CN117353260A - 一种基于平衡功放的能量过冲抑制电路及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于平衡功放的能量过冲抑制电路及其控制方法，属于瞬态能量抑制技术领域，解决了现有能量过冲抑制方式的电路结构复杂等问题。该电路包括耦合器1、耦合器2、阻抗网络1、阻抗网络2、放大器A₁和A₂、电阻R₁及R₂；功率电源的输出端连接耦合器1的共源端，耦合器1的通路端、耦合端分别连接阻抗网络1、2的输入端，耦合器1的隔离端连接电阻R₁后接地；阻抗网络1、2的输出端分别连接放大器A₁、A₂的输入端，放大器A₁、A₂的输出端分别连接耦合器2的耦合端、通路端，耦合器2的共源端连接负载，耦合器2的隔离端连接电阻R₂后接地。

Description

一种基于平衡功放的能量过冲抑制电路及其控制方法

技术领域

本发明涉及瞬态能量抑制技术领域，尤其涉及一种基于平衡功放的能量过冲抑制电路及其控制方法。

背景技术

射频电源不仅广泛应用在无线通信设备中，也在等离子体系统中作为供能电源。在射频电源-等离子体系统中，射频电源的功率变化会影响等离子体的等效阻抗，等离子体阻抗的变化也会影响射频电源的功率。在低气压和低功率情况下，功率依赖的等离子阻抗和负载依赖的射频功率系统会产生明显的不稳定现象。在脉冲应用中，等离子阻抗的激变会引起射频功率的过冲。

当负载的阻抗与功率电源、传输线的阻抗不匹配时，就会产生反射功率。过大的反射功率会导致功率电源能量过冲，甚至破坏电路和设备。因此，采用适当的方法去抑制能量过冲具有研究意义。

现有的减少反射功率达到抑制能量过冲的方法包括：

(1)纯阻抗网络匹配：在负载与电源中加入电感、电容网络，使得负载的阻抗与功率电源、传输线的阻抗共轭，包括L型、T型、π型。阻抗网络匹配分为手动调节和自动调节，主要通过调节电容的大小来调节阻抗网络大小；

(2)复杂的反馈控制电路。

现有的能量过冲抑制方式存在以下缺陷：

(1)需要复杂的控制电路，涉及到的元件多，电路成本高；

(2)当负载快速变化时，由于控制有延时性以及精度问题，依然会存在一定的能量过冲问题。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于平衡功放的能量过冲抑制电路及其控制方法，用以解决现有能量过冲抑制方式存在的电路结构复杂、抑制方式效果较差的问题。

一方面，本发明提供了一种基于平衡功放的能量过冲抑制电路，所述抑制电路包括：耦合器1、耦合器2、阻抗网络1、阻抗网络2、放大器A₁、放大器A₂、电阻R₁及电阻R₂；其中，

功率电源的输出端连接耦合器1的共源端，耦合器1的通路端、耦合端分别连接阻抗网络1、阻抗网络2的输入端，耦合器1的隔离端连接电阻R₁后接地；

阻抗网络1、阻抗网络2的输出端分别连接放大器A₁、放大器A₂的输入端，放大器A₁、放大器A₂的输出端分别连接耦合器2的耦合端、通路端，耦合器2的共源端连接负载，耦合器2的隔离端连接电阻R₂后接地。

在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：

进一步，所述抑制电路还包括控制模块；

所述控制模块，用于当耦合器2的共源端未产生反射功率时，测量并处理所述负载的实际输入功率，得到功率电源输出功率控制信号；并基于所述功率电源输出功率控制信号调节所述功率电源的输出功率。

