CN1380744A - 降低对电缆长度的敏感性的射频功率发生器的控制器 - Google Patents

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Abstract

一种射频(RF)功率发生器系统,包括一个功率发生器,它产生被输出到负载的射频功率信号。该射频发生器产生一个正向功率反馈信号以及一个反向功率反馈信号。一个控制器接收正向功率反馈信号以及反向功率反馈信号。该控制器产生一个设置点信号,后者被输出到功率发生器。一个设置点修改器接收正向功率反馈信号、反向功率反馈信号以及一个外部设置点信号。设置点修改器基于正向和反向功率反馈信号来计算一个正向功率限值。设置点修改器基于正向功率限值和外部设置点信号其中之一,向控制器输出一个已修改的设置点信号。设置点修改器和控制器可以被集成在一起。

Description

降低对电缆长度的敏感性 的射频功率发生器的控制器
技术领域
本发明涉及用于射频(RF)功率发生器的控制器，特别是涉及降低对电缆长度的敏感性的射频功率发生器的控制器。
背景技术
许多射频功率发生器都含有控制器，用以调节射频输出功率，同时防止由于负载不匹配、过高的供电电压以及过高的工作温度而导致的放大器损坏。这些控制器还能够在一个或多个功率器件发生失效之后，使故障最小化。图1示出了一个典型的射频(RF)功率发生器10，它包括一个功率模块11以及一个控制器12。功率模块11接收来自射频激励器14的信号，对信号进行放大，并将信号送往负载16。功率模块11包括一个驱动器18以及一个末级放大器20。功率模块11通过电缆24接收直流功率，电缆24连接到具有接地回路的较远距离处的电池26。电缆24具有基本上为分布式的阻抗。控制器12包括一个放大器30、一个频率补偿电容器34以及一个缓冲器38。控制器12接收控制输入40和反馈信号42，并产生控制电压44，控制电压44改变驱动器18的增益。
在正常情况下，控制器12调节输出功率，而在异常情况下，则保护功率模块11。控制器12通过采用负反馈来减少最大反馈信号与参考输入信号之间的误差，该参考输入信号是根据各反馈传感器的标称工作电平来选择的。来自功率模块11的反馈信号包括由射频检测器54和56产生的正向和反向功率信号50和52。检测器54和56一般被连接到定向耦合器60的两个采样臂上。其他反馈信号包括来自热敏电阻64的温度信号62，热敏电阻64与末级放大器20热耦合。差分电压反馈信号66和70与(经由电流采样电阻器72)送往功率模块11的直流输入电流成正比。驱动信号74将驱动电流反馈到末级放大器20。反馈信号76反馈送往驱动器18的控制电压44。
在正常情况下，除了正向功率信号50以外，所有反馈信号都是很小的。控制器12使控制信号44增大，直到正向功率信号50变为近似地等于参考设置点为止。在异常情况下，其他各种反馈信号都增大，并且超过正向功率信号50。例如，当负载16不匹配或者被撤除时，反向功率信号52将增大。若驱动信号44增加而正向功率信号50没有相应的增加，则表示末级放大器20负载不匹配或出现故障。对于给定的输出功率，过高的控制电压一般对应于驱动器18中的问题。直流输入电流低表示负载不匹配、驱动器18的故障或者末级放大器20的故障。直流输入电流高或者末级放大器20的温度高表示控制器12应当降低功率模块11的正向功率需求。当出现这些情况中的一种或多种时，控制器12就降低送往功率模块11的驱动信号44，以便使最大反馈信号保持近似于参考设置点。
用于保护射频功率发生器10的常规方法一般还使用一组已测量的发生器参数以及对每一种参数的硬性设置点限值。例如，最大反射功率被限制为600瓦(W)，功率放大器(PA)最大电流被限制为40安(A)，功率放大器(PA)最大功率耗散被限制为1800W。这种保护技术在射频功率发生器10避免逆向负载方面是有效的，但是当射频功率发生器10与负载16之间的电缆长度发生改变时，就不具备可重复的性能。
