CN1691505B - 等离子体功率发生器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种等离子体功率发生器，用于产生准备施加到负载的一个调幅输出，该发生器包括：一个调幅放大器，用于产生一个调制信号；一个固定驱动器，它被连接到调幅放大器，以提供驱动信号，调幅放大器将驱动信号与具有一种波形的输入信号加以组合，以便产生具有与输入信号相对应的波形的调制信号；以及一个输出滤波器，它被连接在调幅放大器与负载之间，以向负载提供调幅输出。

Description

等离子体功率发生器

本申请是申请号为02105373.1、申请日为2002年2月27日、发明名称为“脉冲式智能射频调制控制器”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明一般地涉及提供功率输出的发生器，具体地说，涉及提供经过调制的输出波形的功率发生器。

背景技术

提供经过调制的输出的发生器在若干方面受到用于控制输出的波形传感/控制技术的限制。典型地，常规的发生器使用一种跟踪代表输出波形的传感信号的上升沿的控制方法。通过一种充电—放电—保持电路(CDH电路)来跟踪传感信号的上升沿。CDH电路持续跟踪波形直到经过一段相当于设备稳定时间的预定时间之后，传感信号的数值被测出为止。在输出调制失去作用的同时启动一个保持电路，提供与各项调制参数无关的有效的连续DC输出。通过将测量出的参数乘以脉冲输出的占空度，就能计算出各项输出特性参数，例如所提供的功率。例如，对于50％的占空度，当峰值功率测量值为1000W时，计算出的所提供的输出功率将为500W。

前述的传感/控制技术的限制包括需要预先测量设备的稳定时间，CDH电路的响应限制了系统的带宽，这种技术不能同时跟踪输出波形的上升和下降沿，并且任意幅度的输出波形不是可控制的。通常基于实验室的实验来获得稳定时间，并且把它存储起来以供系统运行之用。根据所驱动的负载阻抗的不同，在许多系统中设备的稳定时间将有所改变。通过使用基于单一负载阻抗的稳定时间，所计算出来的各项输出参数的精度可能根据负载阻抗而有所不同，使得这种控制技术的应用限于已匹配的各种系统，或者那些能容忍计算各项输出特性参数时较高的不精确性的系统。

由CDH电路响应时间所带来的对系统带宽的限制可能是在确定输出波形的最小脉冲宽度时的限制因素。让测量系统(即CDH电路)去限制发生器系统的速度有背于正常的工程实践。不能同时跟踪上升与下降沿使这种控制技术限于控制这样的输出波形，其中，在调制波形的低电平周期内，脉冲返回到0。在不具备同时跟踪上升与下降沿能力的条件下，要想控制任意幅度的调制波形通常是难以做到的。因此，除非发生器系统能容忍各项输出特性参数的不精确产生和测量，常规的发生器控制技术一般限于控制脉冲输出波形。

在有限的工作条件下，常规的发生器控制技术可以被用来提供经过调制的输出波形，尚未证明那些技术能提供不受传感器/测量电路限制的发生器。

发明内容

本发明提供了一种等离子体功率发生器，用于产生准备施加到负载的一个调幅输出，该发生器包括：一个调幅放大器，用于产生一个调制信号；一个固定驱动器，它被连接到调幅放大器，以提供驱动信号，调幅放大器将驱动信号与具有一种波形的输入信号加以组合，以便产生具有与输入信号相对应的波形的调制信号；以及一个输出滤波器，它被连接在调幅放大器与负载之间，以向负载提供调幅输出。

通过下文所提供的详细说明，本发明的其它适用领域变得显而易见。应当理解，在描述本发明的优选实施例时，详细说明和各个特定实例仅为了说明，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，本发明会更易于理解。

