CN112187032B - 电源供应装置及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种电源供应装置，包含电感器、开关、供应电源以及缓冲电路。开关的第一端点耦接于电感器的第一端点。供应电源的第一端点与开关的第二端点耦接。缓冲电路的第一端点与开关的第一端点耦接于第一电压输出端点，缓冲电路的第二端点与供应电源的第二端点电性耦接于第二电压输出端点，其中电感器、开关、供应电源和缓冲电路用以协同操作而于第一电压输出端点与第二电压输出端点产生输出电压。

Description

电源供应装置及其操作方法
技术领域
本公开关于一种电源供应装置，特别涉及一种具有抑制突波产生的可调电压电源供应装置。
背景技术
在目前半导体制程领域的等离子体系统中(如溅镀、蚀刻等)，现行技术使用负压电源及与其电压等比例、相依式的正压电源搭配作脉冲电源输出，以周期性抑制于靶材表面产生的电弧。然而，对于需调整正压电源的电压电平以符合不同制程与溅镀材料的应用，现有固定电压比例、脉冲频率输出的正压无法有效率抑制电弧的产生，造成溅镀速率慢及薄膜品质不佳等问题。此外，在利用脉冲信号切换开关时，需要有合适的缓冲电路吸收切换时产生的突波能量。
发明内容
本公开的一实施例涉及一种电源供应装置，包含一电感器、一开关、一供应电源以及一缓冲电路。该开关的一第一端点耦接于该电感器的一第一端点。该供应电源的一第一端点与该开关的一第二端点耦接。该缓冲电路的一第一端点与该开关的该第一端点耦接于一第一电压输出端点，该缓冲电路的一第二端点与该供应电源的一第二端点电性耦接于一第二电压输出端点，其中该电感器、该开关、该供应电源和该缓冲电路用以协同操作而于该第一电压输出端点与该第二电压输出端点产生一输出电压。
本公开的另一实施例涉及电源供应装置，包含一开关、一第一电感器、一供应电源、一储能元件、一第一突波抑制器以及一第二突波抑制器。该第一电感器与该开关耦接，用以接收来自一电压信号转换器的输出电压并产生一储能电压。该供应电源与该开关耦接，用以提供一供应电压。该储能元件与该开关耦接于一第一电压输出端点。该第一突波抑制器与该储能元件耦接于一节点。该第二突波抑制器的一第一端点与该储能元件耦接于该节点，该第二突波抑制器的一第二端点与该供应电源电性耦接于一第二电压输出端点，其中当该开关切换至导通时，该供应电源、该储能元件、该开关与该第一突波抑制器形成一第一回路，以吸收该开关于切换时产生的一反向突波，且该供应电源更用以于该第一电压输出端点与该第二电压输出端点输出该供应电压；当该开关切换至关断时，该储能元件与该第二突波抑制器形成一第二回路以吸收该开关于切换时产生的一正向突波，且该第一电感器更用以于该第一电压输出端点与该第二电压输出端点输出该储能电压。
本公开的另一实施例涉及一种电源装置控制方法，包含以下步骤：通过一电感器吸收一电压信号转换器的输出电压以输出一第一电压信号、控制一开关的一导通状态以选择性输出该第一电压信号作为一输出电压，或自一可调电源供应器输出与该第一电压信号极性相反的一第二电压信号作为该输出电压，其中当该开关关断时，一储能元件与一第一突波抑制器用以形成一第一回路以抑制输出该第一电压信号时所产生的一反向突波，以及当该开关导通时，该储能元件、该开关与一第二突波抑制器用以形成一第二回路以抑制输出该第二电压信号时所产生的一正向突波。
附图说明
为让本公开的上述和其他目的、特征、优点与实施例能更明显易懂，附图的说明如下：
图1是为依据本公开一实施例所示出的一种电源供应装置的示意图；
图2是为依据本公开一实施例所示出的控制信号与输出电压的示意图；
图3是为依据本公开一实施例所示出的一种电源供应装置运行时的示意图；
图4是为依据本公开另一实施例所示出的一种电源供应装置的示意图；
图5是为依据本公开一实施例所示出的一种电源供应装置的示意图；以及
图6是为依据本公开一实施例所示出的一种电源供应装置运行时的示意图。
其中，附图标记说明如下：
100、500：电源供应装置
110：电压信号转换器
120、160：电感器
130：控制信号产生电路
140：开关
150：供应电源
170：缓冲电路
VO：输出电压
n1、n2：电压输出端点
DC1、DC2：转换器输出端点
PS：控制信号
t1、t2：时间间隔
171：储能元件
172：第一突波抑制器
173：第二突波抑制器
174：释能元件
Cs：电容器
Dr：二极管
Rd：电阻器