进一步，在所述控制模块中，对所述负载的理想输入功率与实际输入功率之间的偏差量进行PID调节，得到所述功率电源输出功率控制信号。

进一步，当耦合器2的共源端产生反射功率时，利用耦合器2、放大器A₁和放大器A₂消除反射功率。

进一步，所述抑制电路还包括电压传感器、电流传感器及DSP；

电压传感器、电流传感器分别用于采集耦合器2的共源端的电压、电流；

DSP根据所述电压和电流计算耦合器2的共源端的正向功率和反射功率，以判断所述抑制电路是否产生反射功率。

进一步，所述耦合器1和耦合器2的结构相同，均为45°定向耦合器。

进一步，在所述抑制电路中，放大器A₁和放大器A₂完全相同。

另一方面，本发明还提供了一种上述基于平衡功放的能量过冲抑制电路的控制方法，所述方法包括：

将功率电源的输出功率输入耦合器1的共源端，耦合器1对功率电源的输出功率进行分解，从耦合器1的通路端、耦合端分别输出幅值相同、相位相反的电压；

放大器A₁、放大器A₂分别对耦合器1的通路端、耦合端输出的电压进行放大，放大器A₁、放大器A₂分别将放大后的电压输入耦合器2的耦合端、通路端；耦合器2的共源端向负载输出功率；

判断耦合器2的共源端是否产生反射功率；

若产生反射功率，利用耦合器2和放大器A₁、放大器A₂消除所述反射功率。

在上述方案的基础上，本发明还做出了如下改进：

进一步，所述利用耦合器2和放大器A₁、放大器A₂消除所述反射功率，包括：

反射电压从耦合器2的共源端输入，然后从耦合器2的通路端、耦合端分别输出幅值相同、相位相反的电压；

耦合器2的通路端、耦合端输出的电压分别被放大器A₂、放大器A₁阻挡，耦合器2的通路端、耦合端输出的电压幅值分别以放大器A₂、放大器A₁的反射系数为倍数变化、相位不变；

被放大器A₂、放大器A₁阻挡反射回来的电压分别从耦合器2的通路端、耦合端输入，耦合器2的共源端输出相位相反、幅度相等的电压，反射功率消除。

进一步，所述方法还包括：

若耦合器2的共源端未产生反射功率，测量并处理负载的实际输入功率，得到功率电源输出功率控制信号，并基于所述功率电源输出功率控制信号调节功率电源的输出功率。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

本发明提供的基于平衡功放的能量过冲抑制电路，通过在功率电源与负载中间增加一个平衡功放，使得产生的反射功率无法影响功率电源，同时加入PID反馈调节，平衡功放与控制模块共同确保功率电源的输出稳定在预定范围且能够有效抑制能量过冲。具体说明如下：

(1)电路结构简单。无需复杂的电路网络，无需计算过多参数。

(2)利用平衡功放本身的性能去解决反射功率导致的能量过冲问题，不受负载变化的影响，不用考虑控制精度以及延时性问题，更加稳定。

(3)平衡功放具备良好的输入输出匹配特性，同时可以将功率放大。

(4)简单的PID控制模块自动调节电源的输出功率，确保负载预定输入功率，同时在负载获得预定输入功率的过程中不发生能量过冲问题。

(5)相比起90°或者其他的耦合器，本实施例提出的45°的耦合器可以保证从两个端口输出的能量相同，在传输的过程中更好地减少功率的损失、以及更好地实现能量过冲抑制功能。

由于本发明中控制方法与上述控制电路的原理相同，所以本发明中的控制方法也具有上述控制电路相应的技术效果。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件；

