CN220254355U - 一种谐振频率跟踪射频电源 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供了一种谐振频率跟踪射频电源，包括锁相环电路、占空比调节电路、驱动电路、功率电路、采样电路、信号处理电路；锁相环压控振荡器输出方波给占空比调节电路，生成两路具有死区和占空比可调节的PWM波形输出到驱动电路，然后生成两路开关管驱动信号到功率电路，功率电路逆变后产生交流方波电压供负载进行工作，最后由采样电路将负载电路两端的交流信号进行采样，并经过信号处理电路形成方波信号传递给锁相环，形成闭环谐振频率跟踪。

Description

一种谐振频率跟踪射频电源
技术领域
本实用新型涉及射频电源中的等离子体电源技术领域，具体涉及一种谐振频率跟踪射频电源。
背景技术
等离子体发生器由等离子体电源和发生器负载所组成，工作于整个集成电路的谐振频率附近时，输出功率、效率等特性达到最佳。在负载工作过程中，工作温度、接触材料的不同，其谐振频率都会发生变化。若电源工作时的供电频率未随之发生变化，轻则效率降低、无法产生等离子体，重则损坏发生器负载。
当射频电源工作频率与负载的谐振频率不相等时，负载部分呈容性或者感性，此时负载的电压和电流之间会存在相位差。这就需要电源电路要对负载频率和相位进行自动监控和调节，并使等离子体发生器一直工作于功率因数接近或等于1的准谐振或谐振状态。
实用新型内容
针对上述技术问题，本实用新型提出一种在考虑等离子体发生器电路集成化、小型化的因素下的谐振频率跟踪射频电源，保证了电源输出频率跟踪负载的谐振频率，提升系统输出性能。
本实用新型提供的技术方案如下：
一种谐振频率跟踪射频电源，包括锁相环电路、占空比调节电路、驱动电路、功率电路、采样电路、信号处理电路；
可选的，所述锁相环电路包括：鉴相器、低通环路滤波器、压控振荡器、频率调节电路和自激启动电路；
所述锁相环电路中鉴相器的两个输入端连接于所述信号处理电路的两个输出端，所述鉴相器用于比较两个输入信号的相位；所述锁相环电路中低通环路滤波器的输入端与所述锁相环电路中鉴相器的输出端相连接，所述低通环路滤波器过滤鉴相器输出电压的高频噪音，形成平均电压；所述锁相环电路中的压控振荡器与所述锁相环电路中低通环路滤波器的输出端相连接，所述压控振荡器输出方波信号，该输出方波信号经后级电路后可反馈给所述鉴相器形成闭环系统，实现所述平均电压控制所述压控振荡器输出方波信号的频率跟踪所述锁相环电路的输入信号，可进行调节使所述锁相环电路的两个输入信号频率相等相位相同。
所述频率调节电路与所述压控振荡器控制端相连接，所述频率调节电路用于调节所述压控振荡器的输出频率范围，从而适应各种不同工况下的最大谐振频率；所述自激启动电路由第三电阻R3、第二电容C2、第一二极管D1组成，第一二极管D1阴极与所述压控振荡器输入端相连接，第一二极管D1的阳极与电源之间串联一个第三电阻R3，第一二极管D1的阳极与地之间串联一个第二电容C2，在所述谐振频率跟踪射频电源上电瞬间，所述自激启动电路提供电源电压送入所述压控振荡器，后逐渐下降，控制所述压控振荡器输出频率从最高频率向最低频率变化，寻找锁相频率点。
可选的，所述占空比调节电路包括：非门、与门、RC充电电路；
所述锁相环电路的输出端分成三路，第一路和第二与门的第一输入端直接连接，第二路和第二与门的第二输入端之间连接由第二可调节电位器与第四电容组成的第二RC充电电路；第二路信号由低电平变成高电平时，第二与门的输出端信号延迟一定时间后再变为高电平，第二路信号由高电平变成低电平时，第二与门的输出端信号立刻变为低电平；第三路连接于非门输入端，非门输出端信号再分成两小路，第一小路和第一与门的第一输入端直接相连，第二小路和第一与门的第二输入端之间连接由第一可调节电位器与第三电容组成的第一RC充电电路；第二小路信号由低电平变成高电平时，第一与门的输出端信号延迟一定时间后再变为高电平，第二小路信号由高电平变成低电平时，第一与门的输出端信号立刻变为低电平；通过调节所述占空比调节电路中第一可调节电位器和第一可调节电位器的阻值，第一与门和第二与门输出两个占空比可调节且具有死区的PWM信号。
