CN1905375B - 高可靠性的射频发生器结构 - Google Patents
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Abstract
开放的射频RF发生器系统，包括至少一个电源、至少一个从所述电源接收输入的功率放大器，和电源控制模块以及系统控制器。来自至少一个电源的输出可以被组合并施加到各个功率放大器。来自至少一个功率放大器中的各个功率放大器的输出可以组合，以产生一个单个RF信号。补偿模块控制所述至少一个电源的工作。所述补偿模块、系统控制模块以及电源控制器按照菊化链结构通信。
Description
技术领域
本发明涉及射频(RF)功率发生器。
背景技术
本部分中的陈述仅提供了涉及本发明的背景信息，并不构成现有技术。
RF发生器用在诸如制造集成电路的工业应用中。在这些应用中，RF发生器是制造工艺的关键部件。RF发生器还与许多诸如传感器、匹配网络、等离子室等的许多其它器件连接。同样地，移除并替换失效的发生器是昂贵的、耗时的和/或技术上复杂的。
撇开与失效的RF发生器有关的外部风险不说，现在的RF发生器对内部元件的故障或失效的容忍度有限。例如，RF发生器的子模块中单个元件的失效会引起该RF发生器停工。在RF发生器使用例如至多5千瓦的低功率级应用中，停工还是可以接受的，但是在使用更高功率级以制作更大直径硅晶片的应用中，停工是无法接受的。在高功率RF发生器中，对故障和/或失效的有限容忍度，还会导致令人反感的低平均故障间隔时间(MTBF)。
常规的RF发生器一般会有限的或非持续性地储存在硬失效(hardfailure)出现之前发生的高速事件。这会导致用于解决复杂的系统级问题的时间延长。由于晶片加工工具的高度复杂性，有可能会错误地确定正常运转状态下的部件，从而引起系统的不规则。这可能会导致正常工作的RF发生器在没有问题时就被送交返修，这会进一步降低MTBF统计值。
发明内容
根据某些实施例，射频(RF)功率发生器包括产生RF功率的驱动器模块、放大该RF功率的功率放大器模块以及数据获取模块。该数据获取模块包括接收有关该功率放大器模块的诊断数据的第一通信端口。该数据获取模块保存通过该第一通信端口接收故障指示之前预定时段内所接收的数据。
在各个实施例中，RF发生器进一步包括控制模块，该控制模块包括第二通信端口并确定该功率放大器的工作参数。电源控制模块包括第三通信端口并确定向该功率放大器供电的电源的工作参数。该RF功率发生器进一步包括连接该第一通信端口、第二通信端口以及第三通信端口的菊化链通信链路。
在各个实施例中，RF功率发生器包括产生RF信号的RF功率放大器模块、向该功率放大器供电的电源，以及包括第一通信端口并且确定该功率放大器的工作参数的控制模块。电源控制模块包括第二通信端口并且确定电源的工作参数。菊化链通信链路连接该第一通信端口和第二通信端口。
根据某些实施例，RF功率发生器包括产生RF功率的驱动器模块、放大该RF功率的功率放大器模块，以及向该功率放大器模块供电的电源模块。电源控制模块包括第一通信端口并且基于通过该第一通信端口接收故障指示，限制该电源模块的输出参数。
通过此处提供的说明，适用性的更大范围将会变得清楚。可以理解，说明和具体示例只用于例证的目的，并不用于限制本发明的范围。
附图说明
此处描述的附图仅为了示例性的目的，并不用于以任何方式限制本发明的范围。
图1是改进的RF发生器的功能方框图；
图2是改进的RF发生器的第二实施例的功能方框图；以及
图3是包括组合器的RF发生器的功能方框图，该组合器用于组合由至少两个RF发生器产生的功率。
具体实施方式
下列说明实际上仅为示例性，并不用于限制本发明、申请或应用。可以理解，在附图中相应的附图标记自始至终表示相似或对应的部分和特性。
