CN109673098A - 一种射频电源调整电路模块及其控制方法 - Google Patents

一种射频电源调整电路模块及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种射频电源调整电路模块及其控制方法。其中射频电源调整电路模块，包括控制单元以及与所述控制单元连接的n级调整单元；每级调整单元包括：射频驱动电路、射频耦合电路、第一双端转单端变压器监测电路和第二双端转单端变压器监测电路、以及模数转换器。本发明通过具有n级射频电源的仪器正常运行过程中，射频驱动电路能够实时识别射频电源的输出功率，通过检测射频电源的幅值差异以调整射频驱动电路输出信号实现实时调整输出电压，本发明可以进行自我智能调整，提高仪器的长期可靠性和稳定性。

Description

一种射频电源调整电路模块及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种利用射频(RF)波生成的等离子体的技术领域，特别是涉及一种射频电源调整电路模块及其控制方法。
背景技术
在进行等离子体质谱分析时，气体进入射频电感线圈，射频电压将气体电离，在射频电感线圈中间形成气体电离后的等离子体，理想的等离子体应该在线圈中间，而实际上等离子体并非在电感线圈中间，造成偏差的原因有很多，比如气体流速不稳定、连接器的接触电阻变化、结构件阻抗特性、耦合电容性能、驱动巴伦变压器的功率管差异等因素，而偏差导致的结果表现为气体电离效果变差，导致测量灵敏度降低。同时由于样品进样的差异性，会使离子化效率降低，导致输出功率发生变化，最坏的影响是导致等离子体熄火。
发明内容
本发明旨在克服现有不能实施调整射频电源的正电压幅值和负电压幅值的大小，提供了一种射频电源调整电路模块及其控制方法，通过具有n级射频电源的仪器正常运行过程中，射频驱动电路能够实时识别射频电源的输出功率，通过检测射频电源的幅值差异以调整射频驱动电路输出信号实现实时调整输出电压，本发明可以进行自我智能调整，提高仪器的长期可靠性和稳定性。
为此，本发明提供了一种射频电源调整电路模块，包括控制单元以及与所述控制单元连接的n级调整单元；每级调整单元包括：
射频驱动电路，实时识别n级射频电源的输出功率且与控制单元连接；
射频耦合电路，与所述射频驱动电路连接，所述射频耦合电路检测射频电源的输出电压不平衡且分别输出射频电源的正电压幅值和负电压幅值；
第一双端转单端变压器监测电路和第二双端转单端变压器监测电路，分别与所述射频耦合电路和模数转换器连接，所述第一双端转单端变压器监测电路和第二双端转单端变压器监测电路分别采集射频电源的正电压幅值和负电压幅值并把射频电源的正电压幅值和负电压幅值分别转成射频电源的正电压直流信号和负电压直流信号；
模数转换器，与控制单元连接，所述模数转换器把射频电源的正电压直流信号和负电压直流信号分别转化为射频电源的正电压数字信号和负电压数字信号；其中所述控制单元经差值算法使得射频电源的正电压数字信号和负电压数字信号的幅值差异是一个固定值或控制在一定范围内并把所述幅值差异输入所述射频驱动电路，所述射频驱动电路根据幅值差异实时对前一级的射频电源进行信号增益调整，其中n为≥1。
进一步地，所述射频耦合电路包括连接有负载的巴伦变压器、均与巴伦变压器连接的第一开关和第二开关、设置在巴伦变压器上的电感耦合线圈以及连接在巴伦变压器和电感耦合线圈之间的匹配电容；其中所述第一双端转单端变压器检测电路和第二双端转单端变压器检测电路分别与巴伦变压器的两端连接。
进一步地，所述第一开关和第二开关均为P型晶体管开关。
