CN201750341U - 输出电压可调的射频电源 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种输出电压可调的射频电源，要解决的技术问题是提高射频电源的整体效率。本实用新型由直流变换器、E类开关放大器和匹配网络顺序连接，射频电压检测器从匹配网络提取输出的电压幅值信号给比例积分微分脉冲宽度调制控制器，比例积分微分脉冲宽度调制控制器输出脉冲宽度调制信号驱动直流变换器。本实用新型与现有技术相比，采用Class-E开关放大器作为核心电路，利用串联谐振电路对其源漏极电压滤波，形成射频正弦波输出，理论效率高达100％、整机效率可达85％以上，利用直流变换器对输入Class-E开关放大器的直流电压进行调节，在起到电气隔离功能的同时实现了射频电源输出电压幅值灵活可调。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种射频电源，特别是一种可调输出电压的射频电源。
背景技术
射频电源广泛应用于半导体加工、激光发生器、镀膜设备行业，是射频应用的一个重要领域。现有技术的射频电源，通常采用线性射频放大的方法，先形成一个稳定、精确的小幅值正弦波，再用多级放大电路对该正弦波进行放大后输出。各级放大电路需要采用复杂的线性化电路来确保放大的线性特性。由于线性放大电路本身效率不高，导致射频电源整体效率较低，特别是，这种射频电源输出波形较容易被放大器件内外部的热、电磁噪声所干扰。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种输出电压可调的射频电源，要解决的技术问题是提高射频电源的整体效率。
本实用新型采用以下技术方案：一种输出电压可调的射频电源，所述输出电压可调的射频电源直流变换器由直流变换器、E类开关放大器和匹配网络顺序连接，射频电压检测器从匹配网络提取输出的电压幅值信号给比例积分微分脉冲宽度调制控制器，比例积分微分脉冲宽度调制控制器输出脉冲宽度调制信号驱动直流变换器。
本实用新型的直流变换器的第一功率场效应管的漏极与直流电源的正极和第一二极管的负极相连，第一功率场效应管的源极与第二二极管的负极和变压器的初级绕组同名端相连，变压器的初级绕组的异名段与第二功率场效应管的漏极和第一二极管的正极相连，第二功率场效应管的源极与直流电源的负极和第二二极管的正极相连，第一功率场效应管的栅极接比例积分微分脉冲宽度调制控制器的脉冲宽度调制信号输出端，变压器的次级绕组同名端接第三二极管的正极，第三二极管的负极与第四二极管的负极和第一电感相连，第一电感的另一端接第一电容和射频扼流圈，第一电容的另一端接地，变压器的异名端和第四二极管的正极接地。
本实用新型的E类开关放大器的高频电感一端与第一电感相连，另一端与高频场效应管的漏极相连，高频场效应管的源极接地，第二电容一端接高频场效应管的漏极，一端接地，高频场效应管的漏极还与匹配网络的第三电容相连，高频场效应管的栅极接驱动电压。
本实用新型的匹配网络由第三电容、第二电感和第三电感串联连接组成。
本实用新型的述比例积分微分脉冲宽度调制控制器的第一电阻一端接输出电压检测器，另一端经并联的第二电阻、第四电容接运算放大器的反相输入端，运算放大器的反相输入端与输出端接有串联的第三电阻、第五电容，运算放大器的同相输入端通过第四电阻接给定电压，运算放大器输出端接比较器输入端，比较器另一端输入三角波，比较器输出端输出脉冲调制信号给第一功率场效应管和第二功率场效应管的栅极。
本实用新型的输出电压检测器输入端1与第五二极管的正极相连且经第七电容接地，第五二极管的负极与输出电压检测器输出端2相连且分别经第六电容、第五电阻接地。
本实用新型与现有技术相比，采用Class-E开关放大器作为核心电路，利用串联谐振电路对其源漏极电压滤波，形成射频正弦波输出，理论效率高达100％、整机效率可达85％以上，利用直流变换器对输入Class-E开关放大器的直流电压进行调节，在起到电气隔离功能的同时实现了射频电源输出电压幅值灵活可调。
附图说明
图1是本实用新型的电路框图。
图2是本实用新型实施例的电路原理图。
图3(a)是本实用新型的Class-E开关放大器开关管的源漏极电压波形图。
图3(b)是本实用新型的Class-E开关放大器开关管的源漏极电流波形图。
图4是本实用新型的输出电压耦合器连接图。