参照图1，示出了RF发生器10的几个实施例中的一个。RF发生器10包括至少两个功率放大器(PA)模块或功率放大器12-1、12-2、12-3和12-4，这些功率放大器模块或功率放大器统称为功率放大器12。功率放大器12的各个功率放大器包括各自的功率晶体管或驱动器模块14-1、14-2、14-3和14-4，这些功率晶体管或驱动器模块统称为功率晶体管14。功率放大器12的输出可与各自的感性箝位电路16-1、16-2、16-3和16-4连通，这些感性箝位电路统称为感性箝位电路16。用于指代相似元件的规定适用于整套申请文件。箝位电路16保护功率晶体管14免受负载瞬变，并且还限制功率晶体管14输送到非常低的阻抗负载中的功率。在某些实施例中，箝位电路16可以包括在各自的功率放大器12中。
在某些实施例中，各个功率放大器12采用推挽式并联功率放大器布局。在其它实施例中，功率放大器12采用半桥接放大器布局。本领域的技术人员会意识到，各种功率放大器布局都可以用来实现功率放大器12。例如，功率放大器12还可以采用具有中空(air cavity)封装的功率晶体管14。中空封装允许功率晶体管14的一个晶体管短路失效，而功率放大器12的另一放大器继续工作。在功率晶体管14的一个独立晶体管在中空封装中短路失效时，在该封装内的连线保险线断开。断开的连线将功率晶体管14的短路的独立功率晶体管有效地与功率晶体管14的另一功率晶体管断开，并且允许它们继续工作，这样的操作可能在静电应力和热应力增加时发生。
至少两个电源模块界定了将交流(AC)电转换为直流(DC)电以供应功率放大器12的电源(PS)模块18。该AC电可以是通过电路断路器(BrKr)20提供的三相电。该AC电还可以施加到辅助(HK)电源模块22，该模块与驱动器电源单元(PSU)协力，以产生供给RF发生器10的各个模块的功率。线性滤波器模块24，例如用于过滤电磁干涉或其它典型的干涉的线性滤波器模块24，也可以用于过滤AC电。
电源模块18向求和(∑)模块26供给DC电流。求和模块26累加输入的DC电流和/或电压，并且向功率放大器12传送累加的电流和/或电压。在某些实施例中，电源模块18和/或求和模块26还包括滤波器网络，该网络对提供给功率放大器12的累加电流进行滤波。如果电源模块18的一个电源失效，那么求和模块26断开该失效的电源模块，从而允许RF发生器10继续工作。
补偿模块28获取、缓冲和/或确定数据，这些数据诸如过程变量和/或各自的定点、提供给功率放大器12的电流和/或电压、由功率放大器12提供的电流和/或电压，和/或各个元件和/或环境空气的温度。所获取的数据暂时或相当永久地存储在追踪缓冲存储器(trace buffer)中。在各个实施例中，补偿模块28确定复数(complex)阻抗负载以及传送的负载功率，并且向驱动器模块14输出控制信号，以改变功率放大器模块21的工作，从而调整自组合器/电压/电流(VI)探测器46的RF输出功率。在某些实施例中，补偿模块28把数据与相应的预定限制进行比较，并且在违反该限制时指示故障情况。在各个实施例中，补偿模块28存储获取的数据用于分析。在某些实施例中，补偿模块28包括通信端口30，用于存储和/或恢复缓冲的数据。通信端口30可采用诸如以太网、RS-232、无线或其它类型接口和/或协议之类的通信链路32。
在某些实施例中，通信链路32提供位于数据获取模块26和其它模块之间的通信路径，其它模快诸如系统控制模块34和电源控制模块36。通信链路32可以采用以菊化链方式连接的高速、可纠错数字链路。与诸如星形和/或总线形的其它连接拓朴相比，菊化链连接减少了电缆数量，并因此可提高RF发生器10的可靠性。
系统控制模块34包括联锁端口40、第二通信端口42以及用户接口44。联锁40是在某些状况下阻止RF发生器10产生RF功率的输入端。例如，联锁40接收指示停工状态的信号，并能遵照这些信号行事，禁用RF发生器10中的大功率部件。系统控制模块34还可包括用户接口48，该接口能用于控制和/或传送RF系统10的各种参数。
根据来自系统控制模块34和/或数据获取模块28的命令，电源控制模块36控制电源模块18。电源控制模块36包括与通信链路32进行通信的通信端口。如果电源模块36接收到故障指示，例如通过通信链路32接收到故障指示，则在某些实施例中，电源模块36限制至少一个电源模块18的输出功率，以保护功率放大器12免受损害。在故障响应方面，电源控制模块36可以与箝位电路16合作，以便进一步保护功率放大器12。在某些实施例中，箝位电缆16对于故障状况的响应时间，快于电源控制模块36对于故障状态的响应时间。