进一步地，所述巴伦变压器的两端分别与第一开关的漏极和第二开关的漏极连接，第一开关的栅极和第二开关的栅极均与射频驱动电路连接，第一开关的源极和第二开关的源极与一增益调节电路连接。
进一步地，所述第一双端转单端变压器监测电路包括与所述巴伦变压器一端连接的第一双端转单端变压器和与第一双端转单端变压器连接的第一射频电压幅度控制电路；所述第二双端转单端变压器监测电路包括与所述巴伦变压器另一端连接的第二双端转单端变压器和与第二双端转单端变压器连接的第二射频电压幅度控制电路。
进一步地，所述第一射频电压幅度控制电路包括与第一双端转单端变压器连接的第一匹配电路以及与第一匹配电路连接的第一整流电路；所述第二射频电压幅度控制电路包括与第二双端转单端变压器连接的第二匹配电路以及与第二匹配电路连接的第二整流电路，所述第一整流电路和第二整流电路均与所述模数转换器连接。
为此，本发明还提供了一种射频电源调整控制方法，包括如下步骤：
S1：负载与对应第m级的射频耦合电路连接；
S2：第m级的射频驱动电路实时识别第m级的射频电源的输出功率；
S3：根据射频驱动电路实时识别的射频电源的输出功率，第m级的射频耦合电路检测射频电源的输出电压不平衡且分别输出第m级的射频电源的正电压幅值和负电压幅值；
S4：第m级的第一双端转单端变压器监测电路和第二双端转单端变压器监测电路分别采集第m级的射频电源的正电压幅值和负电压幅值并把第m级的射频电源的正电压幅值和负电压幅值分别转成第m级的射频电源的正电压直流信号和负电压直流信号，第m级的第一双端转单端变压器监测电路和第二双端转单端变压器监测电路分别将第m级的射频电源的正电压直流信号和负电压直流信号输入第m级的模数转换器；
S5：第m级的模数转换器将第m级的射频电源的正电压直流信号和负电压直流信号分别转化为射频电源的正电压数字信号和负电压数字信号，第m级的模数转换器均将第m级的射频电源的正电压数字信号和负电压数字信号输入至控制单元；
S6：控制单元经差值算法使得第m级的射频电源的正电压数字信号和负电压数字信号的幅值差异是一个固定值或控制在一定范围内；
S7：控制单元输出所述幅值差异经第m-1级的射频驱动电路至第m-1级的射频耦合电路，第m-1级的射频耦合电路根据所述负幅值差异调整第m-1级的射频电源的信号增益并使得第m-1级的射频电源输出正电压幅值和负电压幅值的大小；
S8：第m+1级的射频驱动电路实时识别第m+1级的射频电源的输出功率并重复步骤S3至S8；其中m+1≤n，m-1≥1。
进一步地，步骤S3的具体方法为：第m级的射频耦合电路的匹配电容与负载匹配后检测射频电源的输出电压不平衡且分别输出射频电源的正电压幅值和负电压幅值。
进一步地，步骤S3的具体方法为：
S41：第m级的第一双端转单端变压器监测电路的第一双端转单端变压器采集第m级的射频电源的正电压幅值，第m级的第二双端转单端变压器监测电路的第二双端转单端变压器采集第m级的射频电源的负电压幅值；
S42：第m级的第一双端转单端变压器监测电路的第一匹配电路和第一双端转单端变压器监测电路的第一整流电路将第m级的射频电源的正电压幅值转成射频电源的正电压直流信号，第m级的第二双端转单端变压器监测电路的第二匹配电路和第二双端转单端变压器监测电路的第二整流电路将第m级的射频电源的负电压幅值转成射频电源的负电压直流信号。