Df1～Df4：二极管
60：第一回路
61：第二回路
62：释能回路
具体实施方式
以下将以附图及详细说明阐述本公开的精神，任何所属技术领域中技术人员在了解本公开的优选实施例后，当可由本公开所教示的技术，加以改变及修饰，其并不脱离本公开的精神与范围。
应当理解，在本文的描述和其后的所有权利要求中，当一个元件被称为被“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以被直接连接或耦合到另一个元件，或者可能存在插入元件。相比之下，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，则不存在插入元件。此外，“电连接”或“连接”还可以指两个或多个元件之间的相互操作或相互作用。
应当理解，在本文的描述和其后的所有权利要求中，虽然“第一”、“第二”...等词汇可以使用来描述不同元件，但是这些元件不应该被这些术语所限制。这些词汇只限于用来区分单一元件与另一个元件。例如，一第一元件也可被称为一第二元件，类似地，一第二元件也可被称为一第一元件，而不脱离实施例的范围。
应当理解，在本文的描述和其后的所有权利要求中，在本文中所使用的用词“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指“包含但不限于”。
应当理解，在本文的描述和其后的所有权利要求中，所使用的“及/或”包含相关列举项目中一或多个项目的任意一个以及其所有组合。
应当理解，在本文的描述和其后的所有权利要求中，除非另有定义，使用的所有术语(包括技术和科学术语)与本公开所属领域技术人员所理解的具有相同含义。进一步可以明了，除非这里明确地说明，这些术语，例如在常用字典中所定义的术语，应该被解释为具有与其在相关领域背景下的含义相一致的含义，而不应被理想化地或过于正式地解释。
权利要求中的任一元件如果没有明确说明“装置用于”实施一特定功能，或是“步骤用于”实施一特定功能，不应当被解释为手段功能用语。
请参照图1。图1是为依据本公开一实施例所示出的一种电源供应装置100的示意图。如图1所示，电源供应装置100包含电压信号转换器110、电感器120、控制信号产生电路130、开关140、供应电源150、电感器160以及缓冲电路170。在连接关系上，电压信号转换器110具有转换器输出端点DC1、DC2。电感器120的第一端点耦接转换器输出端点DC1，电感器120的第二端点与开关140的第一端点、缓冲电路170的第一端点在电压输出端点n1耦接，开关140的第二端点与供应电源150的第一端点耦接，开关140的控制端点与控制信号产生器130耦接，供应电源150的第二端点与电感器160的第一端点、转换器输出端点DC2耦接，电感器160的第二端点与缓冲电路170的第二端点在电压输出端点n2耦接；而在一些实施例中，电源供应装置100可不需具备电感器160，在这种配置下，供应电源150的第二端点可直接与缓冲电路170的第二端点在电压输出端点n2耦接。电压信号转换器110可以是直流转直流转换器(DC-to-DC converter)、交流转直流转换器(AC-to-AC converter)或是任何可用以实现将输入电压转换为不同电压的另一直流电源的装置，开关140可以是晶体管或任何可使开关的第一端点与第二端点导通或断开的元件实现，以及供应电源150可为输出电压电平可调整的任何直流电源供应器。其中，供应电源150输出至电压输出端点n1、n2的电压极性与电压信号转换器110输出至电压输出端点n1、n2的电压极性为相反。
在运行上，于一些实施例中，电感器120、开关140、供应电源150和缓冲电路170用以协同操作而于电压输出端点n1与电压输出端点n2产生一输出电压VO。举例而言，电感器120用以接收来自电压信号转换器110的输出电压并产生一储能电压，供应电源150用以供应与储能电压极性相反的一供应电压，控制信号产生电路130用以产生一控制信号PS至开关140，使得开关140响应于控制信号PS切换导通状态以选择性于电压输出端点n1与电压输出端点n2产生储能电压或供应电压中的一者为输出电压VO，在一些实施例中，控制信号PS可以是脉冲宽度调制信号(Pulse Width Modulation,PWM)，控制信号产生电路130可通过调整控制信号PS的频率、工作周期(duty cycle)而调整输出电压VO的频率、工作周期等。由于储能电压与供应电压的极性相反，当开关140切换以由输出负电压转成正电压或由输出正电压转成负电压时，缓冲电路170用以吸收开关140切换时所产生的电压突波。
