控制速度快，节能、轻便、输出波形可调波形的占空比可调，容易操作等一系列普通电源不具备的优点。宁波跃阳系列双脉冲开关电源采用MOTOROLA、IR、FAIRCHILD等公司的半导体元件制造，工作可靠、功能完善，用途广泛,特别适用于贵金属电镀、PCB电路板电镀、半导体电镀等领域；镀金、镀银等贵重金属的精密电镀
为实现新型高功率、低电压、高电流、高频、双向脉冲电源电路，我们选择了全桥PWM转换器。其适用于需要低电压输出（5-20伏）、高功率以及更大范围的电源电压和负载电流的应用场合。使用PWM全桥转换器不需要额外的辅助设备。因其结构简单而得到普遍适用（见图2）。
利用滤波电路和整流电路，380伏交流电成为稳定的直流电源。然后，变压器降压和IGBT斩波电路将直流转换为交流电，AC电流由降压变压器获得并通过二极管来满足可调节直流电源的LC滤波电镀需求。为了获得双向脉冲，添加了一个H桥斩波电路。
用于电压型逆变器电路的全桥逆变器电路由两个桥臂组成。每个桥臂由两个可控器件和两个反并联二极管组成。如果直流端与足够大的电容相连，输出电压是两个桥臂的中点。PWM信号的设计使脉冲信号中180°的两个相位差在一个周期内产生V1和V4，然后导通和关断正向电压。全桥电路的上端称为正向全桥。全桥电路的下端称为反向全桥，在一个周期内产生V2和V3，然后导通和关断输出电压。当负载敏感时，矩形波的输出电压（即直流侧电压的振幅）和输出电流随负载而变化。前一段时间为导通状态的V1，V4，此时变为关断信号， 尽管V2，V3，V1，V4导通信号关断，但不能立即改变电流D8，D9为持续导通电流，电流为直流侧电容器充电，直到电流为零时，V2，V3打开。反向全桥和正向全桥类似。但在正负脉冲输出状态下，应在死区之间设置脉冲输出，防止正负输出通过全桥导通至全桥。在死区时间内，开关管以反平行二极管的连续流结束。正向前桥已经停止工作，负向全桥还没有开始工作时间。电流通过二极管8和9进行连续流动，并通过直流侧电容中暂储的能量反馈，即有缓冲作用。
图2. 脉冲电源的主电路结构图
输出电压方波通过变压器来改变幅度以满足振幅要求。然后，将信号通过全波整流器，将输出电压转换为直流振幅，最后通过H桥斩波器电路，以满足正负脉冲功率要求。
H桥斩波电路工作原理与逆变桥相似。H桥斩波电路以四种模式输出：直流、单脉冲、脉冲和反向直流。脉冲幅度、频率和负载比（在一定范围内）是连续可调的。它有两个桥臂；每个桥臂由两个可控器件和两个反并联二极管组成。在正向电压的导通和关断的同时，我们控制1， 4，在输出电压的导通和关断的同时，我们控制2，3。
2.3控制电路
目前，逆变电源常采用TL494和SG3525等特殊芯片。PWM波形由反馈信号产生，调整PWM波形宽度以获得稳定的输出。在设计完成后，控制电路是一个相对独立的系统。控制模式不能改变，整体功能是系统协调。
采用单片机和CPLD进行编程来实现PWM波形只需要一个芯片来完成任务，这是由于使用了带有PWM信号输出的VHDL编程，改变CPLD外部晶体振荡器频率提高了可调精度的负载比。死区时间的电源开关管也可以方便地进行高精度的调节和控制。