进一步地，步骤S7的信号增益调整的具体方法是：控制增益调节电路输出幅值差异给第m-1级射频耦合电路的第一开关和第二开关，调整第一开关和第二开关的静态工作点和调整第m-1级射频电源的输出正电压幅值和负电压幅值的大小。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明一个实施例的射频电源调整电路模块的示意性框图。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的射频电源调整电路模块的示意性框图和示意性结构图。如图1所示，本发明实施例提供了一种射频电源调整电路模块，射频电源调整电路模块用于射频电源的输出幅值差异可调。具体地，该射频电源调整电路模块包括控制单元(MCU)1以及与控制单元(MCU)1连接的n 级调整单元。
每级调整单元包括与控制单元1连接的模数转换器(ADC， Analog-to-DigitalConverter，即24位ADC)3、与控制单元1连接且实时识别 n级射频电源的输出功率的射频驱动电路2、与射频驱动电路2连接的射频耦合电路4、以及与射频耦合电路4两端分别连接的第一双端转单端变压器监测电路和第二双端转单端变压器监测电路；其中负载(如线圈)100与射频耦合电路4连接，第一双端转单端变压器监测电路和第二双端转单端变压器监测电路均与模数转换器3连接。
其中，巴伦变压器为一种三端口器件，也是一种通过将匹配输入转换为差分输出而实现平衡传输线电路与不平衡传输线电路之间的连接的宽带射频传输线变压器。
在本发明的一些实施例中，射频耦合电路4包括巴伦变压器41、均与巴伦变压器41连接的第一开关42和第二开关43、设置在巴伦变压器41上的电感耦合线圈44以及连接在巴伦变压器31和电感耦合线圈44之间的匹配电容45。其中负载(如线圈)100连接在巴伦变压器31的后端，第一双端转单端变压器检测电路和第二双端转单端变压器检测电路分别与巴伦变压器41的两端连接，第一开关42和第二开关43均为P型晶体管开关。
在一些实施例中，巴伦变压器41的两端分别与第一开关42的漏极和第二开关43的漏极连接，第一开关42的栅极和第二开关43的栅极均与射频驱动电路2连接，第一开关42的源极和第二开关43的源极与一增益调节电路(图未示，增益调节电路与控制单元1连接)连接。当控制单元(MCU)1计算出射频电源的幅值差异是一个固定值或控制在一定范围内，通过控制增益调节电路输出相应值(即副值差异)给第一开关42和第二开关43，调整第一开关42和第二开关43的静态工作点，这可以调整前级射频电源的输出正电压幅值和负电压幅值VCC的大小。
当射频耦合电路4由射频驱动电路2驱动时，匹配电容45与负载100匹配后造成射频电源的输出电压不平衡且分别输入射频电源的正电压幅值和负电压幅值。
在本发明的一些实施例中，第一双端转单端变压器监测电路包括与巴伦变压器41一端连接的第一双端转单端变压器5和与第一双端转单端变压器5连接的第一射频电压幅度控制电路；第二双端转单端变压器监测电路包括与巴伦变压器41另一端连接的第二双端转单端变压器6和与第二双端转单端变压器6 连接的第二射频电压幅度控制电路。第一射频电压幅度控制电路和第二射频电压幅度控制电路均与模数转换器3，第一射频电压幅度控制电路和第二射频电压幅度控制电路分别用于调整第一双端转单端变压器5和第二双端转单端变压器6产生的射频放大增益，最终使射频电压正负幅值差值控制在一个固定值或一定范围内。
在一些实施例中，第一射频电压幅度控制电路包括与第一双端转单端变压器5连接的第一匹配电路51以及与第一匹配电路51连接的第一整流电路52；第二射频电压幅度控制电路包括与第二双端转单端变压器6连接的第二匹配电路61以及与第二匹配电路61连接的第二整流电路62，第一整流电路52和第二整流电路62均与模数转换器3连接。
在本发明的一些实施例中，射频电源调整电路模块还包括分别与第一双端转单端变压器监测电路和第二双端转单端变压器监测电路连接的第一滤波电路 (图未示)和第二滤波电路(图未示)、以及分别对第一双端转单端变压器监测电路和第二双端转单端变压器监测电路进行屏蔽的第一屏蔽罩(图未示)和第二屏蔽罩(图未示)，第一滤波电路和第二滤波电路可以去除RF射频干扰。