图1为本发明实施例1提供的基于平衡功放的能量过冲抑制电路的电路图；

图2为本发明实施例1提供的电源功率正向传播时耦合器1的工作示意图；

图3为本发明实施例1提供的电源功率正向传播时耦合器2的工作示意图；

图4为本发明实施例1提供的反射电压V_r输入耦合器2的共源端的工作示意图；

图5为本发明实施例1提供的耦合器2的耦合端、通路端分别输出幅值相同、相位相反的电压的工作示意图；

图6为本发明实施例1提供的耦合器2的耦合端、通路端的输出电压分别被放大器A₂、放大器A₁阻挡反射的工作示意图；

图7为本发明实施例1提供的反射功率消除时的耦合器2的工作示意图；

图8为本发明实施例1提供的两电容形式的45°定向耦合器；

图9为本发明实施例2提供的基于平衡功放的能量过冲抑制电路的控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例1，公开了一种基于平衡功放的能量过冲抑制电路，电路结构图如图1所示，该抑制电路包括：耦合器1、耦合器2、阻抗网络1、阻抗网络2、放大器A₁、放大器A₂、电阻R₁及电阻R₂；其中，功率电源的输出端连接耦合器1的共源端(图1中的端口2)，耦合器1的通路端(图1中的端口1)、耦合端(图1中的端口4)分别连接阻抗网络1、阻抗网络2的输入端，耦合器1的隔离端(图1中的端口3)连接电阻R₁后接地；阻抗网络1、阻抗网络2的输出端分别连接放大器A₁、放大器A₂的输入端，放大器A₁、放大器A₂的输出端分别连接耦合器2的耦合端、通路端，耦合器2的共源端连接负载，耦合器2的隔离端连接电阻R₂后接地。

与现有技术相比，本实施例提供的基于平衡功放的能量过冲抑制电路，电路结构较为简单，成本较低，有效克服了现有能量过冲抑制方式存在的电路结构复杂的问题。同时，当检测到反射功率时，耦合器2和放大器A₁、放大器A₂可配合消除反射功率，能够有效抑制反射功率。

优选地，本实施例中的抑制电路还包括控制模块；所述控制模块，用于当耦合器2的共源端未产生反射功率时，测量并处理所述负载的实际输入功率，得到功率电源输出功率控制信号；并基于所述功率电源输出功率控制信号调节所述功率电源的输出功率。通过设置控制模块，能够逐步调节功率电源的输出功率，从而防止能量过冲。具体地，在控制模块中，对负载的理想输入功率与实际输入功率之间的偏差量进行PID调节，得到功率电源输出功率控制信号。

此外，本实施例中的抑制电路还包括电压传感器、电流传感器及DSP；其中，电压传感器、电流传感器分别用于采集耦合器2的共源端的电压、电流；DSP根据所述电压和电流计算耦合器2的共源端的正向功率和反射功率，以判断所述抑制电路是否产生反射功率。具体实施过程中，DSP根据电压传感器、电流传感器检测到的耦合器2的共源端的采样信号的大小和相位来计算正向功率和反射功率，正向功率和反射功率可以分别被认为是流向负载的功率和从负载反射回来的功率。正向功率减去反射功率是在负载中耗散的功率称为负载功率。