图1是一个方框图，表示本发明的一个现有优选实施例；

图2是一个方框图，表示根据本发明连接到脉冲控制器的一种输出检测器；

图3A是一个流程图，表示根据本发明用于控制发生器功率输出的处理过程；

图3B示出了一种描述功率输出的时序关系的波形；

图4是一个流程图，表示根据本发明用于确定延迟时间的处理过程；

图5A示出了根据本发明的一种过驱动放大器的一个实施例；

图5B示出了根据本发明的一种线性射频放大器电路的一个实施例；以及

图6示出了描述等离子体功率发生器的输出包络的几种波形。

具体实施方式

以下关于优选实施例的说明实际上仅仅是示例性的，丝毫不限制本发明及其应用或者用途。参看图1，该图示出了用于向等离子体处理系统(未示出)提供功率输出12的等离子体功率发生器10。本发明的范围包括提供功率输出12，其中受控制的特性参数可以是输出电压、输出电流、输出正向功率、输出反射功率以及输出能量。等离子体功率发生器10包括一个系统控制器14，用于产生控制信号，并处理监测及故障信号。外部接口16通过接口总线连接到系统控制器14，用以跟外部设备和用户交换信息。连接到系统控制器14的驱动器18产生与各控制信号相对应的已缓冲的驱动信号。该驱动信号驱动一个调制器20，后者将整流后的线功率转换为未经滤波的输出。未经滤波的输出被连接到一个输出组件22，后者包括一个输出滤波器24以及一个检测器26。未经滤波的输出在输出滤波器24中进行滤波，以产生功率输出12。检测器26产生一组传感信号，该信号对应于输出电压12的至少一种信号特性。最好是，使用电压/电流探头来作为检测器26，然而，本发明的范围包括使用其他检测器，例如混合器和定向耦合器。脉冲控制器28将传感信号转换为数字化传感信号，并处理输出电压信号特性。脉冲控制器28产生调制信号30以及幅度控制信号32。调制信号30是被连接到驱动器18的单一线信号，用以控制驱动器输出的幅度和频率。数字化反馈信号32是一种数字化信号，它通过数字总线34被连接到系统控制器14。由数字化反馈信号32提供的信息被系统控制器14用来控制功率输出12的幅度。脉冲控制器28特别适于纳入等离子体功率发生器，同时还应当理解，这种脉冲控制器可以应用于提供调制输出的多种发生器之中。

参看图2，图中示出了脉冲控制器28的一个现成的优选实施例的详细方框图。脉冲控制器28包括一个采样器30，它被连接到输出检测器26。采样器30对来自输出检测器26的传感信号进行采样，并将其转换为数字化的传感信号。采样器最好是一个低速模数转换器。处理器32控制采样器30，并处理数字化的传感信号。处理器32最好是一个微控制器，然而，其他的处理器，例如微处理器、数字信号处理器、场可编程门阵列以及可编程的逻辑器件都属于本发明的范围之内。在此优选实施例中，脉冲控制器28和系统控制器14都使用各自的处理器，使得脉冲控制器28可以被置于检测器26附近。存储器34为处理器32提供数据存储功能。

参看图3A和3B，图中分别示出了控制等离子体功率发生器10的过程，以及发生器的输出波形42。在步骤40，确定一段延迟时间，该延迟时间开始于点44，即发生器的输出被命令发生改变，终止于点46，即输出波形42达到一个预定的电平，如经过输出稳定时间之后的一个稳定电平。确定延迟时间的方法包括使用一览表，接收一个外部输入，通过运行一种迭代过程来动态地确定延迟时间，在本说明书后面的章节中，将对迭代过程进行详细说明。一览表包括各种延迟时间，它们可能随几种工作参数而变化，例如稳定时间、初始输出电压电平、最终输出电压电平以及温度。最好是通过测量对应于发生器10的实际工作状态的稳定时间，来确定那些工作参数相应的各种延迟时间。然而，通过计算各种延迟时间，运行计算机仿真程序，以及测量与基线发生器有关的各种延迟时间来确定一览表中的各种延迟时间，都属于本发明的范围之内。在步骤48，输出电压调制开始于点44。在步骤50，在测量发生器输出之前，脉冲控制器28等待预定的时延。在步骤52，脉冲控制器28对发生器输出进行采样(点46)。在步骤54，经过采样的发生器输出被转换为数字化信号。通过估计时延，在状态发生改变之后，仅需对输出的一个单独的样本进行数字化，以确定发生器输出电平。因此，为了将采样输出转换为数字化信号，最好是使用一种相对较慢的模数转换器。此外，由采样信号到数字化信号的转换最好在物理上靠近检测器26的位置上完成，以便使耦合到采样信号的噪声最小。与此相对比，常规的发生器使用一种速度很快的采样器与模数转换器的组合，在从输出的调制开始到输出达到稳定为止这段时间内，连续地对发生器输出进行采样和转换。速度非常快的采样器与模数转换器的组合是十分昂贵的，并且由于高速运行导致在采样器中引起开关噪声和误差，从而给输出的测量带来了误差。在步骤56，根据数字化信号，调制电平受到调节，以便降低发生器输出与参考电压之间的任何误差。

参看图4，图中示出了从调制开始到发生器输出达到稳定为止这段时间的确定过程。在步骤60，发生器的各项波形特性参数被选定。可选择的各项波形特性参数包括初始电压电平、最终电压电平、频率、上升时间、下降时间以及脉冲时间周期。在步骤62，启动输出调制。调制波形最好被设置为单脉冲，然而，其他波形，例如广泛地散布的脉冲突发信号，以及广泛地散布的连续的脉冲序列也都属于本发明的范围之内。在步骤64，基于一种检索标准，例如二进制检索或顺序检索来选择一个估计的延迟时间。估计的延迟时间表示从调制开始直到发生器的输出达到稳定为止所期望经过的估计时间。在步骤66，当估计的延迟时间已经度过时，从输出中取出一个样本。最好是，输出每转变一次，就仅取出信号的一个样本，这样一来，就可以使用低速的、廉价的模/数转换器。在步骤68，经过采样的输出被转换为数字化信号。在步骤70，对数字化信号进行评估，以便确定输出是否已经完成状态转变并且达到稳定。若输出尚未达到稳定，则控制过程返回到步骤62，并且发送另一个调制脉冲。若输出已经达到稳定，则在步骤72，将延迟时间以及各项波形参数存储到一览表之中，供以后参考之用。