可选的，所述驱动电路可以由高低侧半桥电路驱动器构成；
所述驱动电路的两个输入端与所述占空比调节电路的两个输出端相连接，所述驱动电路具有高输出端和低输出端，用于生成两路可靠的开关管驱动信号。使其驱动功率电路中的开关管安全可靠运行。
可选的，所述功率电路可以是半桥逆变电路；
所述驱动电路的高输出端与所述功率电路中第一开关管的G极相连接，所述驱动电路的低输出端与所述功率电路中第二开关管的G极相连接，第一开关管的S极与第二开关管的D极相连接，并与所述功率电路的输出端之间串联第一电感，所述功率电路用于生成交流信号供给所述负载工作使用。所述功率电路具有高压输出端和低压输出端，高压输出端和低压输出端之间连接所述负载；
可选的，所述采样电路可以由差分霍尔板和采样调理电路组成；所述采样电路的输入端与所述高压输出端以及低压输出端连接，用于采集负载电压信号和负载电流信号；
可选的，所述信号处理电路可以有比较器构成；所述信号处理电路的两个输入端分别与所述采样电路的两个输出端连接，对采样信号进行过零比较；所述信号处理电路的两个输出端分别连接于所述锁相环电路中鉴相器的两个输入端，实现信号反馈；通过所述锁相环电路的频率跟踪作用，闭环控制系统可以使所述功率电路的输出电压、电流的频率相等、相位相同，使系统处于最大谐振频率工作。
实用新型带了的有益效果：
1、电路简单，所用芯片少，无需采用单片机和软件，体积小、成本低，易于实现；
2、全部由硬件电路实现，跟踪速度快，锁相稳定，当负载侧发生变化时，可以实时跟踪；
3、硬件电路采样率高，锁相精度高，因此跟踪精度高。
附图说明
图1为本实用新型的电源基本拓扑示意图；
图2为锁相环电路图；
图3为占空比调节电路图；
图4为驱动电路图；
图5为半桥逆变电路图；
图6采样电路图；
图7为负载电路图；
图8为本实用新型的电源原理图；
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步的说明，但并不作为对本实用新型限制的依据。
实施例子：一种谐振频率跟踪射频电源，如图1、图8所示，锁相环电路100、占空比调节电路200、隔离驱动电路300、功率电路400串联起来，之后与负载600连接，再通过采样电路500和信号处理电路700反馈给锁相环电路100形成闭环回路；锁相环电路100中的压控振荡器输出的方波信号114给占空比调节电路200，生成的占空比可调的两路PWM波，即，上管PWM波(HO)208和下管PWM波(LO)209，输出到隔离驱动电路300，隔离驱动电路300生成上管驱动信号301和下管驱动信号302输出到功率电路400，功率电路400产生交流电压409供负载600工作，采样电路500将负载600两端交流电压信号、电流信号采样，并经过信号处理电路700传递给锁相环电路100形成频率跟踪。
如图2所示，所述基于4046的锁相环电路100是由鉴相器(PD)101、压控振荡器(VCO)103、低通滤波器(LF)102、频率调节电路104和自激启动电路105构成；负载的交流电压信号和电流信号分别经过采样电路500的提取和信号处理电路700的处理输出两路方波信号703、704共同进入鉴相器101，鉴相器101通过比较反映负载电压电流信号的两路方波的相位，输出方波电压信号112，该方波电压信号112的大小在一定范围内与输入信号703、704的相位差成正比，方波电压信号112经由低通滤波器102滤除高频噪音以后，形成一个平均电压113，该平均电压113作为压控振荡器103的输入控制电压，平均电压113的大小在一定范围内与输入信号703、704的相位差成正比。该平均电压113作用于压控振荡器103用于使压控振荡器103生成方波信号114，该方波信号114可以对锁相环电路100的两个输入信号703、704的频率进行跟踪。平均电压113朝着使锁相环电路100输入电压信号704和电流信号703的频率差减小及相位差减小的方向改变，直到压控振荡器103输出的方波信号114与锁相环电路100输入信号703、704的频率相等,相位差为零，这种情况为锁定状态。
