KR20140096149A

KR20140096149A - Rf 램프용 rf 시스템

Info

Publication number: KR20140096149A
Application number: KR1020147017184A
Authority: KR
Inventors: 홀거 호이어만; 아라쉬 사데그팜
Original assignee: 드리테 파텐트포트폴리오 베타일리궁스게젤샤프트 엠베하 운트 코. 카게
Priority date: 2011-11-23
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2014-08-04
Also published as: EP2783553B1; TW201338631A; EP2783553A1; ES2942568T3; US20150115842A1; RU2014118753A; CA2854589A1; HK1199162A1; BR112014012376A2; JP2014533879A; MX2014006111A; US9155164B2; DE102011055624A1; CN103947298A; WO2013076174A1; EP4181628A1

Abstract

본 발명은 RF 시스템(1)에 관한 것으로서, RF 시스템(1)은 특히 RF 램프, RF 스파크 플러그 또는 유사한 RF 플라즈마 응용 장치인 RF 장치(5), 및 상기 RF 장치(5)를 동작시키는 RF 신호 커플링-인 장치(3)를 포함한다. RF 시스템은 상기 RF 장치(5)를 동작시키기 위한 RF 신호를 생성하는 발진기(7)를 포함하고, 상기 시스템은 상기 발진기(7)에 의해 생성된 상기 RF 신호와 상기 RF 장치에 의해 반사된 신호에 기초해서 상기 RF 장치(5)의 매칭도에 비례하는 전압 신호(U_prop)를 생성하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 더욱이 상기 시스템은 상기 RF 장치(5)의 적응의 정도에 비례하는 전압 신호(U_prop)에 기초해서 상기 발진기(7)의 출력 주파수에 적응시키기 위한 제어 신호(U_A)를 생성하는 장치(27), 바람직하게는 마이크로프로세서가 없는 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

RF 램프용 RF 시스템{RF SYSTEM FOR A RADIO-FREQUENCY LAMP}

본 발명은, 청구항 1의 전제부에 따른 RF(radio frequency) 시스템, 청구항 14의 전제부에 따른 신호 커플링-인(coupling-in) 장치, 및 청구항 15의 전제부에 따른 RF 장치 동작 방법에 관한 것이다.

본 명세서에 설명된 형태의 RF 시스템은 예컨대 WO 2009/068618 A2에 공지되어 있다. RF 시스템은 고주파수, 특히 2.45GHz의 ISM 대역에서 RF 램프와 같은 RF 장치가 효율적으로 동작하도록 하는 역할을 한다. RF 장치, 특히 RF 램프, RF 스파크 플러그 또는 유사한 RF 플라즈마 응용 장치의 동작은 램프의 좋은 RF 매칭(radio frequency matching)을 전제로 한다. 램프의 매칭은 주파수에 의존하고, 발진기에 의해 생성된 RF 신호의 어떤 부분이 동작을 위해 램프에 의해 사용될 수 있는지를 나타내는 기준이 된다. 제공되는 RF 신호의 주파수에 대해 RF 장치가 많이 매칭될수록, 램프에 의해 반사된 신호의 부분은 작아진다. 따라서. RF 장치의 매칭은 RF 시스템의 전체 효율에 큰 영향을 미친다. 특히, RF를 사용하여 동작하는 에너지 절약형 램프의 경우, RF 시스템에서 최적 매칭 주파수로부터의 몇 10MHz 크기 정도의 동작 주파수 편차가 발생하면 50% 이상의 효율 감소가 일어날 수 있다. 제공되는 RF 신호의 주파수에 대한 RF 장치의 매칭은 다수의 인자들(factors)에 의존한다. 이러한 인자들은 특히 RF 장치의 전자 부품들에서의 노화에 의한 변화, 열적 반응 및 제조 공차들에 관한 것이다. 더욱이, 도 1로부터 명확해지는 것과 같이 매칭의 위치 및 일반적으로 매칭의 크기 또한 RF 장치의 시동(ignition) 후에 변경된다. 도 1a는 시동 전에 RF 장치에 제공되는 RF 신호의 동작 주파수 f₀에 대한 개략도를 도시하고, 도 1b는 RF 장치의 시동 후에 제공되는 동일한 신호를 도시한다. RF 장치의 시동 이후, 동작 주파수 f₀'가 이동(shift)해서 더 이상 RF 장치의 최적 동작 주파수에 대응하지 않게 된다는 점이 명백하다. 이 경우, RF 장치의 매칭은 더 이상 최적이 아니며 RF 장치에 제공된 RF 신호의 반사가 일어난다. 이는 상술한 바와 같이 RF 장치의 효율을 상당히 감소시킬 수 있다.