参看图5A和5B，图中示出了对等离子体功率发生器输出进行调幅的两种方法。调幅的输出被用来更精细地控制正在使用等离子体功率发生器的处理过程。用任何波形或频率的第二波形对工作在任何频率的一个等离子体处理系统发生器的输出(包括直流)进行调幅，以便产生任意的输出包络。可以对发生器输出的频谱进行控制，以产生在原始输入中所没有出现过的其它频率。此外，幅度、输入频率以及输入的衍生，都随调制信号的幅度和直流偏移而变化。

在图5A，对过驱动放大器82的电源电压进行调制，以产生等于所施加的电压包络的平方的功率包络。固定驱动84提供一种信号，用以对放大器82进行过驱动。由调制器86产生电源电压80，前者如线性电源以及开关式电源。调制器86被输入信号88所驱动，后者具有周期性或非周期性的波形。使用过驱动放大器82可以取得大于100kHz的带宽。通过改变电源电压80的调制器，在发生器输出的包络中产生波形的复制品。

参看图5B，图中示出了根据本发明原理的另一个调幅的实施例。用输入信号92对固定驱动90进行乘法运算，以产生一个经过调制的输入信号94，送往线性射频放大器96。线性射频放大器96对经过调制的输入信号94进行放大，以产生用于调制等离子体功率发生器输出的信号。图5B的线性放大器的实施例有利地产生与图5A的电源电压调制相同的调幅输出，并且具有更宽的调制带宽。虽然，仅说明了两种用于对等离子体功率发生器输出进行调幅的技术，但是，本发明的范围包括使用其他多种方法来对等离子体功率发生器的输出进行调幅。

参看图6，图中示出了根据本发明原理具有调幅输出的等离子体功率发生器的波形的几个实例。第一种波形100表示发生器的一个输出，通过采用方波来调制预选频率的正弦波，以一种受控的方式使得方波的前后沿陡直。通过选择较低频率的正弦波，将使脉冲的前后沿变得更圆滑。

波形102表示调幅发生器输出的一个实施例的一个输出信号的实例，其中，高度复杂的波形得以再现。

波形104和106表示调幅发生器输出的一个实施例的多个输出信号，其中，幅度和偏移在发生器的动态范围以内任意变化。

波形108表示调幅发生器的一个实施例的一个输出信号，其中，产生了多个频率。有利的是，仅需要一个调幅发生器来产生输出信号，而不必使用多个发生器，其中每个发生器产生输出信号的一个不同频率分量。

本发明的说明实际上仅仅是示例性的，因此，不背离本发明的要点的各种改变都纳入本发明的范围之内。这样的改变不应当被认为背离本发明的实质和范围。

Claims (6)

1.一种等离子体功率发生器，用于产生准备施加到负载的一个调幅输出，该发生器包括：

一个调幅装置，用于产生一个调制信号；

一个固定驱动器，它被连接到调幅装置，以提供驱动信号，调幅装置将驱动信号与具有一种波形的输入信号加以组合，以便产生具有与输入信号相对应的波形的调制信号；以及

一个输出滤波器，它被连接在调幅装置与负载之间，以向负载提供调幅输出。

2.根据权利要求1所述的等离子体功率发生器，还包括：

一个检测器，用以产生一个表示调幅输出的传感信号；

一个模数转换器，它被连接到检测器，以便将传感信号转换为数字化信号；

一个脉冲控制器，它被连接到模数转换器，以根据数字化信号来控制调制信号的幅度，使得能够控制调幅输出以跟踪参考波形。

3.根据权利要求1所述的等离子体功率发生器，其中，调幅装置包括：

一个调制器，它能响应输入信号产生一个电源电压，该电源电压具有与输入信号波形相应的波形；

一个过驱动放大器，它被连接在固定驱动器与输出滤波器之间，过驱动放大器具有一个连接到调制器的电源输入，用于接受电源电压。

4.根据权利要求3所述的等离子体功率发生器，其中，调制器是一种开关式电源。

5.根据权利要求3所述的等离子体功率发生器，其中，调制器是一种线性电源。

6.根据权利要求1所述的等离子体功率发生器，其中，调幅装置包括：

一个乘法器，用于将驱动信号与输入信号加以组合，以形成一个组合信号；以及

一个线性放大器，它被连接在乘法器与输出滤波器之间，以产生调制信号，其中，调制信号对应于组合信号。

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