下面，对本实施例中的抑制电路做如下具体介绍：

(1)阻抗网络1、阻抗网络2：

由电容和电感组成的无需控制电路的阻抗网络，功能是使得耦合器1的通路端、耦合端所接等效负载阻抗大小与特征阻抗Z₀相同，消除由于阻抗不匹配产生的反射功率。

需要说明的是，在本实施例中，将耦合器1的通路端、耦合端的输出端的整体看做负载，则其负载的等效阻抗，即为耦合器1的通路端、耦合端所接等效负载阻抗。

(2)放大器A₁、放大器A₂

两个放大器完全相同，放大器A₁、放大器A₂的放大倍数K₁、K₂完全相同，反射系数Γ₁、Γ₂完全相同。

在本实施例中，放大器具备两方面作用：一方面，将耦合器1的通路端和耦合端输出的信号分别放大K₁、K₂倍；另一方面，与耦合器2一起阻挡反射功率传输到功率电源。

(3)电阻R₁、R₂

电阻R₁、R₂的大小与特征阻抗Z₀相同。

(4)耦合器1和耦合器2

耦合器1和耦合器2的结构相同，均为45°定向耦合器。在本实施例中，以图1所示的基于平衡功放的能量过冲抑制电路的电路图中的耦合器为示例，介绍耦合器1和耦合器2在抑制电路中的功能。图1中的45°定向耦合器包括：电容C₁、电容C₂、电容C₃和电容C₄，耦合电感L₁和耦合电感L₂；其中，电容C₁的一端连接耦合电感L₁的同名端，耦合电感L₁的异名端连接电容C₂的一端；电容C₃的一端连接耦合电感L₂的同名端，耦合电感L₂的异名端连接电容C₄的一端；电容C₁的另一端、电容C₃的另一端、电容C₂的另一端与电容C₄的另一端均接地。由图1可知，耦合器是x、y轴对称结构，所以每个端口都可以作为输入口(共源端)。因此，在如图1所示的耦合器的电路结构中，在两个耦合电感的四个端口处，任意确定一个端口作为共源端，共源端的对角端口为隔离端，剩余两个端口分别为通路端、耦合端。示例性地，在图1中，将耦合电感L₁的同名端、异名端分别作为耦合器的通路端、共源端；耦合电感L₂的同名端、异名端分别作为耦合器的隔离端、耦合端。在上述45°定向耦合器中，功率电源的频率为f，特征阻抗为Z₀，则电容C₁、电容C₂、电容C₃和电容C₄的大小均为耦合电感L₁和耦合电感L₂的大小均为/>耦合电感L₁和耦合电感L₂的电感耦合度m＝1。

在本实施例中，耦合器1和耦合器2的结构虽然相同，但两者在电路中的作用、输入端口、输出端口、接地端口的分布并不相同。下面分别从在电源功率正向传播的方向上、当负载的阻抗与功率电源和射频传输线的阻抗不匹配时两种情况讨论两个耦合器的工作过程：

(1)在电源功率正向传播的方向上

耦合器1的功能是将输入电压分解成幅值大小相同、相位相反(相移分别为-45°和45°)的两个电压，如图2所示。功率电源的输出端和耦合器1的共源端相连接，输入大小为V、相位为0°的电压。耦合器1的通路端输出大小为相位为-45°的电压，耦合器1的耦合端输出大小为/>相位为45°的电压。耦合器1的隔离端接电阻R₁。理想状态下，耦合器1的通路端和耦合端的输出功率相同，且大小为耦合器1的共源端的输入功率的一半，耦合器1的隔离端的输出功率为0，相当于将耦合器1的共源端的输入功率均分，分别在通路端、耦合端输出。

耦合器2的功能是将耦合器2的耦合端、通路端的输入电压耦合，如图3所示。耦合器2的通路端与放大器A₂的输出端相连接，输入大小为相位为45°的电压；耦合器2的耦合端与放大器A₁的输出端相连接，输入大小为/>相位为-45°的电压；耦合器2的共源端与负载相连接，输出大小为/>相位为0°的电压。耦合器2的隔离端经由电阻R₂接地，输出相位相反的电压。理想状态下，耦合器2的共源端的输出功率的大小为耦合器2的通路端与耦合端的输入功率的和。

(2)当负载的阻抗与功率电源、传输线的阻抗不匹配时：

在耦合器2的共源端处产生反射功率P_r，假设相应的反射电压为V_r，此时，耦合器2与放大器A₁、放大器A₂可以消除反射功率对功率电源的影响，反射功率消除过程参考图4到图7。当产生反射功率时，反射电压V_r输入耦合器2的共源端，如图4所示。经过耦合器2的分解，通过耦合器2的耦合端、通路端分别输出幅值相同、相位相反的电压，如图5所示。耦合器2的耦合端、通路端的输出电压分别被放大器A₂、放大器A₁阻挡反射，如图6所示。被放大器A₂、放大器A₁阻挡反射回来的电压分别从耦合器2的耦合端、通路端输入，耦合器2的共源端输出相位相反、幅度相等的电压，反射功率消除，如图7所示。同时，虽然耦合器2的共源端与隔离端的输出电压虽然幅值相同，但是耦合器2的隔离端经过电阻R₂后接地，从而使得从耦合器2的隔离端输出的功率以热量的形式被耗散。因此，反射功率被耦合器2与两个放大器阻挡并消除，从而无法影响到功率电源。