箝位电路16输出RF信号。该RF信号经过组合器/VI探测器46。组合器/VI探测器46组合来自箝位电路16的各个RF输出，以产生组合的RF输出。在某些实施例中，组合器/VI探测器46的VI探测器部分用集成宽带VI探测器实现。VI探测器向数据补偿模块28提供感知的电压和电流信号。VI探测器可以在相对高速率下使能对功率和负载阻抗的实际瞬时确定，同时抑制令人反感的信号，例如互调失真产生的信号。提高的速度使控制系统能更好地对负载波动作反应，以进一步提供高可靠性。VI探测器的示例，可以参照美国专利No.5,508,446以及No.6,522,121，这两份专利的全部内容都合并于此。
图2描述了RF发生器10的不同实施例。图2的RF发生器10可用于实现比图1中示出的RF发生器10低的功率配置。RF发生器10包括具有一对功率放大器的功率放大器12，以及相关的驱动器模块14和箝位电路16。图1和图2中示出的RF发生器10的实施例验证了RF发生器10结构的开放特性(scalable nature)。特别地，虚线所示的电源模块18-3和18-4，表示在图1中具有的而在图2中省略掉的一对电源模块以及伴随的功率放大器电路，它们表明了图1的系统已进行了缩减。同样地，从补偿模块28输出的一对控制线路以虚线出现，以便进一步验证本设计的开放特性。
图3描述了RF系统100的各种实施例。RF系统100包括至少两个RF发生器10-1，10-2，...，10-n，这些RF发生器统称为RF发生器10。RF系统100组合来自至少两个RF发生器10的能量，以产生RF信号。在某些实施例中，各个RF发生器10产生大约13千瓦的RF功率。随后，RF发生器10的输出被组合，以便在RF系统100的输出端产生介于20～40千瓦之间的功率。作为示例，图3可以用集成机架(integrated rack)系统来实现。
图3进一步验证了此处描述的系统的开放特性。在图3中，在组合两个或更多RF发生器10的输出以产生提高的输出功率的系统中，图1或图2的RF发生器单元10作为基本元件来实现。在图3中，RF发生器模块10基本上相同。图1和图2中的单个系统控制模块34控制图1的RF发生器10。
在某些实施例中，各个RF发生器10包括各自的电源模块18、驱动器模块14、功率放大器12以及相关的配套电路。图1或图2中的补偿器28作为从补偿模块28-1和28-2，在各自的RF发生器10-1和10-2中出现。图3的从补偿模块28以类似于对图1和图2的描述那样工作。各个从补偿模块28监控各自的组合器/VI探测器46(未在图3示出)的输出，并产生调整信号给驱动器模块14，以控制各自的PA模块12(未在图3示出)。从补偿模块28还从主补偿模块128接收输入。正如这里进一步描述的，主补偿模块128接收输入并且产生输出信号给从补偿模块28-1和28-2。系统控制模块34以类似于对图1和图2的描述那样工作。
各个RF发生器10输出RF信号到组合器模块102，该组合器模块102按上文所述工作，以组合这些RF输出并产生单个RF输出。该单个RF输出被传送到VI探测器106。VI探测器106产生输出信号108-1和108-2，这些信号对应于RF输出信号104中的电压和电流。主补偿模块128接收该电压和电流信号，并产生输出信号112给各个从补偿模块128-1和128-2。
电源联锁模块114通过联锁线路40与各个RF发生器10通信。电源联锁模块114监控那些需要禁止RF发生器10的状况。作为无限制的示例，如果检测到无掩蔽(exposed)的RF连接，则联锁信号输入到电源联锁模块114。在这种情况下，电源联锁模块114产生信号以禁止RF发生器10。电源联锁模块114还接收经过通过系统控制模块34传递的外部联锁信号。电源联锁模块114通过线路150与系统控制模块34通信，以便还从电源联锁模块114使用的系统控制模块34接收信号，以控制水螺线管(watersolenoids)。作为无限制的示例，如果系统控制模块34检测到冷凝(condensation)状况，则系统控制模块产生信号给电源联锁模块114，以禁止水螺线管，从而限制RF发生器10的壳体内可能的冷凝。在某些实施例中，系统控制模块34和电源联锁模块114还与面板116通信，以提供信息给系统的操作者。