系统设计如图3所示。请注意，数字PWM芯片，其外部引脚，oc用于过电流保护控制和uv用于低电压保护控制。pwm_en标签表示PWM脉冲输出启用控制终端。该图还显示了保护信号输入端、数字PWM控制芯片和一些控制信号。图3的左边有各种保护信号和控制信号输入控制。右边是信号输出控制终端。CLK引脚是由时钟信号输入控制的，它是数字PWM芯片计数控制基线的节奏，也是整个系统的基础。它具有稳定的输出，且准确性高。ce标记芯片的选择终端。wr标记了写入信号控制端。宽度[0hellip;9]和wid [0hellip;9]通过连接到控制处理器芯片的数据总线来设置数据输入端的脉冲宽度，并由单脉冲宽度值给出。这些控制信号确定了数字PWM芯片的频闪和写入脉冲宽度数据。pwm1、pwm2、pwm3和pwm4都与PWM脉冲输出有关。其用于输出相位差为180度的驱动脉冲信号的两条路径。syn_out是输出信号协调控制端，它通过连接到微控制器来控制整个系统。
图3. 数字PWM芯片控制信号分布图
一般来说，高频IGBT逆变器主电路工作频率为20 kHz，因此工作周期为50mu;s。在全桥逆变电路中，两个输出驱动脉冲必须确保有足够的死区时间。在死区时间内，两桥臂四开关装置不导通。只有二极管是续流的，以确保电源设备不被烧毁时，电路才会安全运行。这是由于反并联二极管的电源开关设备切换端，导致反向恢复时间。对于IGBT的主电路，考虑到这些死去时间的要求，双PWM脉冲的负载比率不超过80%。单PWM脉冲负载比率不应超过40%（即这两种IGBT的每一个桥臂的最大传导时间是50 times; 0.4 = 20 micro;s，并且每个死区时间在50times;0.1 = 5mu;s之间产生PWM脉冲）。如果将CPLD / FPGA外部晶体振荡器设置为50 MHz（即时钟周期为0.02mu;s），并且20 kHz IGBT全桥逆变器工作周期为50mu;s，则每个臂执行一次总共2500个时钟周期双脉冲宽度周期改变两次。因此，对于每一个时钟周期，双脉冲宽度在2个时钟周期内变化，并且变化率的负载比为2/2500 = 0.08％。通过改变外部晶体的尺寸可以实现精度的负载比。最后，根据上述分析，使用50 MHz的晶体和全桥转换器的20 kHz频率，系统总共有2500个时钟周期，并且单个PWM最大输出占空比为40％的IGBT死区时间要求， 占1000个时钟周期。因此，可以在0-1000范围内调整实际系统的脉冲数范围。输入脉冲宽度的位数是10（210 = 1024gt; 1000）。
由H桥斩波器电路构成的MOSFET管电源中使用的双向开关的设计也需要180°输出脉冲的两个相位差。由于IGBT全桥脉冲只驱动不同的频率，因此只需要循环寄存器的初始值设置，另一部分可以参考IGBT全桥脉冲驱动。图4显示了4个脉冲（PWM1、PWM2、PWM3和PWM4）模拟波形的结果。
图4. 四通道数字PWM的生成
总体而言，SYN1OUT产生的PWM脉冲波为#39;1#39;，#39;0#39;。在输出脉冲计数的下降边缘跳变时，PWM1从#39;1#39;变为#39;0#39;。PWM波发生在“1”到“0”的跳跃。脉宽调制是#39; 1 #39;。时间轴是脉冲计数寄存器计数时间。PWM2，PWM3和PWM4类似。从图中可以看出，在产生180°PWM触发脉冲的两个相位差时，脉冲宽度由单片机计算反馈电压与给定值和脉冲宽度值组成。当单片计算机CPLD值由于宽度[9..0]的输入值变化而变化时，PWM值循环的输出也随之改变，但周期是相同的。因此，负载比是由宽度[9..0]输入脉冲计数寄存器计数值决定的。
3.结果与讨论
3.1主电路模拟模型
利用脉宽调制（PWM）控制核心，我们使用了IGBT全桥拓扑结构。图5显示了电路图主电路的MATLAB模拟结果。脉冲电源主电路具有IGBT电源开关全桥拓扑结构。逆变器频率是20 kHz。
图5.主电路模拟图
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