需要说明的是，45°定向耦合器有多种形式，对耦合器中电感与电容的个数不做限定，对电路的类型也不做限定。实际应用过程中，还可以使用微带线形式的45°定向耦合器。或将图1中的四个电容等效为两个电容(电容C₁和电容C₃等效成一个电容，电容C₂和电容C₄等效成一个电容)，得到两电容形式的45°定向耦合器，如图8所示。此时，两个电容的大小均为两个耦合电感的大小均为/>

基于上述分析可知，在本实施例提供的基于平衡功放的能量过冲抑制电路中，设置了两条路径来抑制能量过冲：

(1)消除干扰，利用所提出的45°定向耦合器与放大器自身的工作性质，使得反射功率无法影响电源功率。在耦合器1处，通过稳定的阻抗匹配最大程度减少反射功率；在耦合器2及两个放大器处，将产生的反射功率一部分输送到接地端，一部分通过幅值大小相同、相位相反的电压相互抵消。

(2)PID调节。通过PID调节使得输出功率逐步稳定在正常范围，也使系统在受到干扰时稳定，也能抑制能量过冲。

综上所述，本实施例提供的基于平衡功放的能量过冲抑制电路，通过在功率电源与负载中间增加一个平衡功放，使得产生的反射功率无法影响功率电源，同时加入PID反馈调节，平衡功放与控制模块共同确保功率电源的输出稳定在预定范围且能够有效抑制能量过冲。本实施例的有益效果具体说明如下：

(1)电路结构简单。无需复杂的电路网络，无需计算过多参数。

(2)利用平衡功放本身的性能去解决反射功率导致的能量过冲问题，不受负载变化的影响，不用考虑控制精度以及延时性问题，更加稳定。

(3)平衡功放具备良好的输入输出匹配特性，同时可以将功率放大。

(4)简单的PID控制模块自动调节电源的输出功率，确保负载预定输入功率，同时在负载获得预定输入功率的过程中不发生能量过冲问题。

(5)相比起90°或者其他的耦合器，本实施例提出的45°的耦合器可以保证从两个端口输出的能量相同，在传输的过程中更好地减少功率的损失、以及更好地实现能量过冲抑制功能。

本发明的一个具体实施例2，公开了一种基于平衡功放的能量过冲抑制电路的控制方法，流程图如图9所示，该方法包括以下步骤：

步骤S1：将功率电源的输出功率输入耦合器1的共源端，耦合器1对功率电源的输出功率进行分解，从耦合器1的通路端、耦合端分别输出幅值相同、相位相反的电压；

步骤S2：放大器A₁、放大器A₂分别对耦合器1的通路端、耦合端输出的电压进行放大，放大器A₁、放大器A₂分别将放大后的电压输入耦合器2的耦合端、通路端；耦合器2的共源端向负载输出功率；

步骤S3：判断耦合器2的共源端是否产生反射功率；

步骤S4：若产生反射功率，利用耦合器2和放大器A₁、放大器A₂消除所述反射功率。

此外，该方法还可以包括以下步骤：

步骤S5：若耦合器2的共源端未产生反射功率，测量并处理负载的实际输入功率，得到功率电源输出功率控制信号，并基于所述功率电源输出功率控制信号调节功率电源的输出功率。

具体地，在步骤S4中，利用耦合器2和放大器A₁、放大器A₂消除所述反射功率，具体包括包括：

步骤S41：反射电压从耦合器2的共源端输入，然后从耦合器2的通路端、耦合端分别输出幅值相同、相位相反的电压；

步骤S42：耦合器2的通路端、耦合端输出的电压分别被放大器A₂、放大器A₁阻挡，耦合器2的通路端、耦合端输出的电压幅值分别以放大器A₂、放大器A₁的反射系数为倍数变化、相位不变；

步骤S43：被放大器A₂、放大器A₁阻挡反射回来的电压分别从耦合器2的通路端、耦合端输入，耦合器2的共源端输出相位相反、幅度相等的电压，反射功率消除。

需要说明的是，本发明方法实施例的具体实施过程参见上述电路实施例即可，本实施例在此不再赘述。

由于本实施例与上述电路实施例原理相同，所以本方法实施例也具有上述电路实施例相应的技术效果。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于平衡功放的能量过冲抑制电路，其特征在于，所述抑制电路包括：耦合器1、耦合器2、阻抗网络1、阻抗网络2、放大器A₁、放大器A₂、电阻R₁及电阻R₂；其中，