现在参看图2，该图示出了根据现有技术的一种简化的功率发生器控制系统100。射频功率发生器控制系统100包括一个功率模块102，一个射频传感器104，一个负载106以及一个控制器108。功率模块102产生功率模块反馈信号109(如功率放大器供电电流110以及装置温度114)。射频传感器104产生射频传感器反馈信号115(如正向和反向功率116和118)。功率模块反馈信号109，射频传感器反馈信号115以及外部设置点信号120都被输入到控制器108。控制器108产生功率模块设置点信号124，后者被输入到功率模块102。功率模块设置点信号124通过功率模块102控制正向功率输出。
基本的控制技术是提供来自多个检测器的负反馈信号(如正向功率116，反向功率118，功率放大器供电电流110以及装置温度114)。在正常运行过程中，除了正向功率信号以外，所有反馈信号都是相对小的。在这种情况下，控制器108增大或降低功率模块设置点信号124，以调节功率模块102的正向功率116。在负载不匹配的情况下，另一个反馈信号，例如是送往功率模块102中功率放大器的供电电流110，强于正向功率反馈信号116。这将导致控制器108降低功率模块设置点124。功率模块102降低向负载106提供的正向功率。
这种控制技术在保护发生器避免逆向负载方面是有效的，但是当功率模块102(射频传感器104)与负载106之间的电缆长度L发生改变时，就不具备可重复的性能。电缆长度L的改变会引起一个相位偏移，这可能导致一个高阻抗负载被转换为一个低阻抗负载。负载阻抗的改变导致在功率模块102中的功率放大器所抽取电流的增加或减少。阻抗的变化导致功率放大器的供电电流限制环路降低或增大功率模块设置点124。这又导致即使在电压驻波比(VSWR)没有发生改变的情况下，射频功率发生器控制系统100仍然提供比无相移时较小或较大的功率。
在可重复性十分重要的应用场合，例如半导体制造，很需要有一种对电缆长度或负载相位敏感性降低的射频发生器。例如，等离子体供电系统要求精确控制的条件和可重复性。某些装置从离子腔到发生器机架之间可能具有比其他装置更长的距离。因此，这些系统的工作情况将有所不同。
发明内容
根据本发明的一种射频(RF)功率发生器系统，包括一个产生输出到负载的射频功率信号的功率发生器。射频发生器产生一个正向功率反馈信号以及一个反向功率反馈信号。一个控制器接收该正向功率反馈信号以及反向功率反馈信号。该控制器产生一个设置点信号，该信号被输出到功率发生器。一个设置点修改器接收正向反馈信号、反向反馈信号以及外部设置点信号。设置点修改器基于正向和反向功率反馈信号来计算一个正向功率限值。设置点修改器基于正向功率限值和外部设置点信号其中之一，向控制器输出一个已修改的设置点信号。
在本发明的其他特征中，控制器在正向功率限值以及外部设置点信号中，选择一个较小的数值。功率发生器包括一个射频传感器，后者产生正向功率反馈信号以及反向功率反馈信号。功率发生器包括一个功率模块，该模块产生供电电流反馈信号以及温度反馈信号，这两种信号都被输出到控制器。
在本发明的另一些其他特征中，设置点修改器以及控制器被集成在一起。设置点修改器包括一份一览表和一项公式中的一个，用以计算正向功率限值。该公式根据正向和反向功率反馈信号以及最大功率耗散，来确定正向功率限值。
通过下文所提供的详细说明，本发明的其它适用领域是显而易见的。应当理解，在说明本发明的优选实施例时，详细说明和特例仅用于说明目的，并不限制本发明的范围。
附图说明
通过以下的详细说明和附图，将能更充分地理解本发明，在附图中：
图1是根据现有技术其中包括一个控制器的一种射频功率发生器的框图；
图2是根据现有技术的一种射频功率发生器的简化框图；
图3A是根据本发明的一种射频功率发生器控制系统的框图；