频率调节电路104用于调节压控振荡器103的输出频率范围，用以适应各种不同工况下的最大谐振频率。
自激启动电路105由第三电阻R3、第二电容C2、第一二极管D1组成，在射频电源上电瞬间，第二电容C2两端电压为0，电源电压直接加在第三电阻R3上，此时自激启动电路105为压控振荡器103输入端提供的为电源电压，控制压控振荡器103输出由频率调节电路104设定的输出频率范围中的最高振荡频率；随着电源电压对第二电容C2充电，第二电容C2两端电压不断增大，第三电阻R3两端的电压不断减小，压控振荡器103的输入电压逐渐下降，控制压控振荡器103的输出信号频率从最高频率向最低频率变化。这样功率电路400的输出电流的频率也会从最高频率向最低频率变化，即锁相环电路100中鉴相器101的输入信号703的频率也会在最高频率与最低频率之间变化，在最高频率和最低频率之间的某一频率点，压控振荡器103的输出方波信号114与锁相环电路100输入的负载电压信号704以及电流信号703的频率相等,相位差为零，说明成功锁相。随着第三电阻R3两端电压不断减小，当第三电阻R3两端电压小于由低通环路滤波电路102提供给压控振荡器103的平均电压时，第一二极管D1承受反向电压，使自激启动电路105与低通环路滤波电路102隔离。本实用新型锁相环电路可以使用4046锁相环，还可以采用其他类型的锁相环电路。
上述的谐振频率跟踪射频电源，所述由频率调节电路104设定的锁相环电路100输出方波信号114的频率范围fmin～fmax的公式为：
其中，fmin和fmax分别表示锁相环电路100输出的方波信号114的最小频率和最大频率，R1表示第一电阻，用于调节输出频率范围的宽度，R2表示第二电阻，用于限定输出频率的最小频率，C1表示第一电容。
如图3所示，所述占空比调节电路200由第一可调节电位器(R4)204、第二可调节电位器(R5)205、第三电容(C3)206、第四电容(C4)207，非门(Q1)201和第一与门(Q2)202、第二与门(Q3)203构成；锁相环电路100输出方波信号114分成三路，第一路方波信号114直接送入第二与门(Q3)203的第一输入端，第二路方波信号114通过一个由第二可调节电位器(R5)205和第四电容(C4)207组成的第二RC充电电路再送入第二与门(Q3)203的第二输入端，第二与门(Q3)203输出低PWM信号(LO)209；锁相环电路100的输出方波信号114由低电平变成高电平时，通过第二RC充电电路，实现第二与门(Q3)203的第二输入端延迟一定时间后再变为高电平；锁相环电路100的输出方波信号114由高电平变成低电平时，第二与门(Q3)203的第二输入端立刻变为低电平，因此第二与门(Q3)203输出端的低PWM信号(LO)209占空比可调且具有一定死区时间；第三路方波信号114经过非门(Q1)201得到反向方波信号208，该反向信号208再分成两小路，其中第一小路直接送入第一与门(Q2)202的第一输入端，另外一小路通过一个由第一可调节电位器(R4)204和第三电容(C3)206组成的第一RC充电电路再送入第一与门(Q2)202的第二输入端，第一与门(Q2)202输出高PWM信号(HO)208；锁相环电路100的输出方波信号114由低电平变成高电平时，通过第一RC充电电路，实现第一与门(Q2)202的第二输入端延迟一定时间后再变为高电平；锁相环电路100的输出方波信号114由高电平变成低电平时，第一与门(Q2)202的第二输入端立刻变为低电平，因此第一与门(Q2)202输出端的高PWM信号(HO)208占空比可调且具有一定死区时间；此两路高低PWM信号(HO)208、(LO)209能保证驱动后级功率电路400中的上下桥臂开关管正常工作，如果不给此高低PWM信号208、209加死区，则半桥上下桥臂的开关管很可能同时导通而形成短路。