在本发明的一些实施例中，控制单元(MCU)1设有人机交互界面(图未示)，射频电源调整电路模块的调整结构在人机交互界面上显示，即上述一个固定值或一定范围内显示在人机交互界面上。
本发明射频电源调整电路模块的关键是如何正确采集作为射频电源的电压幅值VCC并把电压幅值进行放大，射频耦合电路4的后端直接连接负载100，由于驱动和耦合原因，会造成输出电压不平衡，通过第一双端转单端变压器监测电路和第二双端转单端变压器监测电路把射频电源的非平衡两端的电压幅值采集出来，即第一双端转单端变压器监测电路采集射频电源的正电压幅值，第二双端转单端变压器监测电路采集射频电源的负电压幅值(或第一双端转单端变压器监测电路采集射频电源的负电压幅值，第二双端转单端变压器监测电路采集射频电源的正电压幅值)，通过对应的匹配电路和对应的整流电路转成直流信号，这两个直流信号通过模数转换器3转化为数字信号，控制单元(MCU) 1通过智能差值算法计算，此算法的实质是改变驱动信号的增益使两路射频电源的幅值差异是一个固定值或控制在一定范围内，控制单元(MCU)1把幅值差异输入至射频驱动电路2，射频驱动电路2根据幅值差异实时对前一级的射频电源进行信号增益调整，即控制增益调节电路输出相应值(即幅值差异)给前级射频耦合电路4的第一开关42和第二开关43，调整第一开关42和第二开关43的静态工作点，这可以调整前级射频电源的输出正电压幅值和负电压幅值的大小，以实现自我智能调整和提高使用射频电源的仪器的长期可靠性和稳定性。
本发明另一个实施例的射频电源调整控制方法，包括如下步骤：
S1：负载与对应第m级的射频耦合电路4连接；
S2：第m级的射频驱动电路2实时识别第m级的射频电源的输出功率；
S3：根据射频驱动电路2实时识别的射频电源的输出功率，第m级的射频耦合电路4检测射频电源的输出电压不平衡且分别输出第m级的射频电源的正电压幅值和负电压幅值；
S4：第m级的第一双端转单端变压器监测电路和第二双端转单端变压器监测电路分别采集第m级的射频电源的正电压幅值和负电压幅值并把第m级的射频电源的正电压幅值和负电压幅值分别转成第m级的射频电源的正电压直流信号和负电压直流信号，第m级的第一双端转单端变压器监测电路和第二双端转单端变压器监测电路分别将第m级的射频电源的正电压直流信号和负电压直流信号输入第m级的模数转换器3；
S5：第m级的模数转换器3将第m级的射频电源的正电压直流信号和负电压直流信号分别转化为射频电源的正电压数字信号和负电压数字信号，第m 级的模数转换器3均将第m级的射频电源的正电压数字信号和负电压数字信号输入至控制单元1；
S6：控制单元1经差值算法使得第m级的射频电源的正电压数字信号和负电压数字信号的幅值差异是一个固定值或控制在一定范围内；
S7：控制单元1输出所述幅值差异经第m-1级的射频驱动电路2至第m-1 级的射频耦合电路4，第m-1级的射频耦合电路4根据所述负幅值差异调整第 m-1级的射频电源的信号增益并使得第m-1级的射频电源输出正电压幅值和负电压幅值的大小；
S8：第m+1级的射频驱动电路2实时识别第m+1级的射频电源的输出功率并重复步骤S3至S8。
其中m+1≤n，m-1≥1。
其中，步骤S3的具体方法为：第m级的射频耦合电路4的匹配电容45与负载100匹配后检测射频电源的输出电压不平衡且分别输出射频电源的正电压幅值和负电压幅值。
其中，步骤S4的具体步骤为：