图3B是将控制器与外部设置点修改模块合并到一起的一种射频功率发生器控制系统的框图；
图4表示确定随Γ或VSWR变化的正向功率的各步骤；
图5A是一份数据表，表示当VSWR＝2∶1时，随负载相位和功率设置点变化的功率耗散；
图5B是表示在不同的VSWR下，随负载相位变化的功率耗散的示图；
图6是表示当VSWR＝1∶1时，随正向功率变化的功率耗散的示图；
图7是表示当VSWR＝2∶1时，随正向功率变化的功率耗散的示图；
图8是表示当VSWR＝3∶1时，随正向功率变化的功率耗散的示图；
图9是表示当VSWR＝∞∶1时，随正向功率变化的功率耗散的示图；
图10A是一份数据表，包含在不同的VSWR下，针对最坏情况负载的二次及线性模型参数；
图10B是一份图，它将功率耗散参数”m”参数化为Γ的一个函数；
图11是一份史密斯圆图，表示在不同的VSWR下，射频功率发生器控制系统的有效正向功率与负载的关系。
具体实施方式
下面的关于各优选实施例的说明实际上仅是示例性的，并且无论如何不能被用来限制本发明及其应用或用途。
现在参看图2，该图示出了根据现有技术的功率发生器控制系统100。功率发生器控制系统100包括功率模块102、射频传感器104、负载106以及控制器108。功率模块102产生功率模块反馈信号109(如功率放大器供电电流110以及装置温度114)。射频传感器104产生射频传感器反馈信号115(如正向和反向功率116和118)。功率模块反馈信号109、射频传感器反馈信号115以及外部设置点信号120都被输入到控制器108。控制器108产生功率模块设置点信号124，后者被输入到功率模块102。
现在参看图3A和3B，图2的参考数字在适当的地方被用来标识相同的单元。一个改进了的射频功率发生器控制系统200包括一个外部设置点修改模块204，它根据VSWR或Γ来计算正向功率限值，并且从正向功率限值以及外部设置点中选出较小者。外部设置点信号120被输入到外部设置点修改模块204。正向和反向功率反馈信号116和118都被输入到外部设置点修改模块204。外部设置点修改模块204产生已修改的外部设置点信号208，后者被输入到控制器210。已修改的外部设置点信号208等于正向功率限值和外部设置点中的较小者。
外部设置点修改模块204最好由一个处理器和存储器所执行的一种算法来实现。外部设置点修改模块204还可以被实现为一个硬件电路和/或跟控制器210集成在一起(如图3B所示)。外部设置点修改模块204使用从SPICE仿真程序或限值测试数据导出的一个公式或一览表，这将在下面作进一步的说明。该公式或一览表对于给定的VSWR(或Γ)定义正向功率限值。该公式或一览表被用来根据实际的VSWR(或Γ)，来实时地计算正向功率限值。通过下列公式来表示Γ和VSWR跟正向和反向功率的关系：
    |伽马|＝|Γ|＝sqrt(Prev/Pfwd)
    VSWR＝(|Γ|+1)/(1-|Γ|)
计算出的正向功率限值被用于反馈控制系统的输入端。设置点修改模块204选择外部设置点信号与正向功率限值中的较小者作为射频发生器控制系统200的设置点。另一种方法是，设置点修改模块204可以计算正向功率限值并向控制器210发送正向功率限值以及外部设置点以供选择。功率放大器(PA)供电电流110、装置温度114以及其他信号被保留，以便让控制器210对诸如组件失效那样的异常情况作出反应。在射频发生器控制系统200中，不管功率模块102与负载106之间的电缆长度如何改变，对给定的VSWR来说，正向功率限值都保持恒定。要注意的是，由于功率模块102与射频传感器104之间的距离为固定，所以距离L表示射频传感器104与负载106之间的距离。