종래 기술은, RF 장치의 매칭에 대한 동적 폐루프 제어(dynamic closed-loop control)를 위해 제안된 제어 회로를 개시한다. 상기 회로는 예를 들어 증폭기 개발 및 MHz 플라즈마 기술 분야에서 공지된 가변 커패시터를 이용한다. 이 경우, 임피던스 변환을 수행하기 위해, 스테퍼 모터(stepper motor)들에 연결된 가변 커패시터들이 이용된다. 이러한 해결 방법은 RF 장치의 아날로그 매칭을 가능하게 하지만, 폐루프 제어를 수행하며 개별 설정을 형성하는 마이크로 제어기를 필수적으로 사용한다. 결과적으로, 우선 동적 매칭 시간이 길어지며, 또한 회로가 상대적으로 복잡하고 고가가 된다.

더욱이, 예를 들어 이동 무선 분야에서, 고주파 스위칭 네트워크를 제공하는 기술이 공지되어 있으며, 이 네트워크는, 스위치 온 및 오프되는 서로 다른 유도성 및 용량성 소자들에 의해, 안테나를 동적으로 매칭시키기 위한 이산 상태를 갖는 매칭 매카니즘을 구현할 수 있다. 이러한 해결 방법은 부하 임피던스들의 큰 변화에 대해 이산 매칭 값들을 실현할 수 있게 해준다. 구현될 수 있는 이산 단계들 및 보상 가능한 부하 편차들은 스위칭 상태들 및 매칭 메커니즘들의 요소들(elements)의 수에 의존한다. 이러한 해결 방법은 또한 필수적으로 마이크로 제어기를 사용하도록 요구하며, 이는 다시 전체 시스템을 복잡하고 상대적으로 고가로 만든다.

따라서, 본 발명의 목적은 간단하고, 비용 효율적이며 효과적으로 최적 동작 주파수에 RF 장치의 매칭을 구현하는 RF 장치 및 RF 신호 커플링-인 장치를 포함하는 RF 시스템을 제공하고자 함이다.

청구항 1의 특징을 포함하는 RF 시스템이 상술한 목적을 달성하기 위해 제안된다. 본 발명에 따른 RF 시스템은 특히 RF 램프, RF 스파크 플러그 또는 유사한 RF 플라즈마 응용 장치인 RF 장치, 및 RF 장치를 동작시키는 RF 신호 커플링-인(coupling-in) 장치를 포함하며, 여기에서 RF 신호 커플링-인 장치는 RF 장치를 동작시키기 위한 RF 신호를 생성하는 발진기를 포함한다. RF 시스템은 발진기에 의해 생성된 RF 신호 및 RF 장치에 의해 반사된 신호에 기초해서, RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호를 생성하는 수단, 및 RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호에 기초해서, 발진기의 출력 주파수를 매칭시키기 위한 제어 신호를 생성하는 장치로서 바람직하게는 마이크로프로세서가 없는 장치에 의해 구별된다.

따라서, 본 발명의 요점은 RF 장치의 최적 매칭이 시동(ignition) 시간과 동작 중에 보장되는 것이며, 이는 제어 신호의 주파수를 RF 장치의 최적 매칭 주파수로 동적으로 제어하는 제어 회로에 의해 수행된다. 그러한 제어 회로는 ALL 회로(Amplitude Locked Loop circuit)로써 지정될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 RF 시스템, 특히 본 발명에 따른 RF 신호 커플링-인 장치는 시동 시간 및 에너지 절약 램프의 동작 동안 RF 장치(특히 에너지 절약 램프)의 매칭에 대한 RF 신호의 주파수 위치와 관련된 아날로그 및 동적 폐루프 제어(analog and dynamic closed-loop control)를 가능하게 해준다. 종래 기술에서 이미 공지된 해결 방법과는 대조적으로, 본 발명은 바람직하게는 마이크로 제어기를 필요로 하지 않으며, 오히려 회로 소자들을 제어하기 위해 필요한 논리 유닛을 형성시키는 몇몇 논리 게이트들만을 필요로 한다. 이에 의해 전체 RF 시스템은 상당히 단순하게 되고 필요에 따라 개별 반도체 IC상에 구현될 수 있다.