S41：第m级的第一双端转单端变压器监测电路的第一双端转单端变压器 5采集第m级的射频电源的正电压幅值，第m级的第二双端转单端变压器监测电路的第二双端转单端变压器6采集第m级的射频电源的负电压幅值；
S42：第m级的第一双端转单端变压器监测电路的第一匹配电路51和第一双端转单端变压器监测电路的第一整流电路52将第m级的射频电源的正电压幅值转成射频电源的正电压直流信号，第m级的第二双端转单端变压器监测电路的第二匹配电路61和第二双端转单端变压器监测电路的第二整流电路62将第m级的射频电源的负电压幅值转成射频电源的负电压直流信号。
步骤S7的信号增益调整的具体方法是：控制增益调节电路输出相应值(即幅值差异)给第m-1级射频耦合电路4的第一开关42和第二开关43，调整第一开关42和第二开关43的静态工作点和调整第m-1级射频电源的输出正电压幅值和负电压幅值的大小。
本发明用于具有n级射频电源的仪器正常运行过程中，射频驱动电路2能够实时识别射频电源的输出功率，通过检测射频电源的幅值差异以调整射频驱动电路输出信号实现实时调整输出电压，本发明可以进行自我智能调整，提高仪器的长期可靠性和稳定性。
本发明幅值检测方法精度高、安装简便、抗干扰能力强，响应速度快，提高系统的实时状态；本发明的控制方法提高离子化的稳定性、提高离子聚焦效果和提高离子传输效率；简化装配和连接要求，迅速定位射频电压故障问题；本发明能够检测幅值差值精度在1V以内，设计巧妙，简单直观，测量准确；本发明解决了由于器件的参数差异引起的性能问题且具有抗干扰性能。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种射频电源调整电路模块，其特征在于：包括控制单元以及与所述控制单元连接的n级调整单元；每级调整单元包括：
射频驱动电路，实时识别n级射频电源的输出功率且与控制单元连接；
射频耦合电路，与所述射频驱动电路连接，所述射频耦合电路检测射频电源的输出电压不平衡且分别输出射频电源的正电压幅值和负电压幅值；
第一双端转单端变压器监测电路和第二双端转单端变压器监测电路，分别与所述射频耦合电路和模数转换器连接，所述第一双端转单端变压器监测电路和第二双端转单端变压器监测电路分别采集射频电源的正电压幅值和负电压幅值并把射频电源的正电压幅值和负电压幅值分别转成射频电源的正电压直流信号和负电压直流信号；
模数转换器，与控制单元连接，所述模数转换器把射频电源的正电压直流信号和负电压直流信号分别转化为射频电源的正电压数字信号和负电压数字信号；其中所述控制单元经差值算法使得射频电源的正电压数字信号和负电压数字信号的幅值差异是一个固定值或控制在一定范围内并把所述幅值差异输入所述射频驱动电路，所述射频驱动电路根据幅值差异实时对前一级的射频电源进行信号增益调整，其中n为≥1。
2.根据权利要求1所述的射频电源调整电路模块，其特征在于，
所述射频耦合电路包括连接有负载的巴伦变压器、均与巴伦变压器连接的第一开关和第二开关、设置在巴伦变压器上的电感耦合线圈以及连接在巴伦变压器和电感耦合线圈之间的匹配电容；其中所述第一双端转单端变压器检测电路和第二双端转单端变压器检测电路分别与巴伦变压器的两端连接。
3.根据权利要求2所述的射频电源调整电路模块，其特征在于，
所述第一开关和第二开关均为P型晶体管开关。
4.根据权利要求3所述的射频电源调整电路模块，其特征在于，
所述巴伦变压器的两端分别与第一开关的漏极和第二开关的漏极连接，第一开关的栅极和第二开关的栅极均与射频驱动电路连接，第一开关的源极和第二开关的源极与一增益调节电路连接。
5.根据权利要求2所述的射频电源调整电路模块，其特征在于，