本发明改善了不管电缆长度L或者其他相位如何改变，由射频发生器提供的正向功率的可重复性。射频发生器被限制为提供能应付最坏情况负载的功率。由于负载阻抗比诸如被送往功率放大器的供电电流110以及装置温度114这样的变量变化得快，所以射频发生器控制系统200应能对负载106作出更快的反应。其结果是，射频发生器看上去降低了送往功率放大器的供电电流并且降低了装置的温度，这就提高了射频发生器的长期可靠性。
图4示出了确定该公式或一览表的一种适当的方法。专业人士知道，在不离开本发明的实质和范围的前提下，也可以使用其他各种方法。在步骤250，随功率设置点和负载变化的最坏情况的重点数据被收集。为了对每个VSWR确定一个最坏情况的重点数据，采用各种电缆长度以确定功率放大器的最大功率耗散。当具有最大功率耗散的电缆长度被确定之后，该功率耗散就被标示为正向功率的一个函数值。专业人士应当知道，除了功率耗散以外，还可以使用其他的系统电压和电流来确定最坏情况的重点数据。例如，可以使用功率放大器的电流，功率放大器的供电电压，功率放大器的晶体管峰值输出电压以及其他系统电压和电流。
例如，图5A示出了VSWR＝2时的一个数据表。负载相位指的是绕史密斯圆图的度数。绕史密斯圆图360°对应于半波长。为了确定不同类型电缆的电缆长度，采用了电缆材料的工作频率以及速度因子。当使用聚四氟乙烯电缆时，环绕史密斯圆图1圈等于25.19英尺。对于聚丙烯电缆来说，半波长距离等于23.95英尺(24英尺通常是一个良好的近似值)。图5A表示在VSWR＝2的条件下，处于额定功率的功率放大器的功率耗散随负载相位变化的情况。图5B表示在不同的电压驻波比下，随负载相位变化的功率耗散的示图。在这个实例中，最坏的功率耗散出现在0°附近。不同的功率放大器将会有不同的结果。
在确定最坏情况的功率耗散之后，已确定的负载被用来表示随正向功率变化的功率耗散。在步骤254，拟合功率耗散对正向功率数据的方程式。被拟合的方程式可以是线性方程式、二次方程式，或者任何其他适当的方程式。不过最好是，在每一个VSWR下所拟合的方程式的形式都是相同的。在图6，7，8和9所示的各实例中，针对电压驻波比VSWR＝1，2，3和∞这几种情况，以y＝mx+b的形式，为最坏情况的数据拟合了一个线性方程式。
在步骤258，方程组的各系数被参数化为VSWR的一个函数。如同在图10中所能看到的那样，各线性方程式的”m”参数定义了作为正向功率和VSWR(或Γ)的函数的一个3维函数-Pdiss。接着，在步骤262，产生公式或一览表。
通过一个实例，在VSWR负载分别为1∶1，1`5∶1，2∶1，3∶1，5∶1和∞∶1这几种情况下，针对最坏相位功率耗散来产生Pdiss对Pfwd的图形。其次，如图10A所示，为每一种图形拟合一根直线，并且提取其斜率(m)和截部(b)。在本例中，对于电压驻波比为1∶1和1.5∶1的情形来说，二次拟合得较好，而对于更高的VSWR数值来说，直线拟合也很好。在本例中，选择直线拟合。
其次，如图10B所示，斜率(m)被图示为随反射系数(Γ)而变化，并且为这些数据拟合一根曲线，以产生函数m(Γ)。参数b不太随Γ而发生改变，因此，b可以保持恒定，还可以通过调节b使得模型变得更保守一些，并且提供更多的功率耗散净空。
函数Pdmax(Pfwd，Γ)产生一组直线，用以在给定的VSWR(或Γ)史密斯圆图中，估计功率放大器的最大功率耗散。在给定的VSWR下，还有具有更低功率耗散的其他电缆长度，但是目标是确定在功率放大器中功率耗散的最坏情形。使用b＝100，就能给出在负载为1.5∶1以外的情况下的最佳拟合。然而，在1.5∶1的情况下，b＝200也给出了保守的数值。
斜率函数：m(Γ)＝1.2760*Γ2-0.0311*Γ+0.2701
线性方程组，y＝mx+b：