功率电源的输出端连接耦合器1的共源端，耦合器1的通路端、耦合端分别连接阻抗网络1、阻抗网络2的输入端，耦合器1的隔离端连接电阻R₁后接地；

阻抗网络1、阻抗网络2的输出端分别连接放大器A₁、放大器A₂的输入端，放大器A₁、放大器A₂的输出端分别连接耦合器2的耦合端、通路端，耦合器2的共源端连接负载，耦合器2的隔离端连接电阻R₂后接地。

2.根据权利要求1所述的基于平衡功放的能量过冲抑制电路，其特征在于，所述抑制电路还包括控制模块；

所述控制模块，用于当耦合器2的共源端未产生反射功率时，测量并处理所述负载的实际输入功率，得到功率电源输出功率控制信号；并基于所述功率电源输出功率控制信号调节所述功率电源的输出功率。

3.根据权利要求2所述的基于平衡功放的能量过冲抑制电路，其特征在于，在所述控制模块中，对所述负载的理想输入功率与实际输入功率之间的偏差量进行PID调节，得到所述功率电源输出功率控制信号。

4.根据权利要求1所述的基于平衡功放的能量过冲抑制电路，其特征在于，当耦合器2的共源端产生反射功率时，利用耦合器2、放大器A₁和放大器A₂消除反射功率。

5.根据权利要求2-4中任一项所述的基于平衡功放的能量过冲抑制电路，其特征在于，所述抑制电路还包括电压传感器、电流传感器及DSP；

电压传感器、电流传感器分别用于采集耦合器2的共源端的电压、电流；

DSP根据所述电压和电流计算耦合器2的共源端的正向功率和反射功率，以判断所述抑制电路是否产生反射功率。

6.根据权利要求5所述的基于平衡功放的能量过冲抑制电路，其特征在于，所述耦合器1和耦合器2的结构相同，均为45°定向耦合器。

7.根据权利要求6所述的基于平衡功放的能量过冲抑制电路，其特征在于，在所述抑制电路中，放大器A₁和放大器A₂完全相同。

8.一种权利要求1-7中任一项所述的基于平衡功放的能量过冲抑制电路的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

将功率电源的输出功率输入耦合器1的共源端，耦合器1对功率电源的输出功率进行分解，从耦合器1的通路端、耦合端分别输出幅值相同、相位相反的电压；

放大器A₁、放大器A₂分别对耦合器1的通路端、耦合端输出的电压进行放大，放大器A₁、放大器A₂分别将放大后的电压输入耦合器2的耦合端、通路端；耦合器2的共源端向负载输出功率；

判断耦合器2的共源端是否产生反射功率；

若产生反射功率，利用耦合器2和放大器A₁、放大器A₂消除所述反射功率。

9.根据权利要求8所述的基于平衡功放的能量过冲抑制电路的控制方法，其特征在于，所述利用耦合器2和放大器A₁、放大器A₂消除所述反射功率，包括：

反射电压从耦合器2的共源端输入，然后从耦合器2的通路端、耦合端分别输出幅值相同、相位相反的电压；

耦合器2的通路端、耦合端输出的电压分别被放大器A₂、放大器A₁阻挡，耦合器2的通路端、耦合端输出的电压幅值分别以放大器A₂、放大器A₁的反射系数为倍数变化、相位不变；

被放大器A₂、放大器A₁阻挡反射回来的电压分别从耦合器2的通路端、耦合端输入，耦合器2的共源端输出相位相反、幅度相等的电压，反射功率消除。

10.根据权利要求8或9所述的基于平衡功放的能量过冲抑制电路的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

若耦合器2的共源端未产生反射功率，测量并处理负载的实际输入功率，得到功率电源输出功率控制信号，并基于所述功率电源输出功率控制信号调节功率电源的输出功率。