请一并参照图2及图3。图2是为依据本公开一实施例所示出的控制信号PS与输出电压VO的示意图。图3是为依据本公开一实施例所示出的一种电源供应装置100运行时的示意图。为便于理解，在图3中与图1中相同的元件将用相同的参考符号标记。除非有需要说明与图3中所示的元件的协作关系，否则为了简洁起见，在此省略在上面的段落中已经详细讨论的类似元件的具体操作。此外，于图3中为方便说明起见，未绘出电压信号转换器110及控制信号产生电路130，其连接关系如图1中的实施例所示。
如图2，以电压信号转换器110提供给输出电压VO为负电压，且供应电源150提供给输出电压VO为正电压为例，配合图3的(a)部分所示的实施例，在时间间隔t1时，控制信号PS具有一低电平而使开关140相应关断，如此电感器120输出具负电压的储能电压作输出电压VO，如图2所示，输出电压VO具有负电压电平。相似地，如图2及图3的(b)部分所示的实施例，在时间间隔t2时，控制信号PS具有一高电平而使开关140相应导通，如此供应电源150输出具正电压的供应电压作输出电压VO，如图2所示，输出电压VO具有正电压电平。
在一些实施例中，供应电源150可因应实际应用调整如图2中所示出的输出电压VO的正电压电平。例如，一些应用于半导体制程的溅镀电源系统所配置的正压电源供应器其输出电平可以基于所应用的制程或材料组合被调整，使得吸附于靶材上的正离子因与所施加于靶材上带正电压的输出电压VO相斥被释放，因此降低腔体中发生电弧的几率，避免待镀物上的薄膜表面布满细小坑洞，进而提升溅镀品质。
请参照图4，图4是为依据本公开另一实施例所示出的一种电源供应装置100的示意图。为便于理解，在图4中与图1中相同的元件将用相同的参考符号标记。除非有需要说明与图4中所示的元件的协作关系，否则为了简洁起见，在此省略在上面的段落中已经详细讨论的类似元件的具体操作。如图4所示，在一些实施例中，缓冲电路170包含一储能元件171、一第一突波抑制器172、一第二突波抑制器173及一释能元件174。储能元件171的第一端点与第二端点分别与释能元件174的第一端点和第二端点耦接，第一突波抑制器172的第一端点与储能元件171的第二端点、第二突波抑制器173的第一端点及释能元件174的第二端点耦接，第一突波抑制器172的第二端点与第二突波抑制器173的第二端点耦接，储能元件171的第一端点及第二突波抑制器173的第三端点分别与电压输出端点n1及n2耦接。在一些实施例中，第一突波抑制器172可作为一反向突波抑制器，以实现协同操作以抑制切换成供应电源150输出供应电压时产生的反向突波，而第二突波抑制器173可作为一正向突波抑制器，以实现协同操作以抑制切换成电感器120输出储能电压时产生的正向突波。
请参照图5。图5是为依据本公开一实施例所示出的一种电源供应装置500的示意图。如图5所示，在一些实施例中，储能元件171可包含一电容器Cs，第一突波抑制器172可包含一二极管Dr，第二突波抑制器173可包含多个彼此串连的二极管Df1～Df4，以及释能元件174可包含一电阻器Rd。此外，在一些实施例中，第二突波抑制器173还可包含一二极管D0，二极管D0可以一齐纳二极管、瞬态电压抑制二极管(Transient Voltage SuppressorDiode，TVS Diode)或是任何具保护电路不受突波影响的元件来实施，更进一步说，在一些实施例中，第二突波抑制器173包含二极管D0可使第一突波抑制器172中的二极管Dr的零件选用更具弹性。值得注意的是，在上述第二突波抑制器173包含二极管D0的实施例中，二极管D0的第一端点作为第二突波抑制器173的第二端点与第一突波抑制器172耦接，二极管D0的第二端点作为第二突波抑制器173的第三端点与供应电源150电性耦接于电压输出端点n2；相对地，在一些第二突波抑制器173不包含二极管D0的实施例中，第二突波抑制器173的第二端点等于其第三端点，换句话说，第二突波抑制器173的第二端点(即其第三端点)、第一突波抑制器172的第二端点以及供应电源150电性耦接于电压输出端点n2。需注意的是，上述的电路元件配置仅为易于了解本公开的实施方式，但本公开并不以此为限。为便于理解，在图5中与图1中相同的元件将用相同的参考符号标记。除非有需要说明与图5中所示的元件的协作关系，否则为了简洁起见，在此省略在上面的段落中已经详细讨论的类似元件的具体操作。