            Pdmax(Pfwd，Γ)＝Pfwd *m(Γ)+b下面的数据表明该模型跟实际数据的满意的比对：Pdmax(3000，0)＝1010W-在3000W下进入50Ω负载的估计的最大功率耗散(实际为822W)。Pdmax(3000，0.2)＝1144W-在3000W下进入VSWR为1.5∶1的估计的最大功率耗散(实际为1189W)。Pdmax(2400，0.333)＝1162W-在2400W下进入VSWR为2∶1的估计的最大功率耗散(实际为1100W)。Pdmax(1800，0.5)＝1230W-在1800W下进入VSWR为3∶1的估计的最大功率耗散(实际为1131W)。Pdmax(600，1)＝1106W-在600W下进入VSWR为无穷大的估计的最大功率耗散(实际为991W)。
为了找出功率耗散等于1200W时的正向功率，令：
             Pdmax＝1200
Pfmax(Γ)＝-1*(Pdmax-200)/(-1.2760*Γ2+0.0311*Γ-0.2701)
降格函数与3000W正向功率规格有满意的比对：Pfmax(0)＝3702W(规格为进入1∶1的3kW)；Pfmax(0.2)＝3178W(规格为进入2∶1的2400W)；Pfmax(0.3333)＝2494W(规格为进入3∶1的1800W)；Pfmax(0.5)＝1748W(规格为进入3∶1的1800W)；以及，Pfmax(1)＝662.4W(规格为进入∞∶1的600W)。参看图11，一份史密斯圆图表示当使用根据本发明的射频发生器控制系统时，在不同的VSWR下，正向功率对负载的关系。“+”号表示电缆长度采样。中心环对应于VSWR＝1.5∶1。标记为“8000”的环对应于VSWR＝2∶1。标记为“6000”的环对应于VSWR＝3∶1。标记为“4000”的环对应于VSWR＝5∶1。外环对应于电压驻波比＝∞∶1。正如可以理解的那样，这种射频发生器对相位变化不敏感。
专业人士都知道，可以通过如图1所示的定向耦合器，一个电压/电流探头或者任何其他适当的信号源，来提供正向的和反射的功率信号。可以使用SPICE仿真程序或实验测量来确定用于确定公式或一览表的输入数据。此外，还可以通过使用多种线性拟合技术，诸如最小均方或非线性拟合技术，来确定公式或一览表。可以通过使用一个模拟的或数字的信号处理器(DSP)，数字计算机或任何其他适当的装置，来计算正向功率限值。类似地，闭环控制可以是模拟的或数字的。
通过以上的说明，专业人士都能理解，可以按照多种形式来实现本发明的广义内容。因此，在结合特定的实例来说明本发明的同时，通过研究诸附图、说明书以及下面的权利要求书，使得各项修改对专业人士来说将变得显而易见，本发明的实际范围不应受到那些实例的限制。

Claims (20)

1.一种射频(RF)功率发生器系统，包括：
一个功率发生器，它产生被输出到负载的一个射频功率信号、一个正向功率反馈信号以及一个反向功率反馈信号；
一个控制器，它接收所述正向功率反馈信号以及所述反向功率反馈信号，并产生一个设置点信号，该设置点信号被输出到所述功率发生器；以及
一个设置点修改器，它接收所述正向功率反馈信号、所述反向功率反馈信号以及一个外部设置点信号，其中，所述设置点修改器基于所述正向和反向反馈信号来计算一个正向功率限值，并基于所述正向功率限值和所述外部设置点信号其中之一，向所述控制器输出一个已修改的设置点信号。
2.根据权利要求1所述的射频功率发生器系统，其中，所述控制器从所述正向功率限值以及所述外部设置点信号中，选择一个较小的数值作为所述已修改的设置点信号。
3.根据权利要求2所述的射频功率发生器系统，其中，所述功率发生器包括一个射频传感器，它产生所述正向功率反馈信号以及所述反向功率反馈信号。
4.根据权利要求3所述的射频功率发生器系统，其中，功率发生器包括一个功率模块，它产生供电电流反馈信号以及温度反馈信号，这两种信号都被输出到所述控制器。
5.根据权利要求3所述的射频功率发生器系统，其中，所述设置点修改器以及所述控制器被集成在一起。
6.根据权利要求5所述的射频功率发生器系统，其中，所述设置点修改器包括一份一览表和一个公式其中之一，以便从所述正向和反向反馈信号计算所述正向功率限值。