Claims (16)
1.一种射频RF功率发生器，包括：
产生RF功率的驱动器模块；
放大所述RF功率的功率放大器模块；以及
包括第一通信端口的数据获取模块，其接收并保存与分析所述功率放大器模块的输出相关的诊断数据，其中，所述数据获取模块保存在确定所保存的诊断数据指示所述RF功率发生器的故障状态之前预定时段内通过所述第一通信端口所接收的诊断数据，
所述数据获取模块在所保存的诊断数据指示所述故障状态时利用第二通信端口向电源控制模块传送故障指示，所述第二通信端口传送数字数据，以及
所述数据获取模块利用所述第二通信端口在确定所保存的诊断数据指示所述故障状态之后提供所保存的诊断数据。
2.如权利要求1所述的RF功率发生器，其中所述诊断数据包括电压、电流、相角、温度以及过程变量中的至少一个。
3.如权利要求1所述的RF功率发生器，进一步包括与所述功率放大器模块的输出端通信的感性箝位电路。
4.如权利要求3所述的RF功率发生器，进一步包括向所述功率放大器和所述电源控制模块供电的电源，其中所述电源控制模块与所述数据获取模块通信并控制所述电源。
5.如权利要求4所述的RF功率发生器，其中所述电源控制模块基于所述故障指示限制由所述电源输送的功率。
6.如权利要求5所述的RF功率发生器，其中在所述电源控制限制由所述电源输送的功率之前，所述感性箝位电路限制施加到所述功率放大器模块上的负载。
7.如权利要求1所述的RF功率发生器，其中所述功率放大器模块包括中空晶体管封装。
8.如权利要求1所述的RF功率发生器，进一步包括求和模块和至少两个电源模块，所述求和模块基于来自所述电源模块的电流产生第一电流，其中所述第一电流传送到所述功率放大器。
9.如权利要求1所述的RF功率发生器，进一步包括：
控制模块，其包括第二通信端口并确定所述功率放大器的工作参数；
所述电源控制模块，其中所述电源控制模块包括第三通信端口并确定向所述功率放大器供电的电源的工作参数；以及
菊化链通信链路，其连接所述第一通信端口、第二通信端口和第三通信端口。
10.如权利要求1所述的RF功率发生器，进一步包括电压和电流V/I探测器，其根据在所述功率放大器的输出端的经放大的RF功率的电压和电流产生信号。
11.一种射频RF功率发生器，包括：
产生RF功率的功率发生器模块；
放大所述RF功率的功率放大器模块；
向所述功率放大器模块供电的电源模块；
包括第一通信端口的电源控制模块，其基于通过所述第一通信端口接收故障指示，限制所述电源模块的输出参数；以及
接收与所述功率放大器模块相关的诊断数据的数据获取模块，其保存在确定所保存的诊断数据指示所述RF功率发生器的故障状态之前预定时段内的所述诊断数据，在第二通信端口上向所述电源控制模块传送所述故障指示，并利用所述第二通信端口在确定所保存的诊断数据指示所述故障状态之后提供所保存的诊断数据，其中所述诊断数据包括电压、电流、相角、温度以及过程变量中的至少一个，并且其中所述第二通信端口传送数字数据。
12.如权利要求11所述的RF功率发生器，进一步包括感性箝位电流，其与所述功率放大器模块的输出端通信，并在所述电源控制模块限制所述电源输送的功率之前，限制施加到所述功率放大器模块的负载。
13.如权利要求11所述的RF功率发生器，其中所述功率放大器模块包括中空晶体管封装。
14.如权利要求11所述的RF功率发生器，其中所述电源模块包括求和模块和至少两个电源模块，该求和模块基于来自所述电源模块的电流产生第一电流的，其中所述第一电流传送到所述功率放大器模块。
15.如权利要求11所述的RF功率发生器，进一步包括：
控制模块，其包括第三通信端口并确定所述功率放大器的工作参数；以及
菊化链通信链路，其连接所述第一通信端口、第二通信端口和第三通信端口。
16.如权利要求11所述的RF功率发生器，进一步包括与所述功率放大器模块的输出端通信的V/I探测器。
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