请参照图6，图6是为依据本公开一实施例所示出的一种电源供应装置500运行时的示意图。为便于理解，在图6中与图1、图5中相同的元件将用相同的参考符号标记。除非有需要说明与图6中所示的元件的协作关系，否则为了简洁起见，在此省略在上面的段落中已经详细讨论的类似元件的具体操作。此外，于图6中为方便说明起见，未绘出电压信号转换器110及控制信号产生电路130，其连接关系如图1中的实施例所示，另为凸显电路运行路径，在图6中将省略电容器Cs、电阻器Rd、二极管Dr、D0与Df1～Df4的标示，其连接关系皆与图5中的实施例相同。
如图6的(a)部分所示，在一些实施例中，当开关140切换至导通时，供应电源150、电容器Cs(储能元件171)、开关140与二极管Dr(第一突波抑制器172)形成一第一回路60，此时，二极管Dr顺向导通，因开关140切换而产生的反向突波经开关140、供应电源150后通过二极管Dr由电容器Cs吸收其电能，同时，自供应电源150输出的供应电压自电压输出端点n1与n2间输出。
在另一实施例中，如图6的(b)部分所示，当开关140切换至关断时，电容器Cs(储能元件171)与二极管Df1～Df4(第二突波抑制器173)形成一第二回路61，此时，二极管D0逆向导通稳压，而因开关140切换所产生的正向突波经电容器Cs后通过二极管Df1～Df4(第二突波抑制器173)，同时，自电感器120输出的储能电压自电压输出端点n1与n2间输出。需注意的是，在一些实施例中，第二突波抑制器173中所串联连接的二极管数量可依第二突波抑制器173两端的电压大小调整为一个或多个，其可以齐纳二极管实施，或者，可以瞬态电压抑制器或任何具高突波保护的电路实现。
如上述的实施例，当该开关关断时，电容器Cs作为储能元件171更用以与作释能元件174的电阻器Rd耦接以形成一放电路径62以释放或消耗电容器Cs所吸收的电能，如图6的(b)部分所示，电容器Cs通过与其并联的电阻器Rd释放其吸收反向突波的电能，在一些实施例中，电源供应装置100包含电感器160，电感器160耦接于供应电源150与电压输出端点n2之间，并用以与储能元件171(例如电容器Cs)协同操作以吸收第一回路60上的反向突波或是第二回路61上的正向突波。需注意的是，在另一些实施例中，电源供应装置100可不包含电感器160，在此配置下，需增加电容器Cs的电容值以足够吸收突波，电阻器Rd的电阻值也需相应地增加以释放电容器Cs吸收的电能。
经由上述各种实施例的操作，本公开的电源供应装置与操作方法可通过简易的单开关与缓冲电路结合的结构，在溅镀系统中提供一可调正压以符合各种应用的需要，同时缓冲电路可抑制因开关切换所产生正向与负向突波，改善溅镀品质。
虽然本公开已以实施例公开如上，然其并非用以限定本公开，任何本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围内，当可作各种的变动与润饰，因此本公开的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。

Claims (18)

1.一种电源供应装置，包含：
一电感器；
一开关，该开关的一第一端点耦接于该电感器的一第一端点；
一供应电源，该供应电源的一第一端点与该开关的一第二端点耦接；以及
一缓冲电路，该缓冲电路包含：
一储能元件，该储能元件的一第一端点与该开关的该第一端点耦接于一第一电压输出端点；
一释能元件，该释能元件的一第一端点和一第二端点分别与该储能元件的该第一端点和一第二端点耦接；
一反向突波抑制器，该反向突波抑制器的一第一端点与该储能元件的该第二端点及该释能元件的该第二端点耦接；以及
一正向突波抑制器，该正向突波抑制器的一第一端点耦接于该反向突波抑制器的该第一端点，该正向突波抑制器的一第二端点耦接于该反向突波抑制器的一第二端点，该正向突波抑制器的一第三端点与该供应电源的一第二端点电性耦接于一第二电压输出端点，
其中，该电感器、该开关、该供应电源和该缓冲电路用以协同操作而于该第一电压输出端点与该第二电压输出端点产生一输出电压。
2.如权利要求1所述的电源供应装置，还包含：
一电压信号转换器，包含一第一转换器输出端点以及一第二转换器输出端点，其中，该电感器的一第二端点耦接该第一转换器输出端点，该供应电源的该第二端点耦接该第二转换器输出端点。