所述第一双端转单端变压器监测电路包括与所述巴伦变压器一端连接的第一双端转单端变压器和与第一双端转单端变压器连接的第一射频电压幅度控制电路；所述第二双端转单端变压器监测电路包括与所述巴伦变压器另一端连接的第二双端转单端变压器和与第二双端转单端变压器连接的第二射频电压幅度控制电路。
6.根据权利要求5所述的射频电源调整电路模块，其特征在于，
所述第一射频电压幅度控制电路包括与第一双端转单端变压器连接的第一匹配电路以及与第一匹配电路连接的第一整流电路；所述第二射频电压幅度控制电路包括与第二双端转单端变压器连接的第二匹配电路以及与第二匹配电路连接的第二整流电路，所述第一整流电路和第二整流电路均与所述模数转换器连接。
7.一种射频电源调整控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：负载与对应第m级的射频耦合电路连接；
S2：第m级的射频驱动电路实时识别第m级的射频电源的输出功率；
S3：根据射频驱动电路实时识别的射频电源的输出功率，第m级的射频耦合电路检测射频电源的输出电压不平衡且分别输出第m级的射频电源的正电压幅值和负电压幅值；
S4：第m级的第一双端转单端变压器监测电路和第二双端转单端变压器监测电路分别采集第m级的射频电源的正电压幅值和负电压幅值并把第m级的射频电源的正电压幅值和负电压幅值分别转成第m级的射频电源的正电压直流信号和负电压直流信号，第m级的第一双端转单端变压器监测电路和第二双端转单端变压器监测电路分别将第m级的射频电源的正电压直流信号和负电压直流信号输入第m级的模数转换器；
S5：第m级的模数转换器将第m级的射频电源的正电压直流信号和负电压直流信号分别转化为射频电源的正电压数字信号和负电压数字信号，第m级的模数转换器均将第m级的射频电源的正电压数字信号和负电压数字信号输入至控制单元；
S6：控制单元经差值算法使得第m级的射频电源的正电压数字信号和负电压数字信号的幅值差异是一个固定值或控制在一定范围内；
S7：控制单元输出所述幅值差异经第m-1级的射频驱动电路至第m-1级的射频耦合电路，第m-1级的射频耦合电路根据所述负幅值差异调整第m-1级的射频电源的信号增益并使得第m-1级的射频电源输出正电压幅值和负电压幅值的大小；
S8：第m+1级的射频驱动电路实时识别第m+1级的射频电源的输出功率并重复步骤S3至S8；其中m+1≤n，m-1≥1。
8.根据权利要求7所述的射频电源调整控制方法，其特征在于，
步骤S3的具体方法为：第m级的射频耦合电路的匹配电容与负载匹配后检测射频电源的输出电压不平衡且分别输出射频电源的正电压幅值和负电压幅值。
9.根据权利要求7所述的射频电源调整控制方法，其特征在于，
步骤S3的具体方法为：
S41：第m级的第一双端转单端变压器监测电路的第一双端转单端变压器采集第m级的射频电源的正电压幅值，第m级的第二双端转单端变压器监测电路的第二双端转单端变压器采集第m级的射频电源的负电压幅值；
S42：第m级的第一双端转单端变压器监测电路的第一匹配电路和第一双端转单端变压器监测电路的第一整流电路将第m级的射频电源的正电压幅值转成射频电源的正电压直流信号，第m级的第二双端转单端变压器监测电路的第二匹配电路和第二双端转单端变压器监测电路的第二整流电路将第m级的射频电源的负电压幅值转成射频电源的负电压直流信号。
10.根据权利要求7所述的射频电源调整控制方法，其特征在于，
步骤S7的信号增益调整的具体方法是：控制增益调节电路输出幅值差异给第m-1级射频耦合电路的第一开关和第二开关，调整第一开关和第二开关的静态工作点和调整第m-1级射频电源的输出正电压幅值和负电压幅值的大小。
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