图5是本实用新型的输出电压检测器电路图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步详细说明。如图1所示，本实用新型的输出电压可调的率射频电源，由DC/DC直流变换器、Class-E开关放大器、匹配网络、射频电压检测器、比例积分微分脉冲宽度调制PID PWM控制器组成。来自直流DC电源的固定幅值直流电压经DC/DC直流变换器变换后输出电压可调的直流电压提供给E类Class-E开关放大器，Class-E开关放大器输出的脉动电压经过匹配网络的串联谐振电路后形成射频正弦波送入射频负载，射频电压检测器从匹配网络提取输出射频电压，产生的输出电压幅值信号提供给PID PWM控制器，PID PWM控制器输出PWM脉冲驱动DC/DC直流变换器。
如图2所示，所述DC/DC直流变换器采用双正激电路，包括第一功率场效应管S1、第二功率场效应管S2、第一至第四二极管D1～D4、变压器T、第一电感L1和第一电容C1。第一功率场效应管S1的漏极与直流电源Udc的正极和第一二极管D1的负极相连，第一功率场效应管S1的源极与第二二极管D2的负极和变压器T的初级绕组同名端相连，变压器T的初级绕组的异名端与第二功率场效应管S2的漏极和第一二极管D1的正极相连，第二功率场效应管的源极与直流电源Udc的负极和第二二极管D2的正极相连，第一功率场效应管S1的栅极接PID PWM控制器的PWM脉冲输出端，第二功率场效应管S2的栅极接PID PWM控制器的PWM脉冲输出端。变压器T的次级绕组同名端接第三二极管D3的正极，第三二极管D3的负极与第四二极管D4的负极和第一电感L1相连，第一电感L1的另一端接第一电容C1和Class-E开关放大器的高频电感RFC，第一电容C1的另一端接地，变压器T的异名端和第四二极管D4的正极接地。通过调节PWM脉冲的占空比，DC/DC直流变换器输出直流电压Ut相应进行改变。
Class-E开关放大器包含高频场效应管Q1、高频电感RFC和第二电容C2，高频电感RFC一端与第一电感L1相连，另一端与高频场效应管Q1的漏极相连，高频场效应管Q1的源极接地，第二电容C2一端接高频场效应管Q1的漏极，一端接地，高频场效应管Q1的漏极还与匹配网络的第三电容C3相连，高频场效应管Q1的栅极接电阻电容振荡电路产生的驱动电压Vin。Vin为数MHz、50％占空比的方波脉冲，输出波形Vin、RFC和C2共同作用形成软开关状态，Q1源漏极电压Vds、源漏极电流Is如图3(a)和图3(b)所示，即两者不重叠，从而理论损耗为零。以一个开关周期对应2π电角度，电路具体的时序关系如下，在0时刻由于Vin为低电平，从而Q1关断，Q1的源漏极电流is随即为零，同时高频电感RFC的电流一部分注入第二电容C2，使Vds由0电压上升，另一部分通过匹配网络的C3、L2、L3向负载RL输出，因为C3、L2、L3的谐振作用，其电流是正弦波，C2中电流也接近正弦波，故Vds电压呈脉动状上升和下降。到π时刻，Vds恰为0。此时，Vin为高高电平，使Q1零电压导通，高频电感RFC在DC/DC直流变换器输出直流电压Ut的作用下，电流上升，故Q1的电流is上升，直至2π时刻，开始另外一个周期。Q1源漏极电压Vds作为Class-E开关放大器的输出电压送入匹配网络。
匹配网络由第三电容C3、第二电感L2和第三电感L3组成，输入的电压Vds经顺序串联的第三电容C3、第二电感L2和第三电感L3后送往输出功率解耦器。C3与L2、L3构成高品质因数的串联谐振电路，其谐振频率为Vin方波脉冲的频率。匹配网络将输入Vds的谐波成分大大抑制，将其基波正弦波滤出，形成射频正弦波波形，通过输出功率解耦器给负载使用。
如图4所示，输出功率耦合器的输入端1接第三电感L3，输出端2接负载RL，耦合端3接输出电压检测器输入端1，隔离端4接电压检测环节的第3端子。输出功率耦合器通过内部耦合线圈提取输出正弦波电压信号送人输出电压检测器。
如图5所示，输出电压检测器输入端1与第五二极管D5的正极相连且经第七电容C7接地，第五二极管D5的负极与输出电压检测器输出端2相连且分别经第六电容C6、第五电阻R5接地。来自输出功率耦合器的输出正弦波电压信号经第五二极管D5整流，第六电容C6滤波后得到输出电压幅值信号送往PIDPWM控制器。