上述的谐振频率跟踪的射频电源，所述输出占空比D的公式为
τ＝RC
式中，VIH为与门输入高电平电压，Us为电源电压，T为死区电路输入信号114的周期，τ为时间常数；
如图4所示，隔离驱动电路300由高低侧半桥电路驱动器构成；占空比调节电路200将生成的两路高低PWM信号HO 208、LO 209输入进隔离驱动电路300，高低侧半桥电路驱动器将输入的信号208、209生成两路可靠的驱动信号301、302来驱动下级功率电路400中的开关管。
如图5所示，所述功率电路400是为半桥逆变电路，由第一开关管S1、第二开关管S2和第一电感L1、电容C5、C6及电阻R6、R7、R8、R9构成；所述第一开关管S1的S极与第二开关管S2的D极串联，其中电容C5和电阻R8并联，并串接在第一开关管S1的G极与S极之间；电容C6和电阻R9并联，并串接在第二开关管S2的G极与S极之间；其中R6、R7为开关管的驱动电阻，R8、R9为开关管G极和S极之间的下拉电阻，可为开关管GS极积累的电荷提供泄放回路；占空比可调节的可靠驱动信号301、302驱动第一开关管S1、第二开关管S2，使半桥逆变电路将直流量逆变成交流电压方波信号409。
如图7所示，负载600是可以等效成RLC电路的电路或器件，其寄生电容C7和等效电感L2与第一电感L1构成了LC低通滤波电路，将交流电压方波信号409滤为交流正弦信号411，供负载600使用。
如图6所示，所述采样电路500是由差分霍尔板501、电流采样调理电路502和电压采样调理电路503构成；负载电流信号411通过差分霍尔板501采集得到，再经过电流调理电路502得到带偏置的电流采样正弦线号504，负载正弦电压信号经过电压采样调理电路503，得到带有偏置的电压采样正弦信号505；信号处理电路700主要由比较器组成，信号504和信号505分别进入信号处理电路700中的两个比较器进行过零比较，得到两路方波信号703和704，方波信号704与负载电压信号的频率相等、相位相同，方波信号703与负载电流信号的频率相等、相位相同，此两路方波信号703、704反馈给鉴相器101进行锁相工作，即负载600电压信号和电流信号反馈给锁相环电路100进行锁相工作，形成闭环实现频率相位跟踪。
本实用新型的电源由基于4046的锁相环电路100、占空比调节电路200、驱动电路300、半桥逆变电路400、采样电路500、信号处理电路700和负载600组成，保证了开关管在不同工况下工作频率都维持在最大谐振点，使电源在各种不同工况下能工作在最大谐振频率点，使电源适用于更多类型材料的处理。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本实用新型的原理，应被理解为本实用新型的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本实用新型公开的这些技术启示做出各种不脱离本实用新型实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本实用新型的保护范围内。

Claims (8)

1.一种谐振频率跟踪射频电源，其特征在于：包括锁相环电路(100)、占空比调节电路(200)、驱动电路(300)、功率电路(400)、采样电路(500)、信号处理电路(700)；