7.根据权利要求6所述的射频功率发生器系统，其中，所述功率发生器包括一个功率放大器，并且其中，所述公式根据Γ以及所述功率放大器的最大功率耗散、供电电流、供电电压及输出电压中至少一个，来确定所述正向功率限值。
8.一种用于控制为一个负载产生射频功率信号的射频(RF)功率发生器的方法，包括下列各步骤：
传感一个正向功率反馈信号；
传感一个反向功率反馈信号；
接收一个外部设置点信号；
基于所述正向和反向功率反馈信号来计算一个正向功率限值；以及
基于所述正向功率限值和所述外部设置点信号其中之一，来控制所述射频功率发生器。
9.根据权利要求8所述的方法还包括下列步骤：
从所述正向功率限值和所述外部设置点信号中，选择一个较小的数值；以及
将所述较小的数值传送给一个功率模块。
10.根据权利要求9所述的方法还包括下列步骤：
在所述射频功率发生器中，使用一个射频传感器来产生所述正向功率反馈信号和所述反向功率反馈信号。
11.根据权利要求10所述的方法还包括下列步骤：
使用所述射频功率发生器的所述功率模块，来产生供电电流反馈信号以及温度反馈信号。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，使用一份一览表和一项公式其中之一来计算所述正向功率限值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述功率发生器包括一个功率放大器，并且其中，所述公式定义Γ、所述正向功率限值，以及所述功率放大器的功率耗散、供电电流、供电电压和输出电压中至少一个之间的关系。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过下列各步骤来计算所述公式：
a)在第一电压驻波比下，确定介于0与半波长之间具有最大功率耗散的电缆长度；
b)对于多个电压驻波比数值，重复执行步骤(a)；
c)对于每一个所述电压驻波比数值，为具有所述最大功率耗散的所述电缆长度，确定随正向功率变化的功率耗散的数学近似值；
d)将所述数学近似值参数化为电压驻波比和Γ其中之一的一个函数。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述数学近似为线性近似。
16.为了降低对所述射频功率发生器与所述负载之间的电缆长度变化的敏感性，一种用于控制为一个负载产生射频(RF)功率信号的射频功率发生器的方法，包括下列各步骤：
a)在第一电压驻波比下，确定介于0与半波长之间具有最大功率耗散的电缆长度；
b)对于多个电压驻波比数值，重复执行步骤(a)；
c)对于每一个所述电压驻波比数值，为具有所述最大功率耗散的所述电缆长度，确定随正向功率变化的功率耗散的数学近似值；
d)将所述数学近似值参数化为Γ的一个函数。
e)基于所述参数化，定义一个正向功率限值公式；以及
f)用所述正向功率限值公式对控制器进行编程。
17.根据权利要求16所述的方法还包括下列步骤：
传感一个正向功率反馈信号；以及
传感一个反向功率反馈信号。
18.根据权利要求17所述的方法还包括下列步骤：
接收一个外部设置点信号；以及
基于所述正向功率限值公式，计算一个正向功率限值。
19.根据权利要求18所述的方法还包括下列步骤：
基于所述正向功率限值以及所述外部设置点信号，来控制所述射频功率发生器。
20.根据权利要求19所述的方法还包括下列步骤：
产生一个已修改的设置点信号，它等于所述正向功率限值和所述外部设置点信号中较小的数值。
CNB021053286A 2001-04-06 2002-02-26 降低对电缆长度的敏感性的射频功率发生器的控制器 Expired - Lifetime CN100553126C (zh)

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