3.如权利要求1所述的电源供应装置，其中，
当该开关导通以自该供应电源输出一电压作该输出电压时，该反向突波抑制器导通，以及该储能元件通过导通的该反向突波抑制器吸收电能。
4.如权利要求1所述的电源供应装置，其中，
当该开关关断时，一电压从该电感器被输出做该输出电压，以及该正向突波抑制器导通以缓冲该开关切换时产生的突波。
5.如权利要求4所述的电源供应装置，其中，
该储能元件用以与该释能元件形成一放电路径，以消耗该储能元件所吸收的电能。
6.如权利要求1所述的电源供应装置，其中，
该反向突波抑制器包含一二极管，该正向突波抑制器包含至少一二极管。
7.如权利要求6所述的电源供应装置，其中，
该储能元件包含一电容器以及该释能元件包含一电阻器。
8.一种电源供应装置，包含：
一开关；
一第一电感器，与该开关耦接，用以接收来自一电压信号转换器的输出电压并产生一储能电压；
一供应电源，与该开关耦接，用以提供一供应电压；
一储能元件，与该开关耦接于一第一电压输出端点；
一第一突波抑制器，与该储能元件耦接于一节点；以及
一第二突波抑制器，该第二突波抑制器的一第一端点与该储能元件耦接于该节点；
其中，该第一突波抑制器通过该第二突波抑制器的一第二端点与该供应电源电性耦接于一第二电压输出端点；
其中，当该开关切换至导通时，该供应电源、该储能元件、该开关与该第一突波抑制器形成一第一回路，以吸收该开关于切换时产生的一反向突波，且该供应电源更用以于该第一电压输出端点与该第二电压输出端点输出该供应电压；
当该开关切换至关断时，该储能元件与该第二突波抑制器形成一第二回路以吸收该开关于切换时产生的一正向突波，且该第一电感器更用以于该第一电压输出端点与该第二电压输出端点输出该储能电压。
9.如权利要求8所述的电源供应装置，还包含：
一释能元件，该释能元件的一第一端点和一第二端点分别与该储能元件的一第一端点和一第二端点耦接，其中该释能元件的该第二端点在该节点与该第二突波抑制器的该第一端点耦接。
10.如权利要求9所述的电源供应装置，其中，
该释能元件用以与该储能元件形成一放电路径以释放该储能元件所吸收的电能。
11.如权利要求8所述的电源供应装置，还包含：
一第二电感器，该第二电感器耦接于该供应电源与该第二电压输出端点之间，并用以与该储能元件协同操作以吸收该第一回路上的该反向突波或是该第二回路上的该正向突波。
12.如权利要求8所述的电源供应装置，其中，该第二突波抑制器包含：
一二极管，该二极管的一第一端点与该第一突波抑制器的一第一端点耦接，该二极管的一第二端点与该供应电源电性耦接于该第二电压输出端点。
13.如权利要求8所述的电源供应装置，其中，
该开关用以响应于一控制信号切换；
其中当该控制信号具有一高电平使得该开关导通时，该供应电源输出一电压作该供应电压，以及
当该控制信号具有一低电平使得该开关关断时，该第一电感器输出与该供应电压极性相反的一电压作该储能电压。
14.一种电源装置控制方法，包含：
通过一电感器吸收一电压信号转换器的输出电压以输出一第一电压信号；以及
控制一开关的一导通状态以选择性输出该第一电压信号作为一输出电压，或自一可调电源供应器输出与该第一电压信号极性相反的一第二电压信号作为该输出电压；
其中，当该开关关断时，一储能元件与一第一突波抑制器用以形成一第一回路以抑制输出该第一电压信号时所产生的一反向突波；
当该开关导通时，该储能元件、该开关与一第二突波抑制器用以形成一第二回路以抑制输出该第二电压信号时所产生的一正向突波。
15.如权利要求14所述的电源装置控制方法，其中，控制该开关的该导通状态的步骤包含：
将一控制信号产生电路所产生的一控制信号传输至该开关，其中该控制信号为一脉冲宽度调制信号。
16.如权利要求15所述的电源装置控制方法，其中，
当该控制信号具有一高电平时，该开关导通以自该储能元件的一端点与该可调电源供应器的一端点间输出该第二电压信号作该输出电压。
17.如权利要求14所述的电源装置控制方法，其中，
当该开关关断时，该储能元件更用以与一释能元件耦接以形成一放电路径以释放该储能元件所吸收的电能。
18.如权利要求14所述的电源装置控制方法，其中，
该储能元件包含一电容器，当该可调电源供应器输出该第二电压信号时，该电容器用以吸收该正向突波的电能。
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