如图2所示，PID PWM控制器包含第一电阻R1、第二电阻R2、第四电容C4、第三电阻R3、第五电容C5、第四电阻R4、运算放大器U1以及比较器U2。第一电阻R1一端接输出电压检测器输出端2，另一端经并联的第二电阻R2、第四电容C4接运算放大器U1的反相输入端，运算放大器U1的反相输入端与输出端接有串联的第三电阻R3、第五电容C5，运算放大器U1的同相输入端通过第四电阻R4接设定电压Vref。来自输出电压检测器的电压幅值信号经过R1、R2、C4后送入运算放大器反相输入端，经与设定电压Vref比较，将误差信号通过运算放大器U1和R1、R2、R3、C4、C5构成的比例积分电路，得到输出调节电压Vt，Vt与电阻、电容振荡构成的三角波信号同时送往比较器U2进行比较，即形成控制DC/DC直流变换器的PWM脉冲。用户可通过设定Vref来调整输出射频电压的幅值，三角波频率由RC乘积决定，幅值可在1-5V。
本实用新型的输出电压可调的率射频电源的工作过程如下：用户通过设定Vref来确定输出射频电压的幅值。PID PWM控制器将输出电压解耦器、输出电压检测器测出的射频电源实际输出电压幅值信号与给定电压Vref比较，将误差比例积分后得到调节控制电压Vt，并送给PWM脉冲形成环节的比较器，经与几十kHz的三角波比较后，形成一定占空比的PWM脉冲，并驱动DC/DC直流变换器的S1、S2开关。DC/DC直流变换器根据输入PWM脉冲的占空比大小，输出相应幅值的直流电压Ut。Ut随后被送入Class-E开关放大器，Q1在数MHz、50％占空比的方波驱动脉冲Vin驱动下开关动作，形成需要幅值的脉动电压Vds。匹配网络的串联谐振电路将Vds的基波滤出，形成射频正弦波波形，经过输出电压解耦器送给负载使用。当负载变动或本射频电源输入直流电压Udc变动时，通过上述过程，控制电路会迅速稳定输出，使其等于用户设定幅值。
Claims (6)
1.一种输出电压可调的射频电源，其特征在于：所述输出电压可调的射频电源直流变换器由直流变换器(DC/DC)、E类(Class-E)开关放大器和匹配网络顺序连接，射频电压检测器从匹配网络提取输出的电压幅值信号给比例积分微分脉冲宽度调制控制器(PID PWM)，比例积分微分脉冲宽度调制控制器(PID PWM)输出脉冲宽度调制信号驱动直流变换器(DC/DC)。
2.根据权利要求1所述的输出电压可调的射频电源，其特征在于：所述直流变换器(DC/DC)的第一功率场效应管(S1)的漏极与直流电源(Udc)的正极和第一二极管(D1)的负极相连，第一功率场效应管(S1)的源极与第二二极管(D2)的负极和变压器(T)的初级绕组同名端相连，变压器(T)的初级绕组的异名段与第二功率场效应管(S2)的漏极和第一二极管(D1)的正极相连，第二功率场效应管的源极与直流电源(Udc)的负极和第二二极管(D2)的正极相连，第一功率场效应管(S1)的栅极接比例积分微分脉冲宽度调制控制器(PID PWM)的脉冲宽度调制信号输出端，变压器(T)的次级绕组同名端接第三二极管(D3)的正极，第三二极管(D3)的负极与第四二极管(D4)的负极和第一电感(L1)相连，第一电感(L1)的另一端接第一电容(C1)和射频扼流圈(RFC)，第一电容(C1)的另一端接地，变压器(T)的异名端和第四二极管(D4)的正极接地。
3.根据权利要求1所述的输出电压可调的射频电源，其特征在于：所述E类(Class-E)开关放大器的高频电感(RFC)一端与第一电感(L1)相连，另一端与高频场效应管(Q1)的漏极相连，高频场效应管(Q1)的源极接地， 第二电容(C2)一端接高频场效应管(Q1)的漏极，一端接地，高频场效应管(Q1)的漏极还与匹配网络的第三电容(C3)相连，高频场效应管(Q1)的栅极接驱动电压Vin。
4.根据权利要求1所述的输出电压可调的射频电源，其特征在于：所述匹配网络由第三电容(C3)、第二电感(L2)和第三电感(L3)串联连接组成。
5.根据权利要求1所述的输出电压可调的射频电源，其特征在于：所述比例积分微分脉冲宽度调制控制器(PID PWM)的第一电阻(R1)一端接输出电压检测器，另一端经并联的第二电阻(R2)、第四电容(C4)接运算放大器的反相输入端，运算放大器的反相输入端与输出端接有串联的第三电阻(R3)、第五电容(C5)，运算放大器的同相输入端通过第四电阻(R4)接给定电压(Vref)，运算放大器输出端接比较器输入端，比较器另一端输入三角波，比较器输出端输出脉冲调制信号给第一功率场效应管(S1)和第二功率场效应管(S2)的栅极。
6.根据权利要求5所述的输出电压可调的射频电源，其特征在于：输出电压检测器输入端1与第五二极管(D5)的正极相连且经第七电容(C7)接地，第五二极管(D5)的负极与输出电压检测器输出端2相连且分别经第六电容(C6)、第五电阻(R5)接地。
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