所述功率电路(400)具有高压输出端和低压输出端，高压输出端和低压输出端之间连接负载；
所述采样电路(500)与所述高压输出端以及低压输出端连接，用于采集负载电压信号和负载电流信号，所述采样电路(500)的两个输出端分别与所述信号处理电路(700)的两个输入端连接，用于处理采样信号，所述信号处理电路(700)的两个输出端分别连接于所述锁相环电路(100)的两个输入端；
所述锁相环电路(100)的输出端连接于所述占空比调节电路(200)的输入端，所述占空比调节电路(200)用于生成两路占空比可调的PWM信号；
所述占空比调节电路(200)的两个输出端分别连接于所述驱动电路(300)的两个输入端，所述驱动电路(300)用于生成两路开关管驱动信号；
所述驱动电路(300)的两个输出端分别连接于所述功率电路(400)中的两个输入端，所述功率电路(400)用于生成交流电压和交流电流供负载工作，形成闭环谐振频率跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种谐振频率跟踪射频电源，其特征在于：所述锁相环电路(100)包括：鉴相器、低通环路滤波器、压控振荡器、频率调节电路和自激启动电路；
所述信号处理电路(700)的两个输出端连接于所述锁相环电路(100)中鉴相器的两个输入端；
所述锁相环电路(100)中低通环路滤波器的输入端与所述锁相环电路(100)中鉴相器的输出端相连接，所述锁相环电路(100)中的压控振荡器与所述锁相环电路(100)中低通环路滤波器的输出端相连接。
3.根据权利要求2所述的一种谐振频率跟踪射频电源，其特征在于，所述锁相环电路包括：鉴相器、低通环路滤波器、压控振荡器、频率调节电路和自激启动电路。
4.根据权利要求2所述的一种谐振频率跟踪射频电源，其特征在于，所述锁相环电路包括：鉴相器、低通环路滤波器、压控振荡器、频率调节电路和自激启动电路；
所述频率调节电路与所述压控振荡器控制端相连接，所述频率调节电路用于调节所述压控振荡器的输出频率范围，从而适应各种不同工况下的最大谐振频率。
5.根据权利要求1所述的一种谐振频率跟踪射频电源，其特征在于，所述占空比调节电路(200)包括：非门、与门、RC充电电路；
所述锁相环电路(100)的输出端分成三路，第一路和第二与门的第一输入端直接连接，第二路和第二与门的第二输入端之间连接由第二可调节电位器与第四电容组成的第二RC充电电路；第三路连接于非门输入端，非门输出端信号再分成两小路，第一小路和第一与门的第一输入端直接相连，第二小路和第一与门的第二输入端之间连接由第一可调节电位器与第三电容组成的第一RC充电电路。
6.根据权利要求1所述的一种谐振频率跟踪射频电源，其特征在于：所述驱动电路(300)的两个输入端与所述占空比调节电路(200)的两个输出端相连接，所述驱动电路(300)具有高输出端和低输出端，用于生成两路可靠的开关管驱动信号。
7.根据权利要求1所述的一种谐振频率跟踪射频电源，其特征在于：所述功率电路(400)可以是半桥逆变电路；
所述驱动电路(300)的高输出端与所述功率电路(400)中第一开关管的G极相连接，所述驱动电路(300)的低输出端与所述功率电路(400)中第二开关管的G极相连接，第一开关管的S极与第二开关管的D极相连接，并与所述功率电路(400)的输出端之间串联第一电感，所述功率电路(400)用于生成交流信号供给负载工作使用；所述功率电路(400)具有高压输出端和低压输出端，高压输出端和低压输出端之间连接负载。
8.根据权利要求1所述的一种谐振频率跟踪射频电源，其特征在于：所述功率电路(400)具有高压输出端和低压输出端，高压输出端和低压输出端之间连接负载。
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