본 발명의 필수적인 기본 개념은 RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호가 생성되고, 이 목적을 위한 대응하는 수단을 제공하는 것이다. 여기서, RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호는 발진기에 의해 생성되는 RF 신호 및 RF 장치에 의해 반사되는 신호에 기초해서 생성된다. 그 후, RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호는 바람직하게는 마이크로 프로세서가 없는 장치(특히 적어도 하나의 로직 게이트를 사용하는)에서 추가로 처리되는데, 이러한 방식에 따르면 극히 짧은 시간 내에 발진기의 출력 주파수를 매칭하기 위한 제어 신호를 출력하는 것이 가능해진다.

RF 장치의 최적 매칭을 갖는 주파수로의 동작 주파수의 아날로그 폐-루프 제어는 본 발명의 RF 시스템에 의해 행해진다. 이 경우, RF 플라즈마가 최적 주파수에서 신뢰성있게 시동되는(ignited) 것이 보장된다. 램프가 최적의 주파수에서 동작되는 것 또한 보장된다. 예를 들어 전자 부품들에서의 노화에 의한 변화, 열적 반응 및 제조 공차들에 기인할 수 있는, 동작 주파수와 최적 주파수 사이의 편차들이 시동 및 동작 중에 고려되는 것 또한 보장된다. 마이크로 제어기가 없어짐에 따라, 이제 제어 시간이 실질적으로 단지 게이트 트랜짓 시간(transit times)이기 때문에, 본 발명에 따른 바람직한 RF 시스템은 동작 주파수의 신속한 폐루프 제어를 달성한다. 더욱이, RF 신호 커플링-인 장치의 전체 회로 배치는 개별 논리 게이트들만을 필요로 하므로 더욱 콤팩트해진다. 적절하다면, 회로 배치를 개별 반도체 IC에 구현할 수 있다. 대량 생산을 위한 콤팩트하고 편리한 접근 방법을 반도체 IC를 통해 실현할 수 있다. 하드웨어가 적게 사용되며 소프트웨어를 필요로 하지 않아 훨씬 덜 복잡한 새로운 개발품이라는 것이 본 발명에 의해 제공되는 추가적인 장점이다. 더욱이, 소프트웨어가 필요치 않다는 사실은 소프트웨어 버그가 또한 발생하지 않아서, RF 시스템 전체가 외란에 덜 민감하다는 것을 의미한다.

RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호를 생성하는 수단이, 발진기에 의해 생성된 RF 신호의 일부분을 커플링-아웃(coupled-out)하는 적어도 하나의 커플링-아웃 장치 및 RF 장치에 의해 반사된 신호의 일부분을 커플링-아웃하는 적어도 하나의 추가적인 커플링-아웃 장치를 포함하도록 구성되어 있는 RF 시스템이 특히 바람직하다. 더욱이, 바람직하게는 발진기에 의해 생성된 RF 신호의 커플링-아웃된 부분의 전압 신호를 검출해서 출력하는 전압 검출 장치, 및 RF 장치에 의해 반사된 신호의 커플링-아웃된 부분의 전압 신호를 검출해서 출력하는 적어도 하나의 추가적인 전압 검출 장치가 제공된다. RF 장치의 매칭도에 비례하는 실제 전압 신호를 생성하기 위해, RF 장치에 의해 반사된 신호의 커플링-아웃된 부분의 전압 신호와 발진기에 의해 생성된 RF 신호의 커플링-아웃된 부분의 전압 신호에 기초해서, RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호를 생성하는 장치, 특히 적어도 하나의 연산 증폭기가 제공된다.

대안으로, RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호를 생성하는 수단은 서큘레이터(circulator)를 포함할 수 있으며, 서큘레이터는 발진기에 의해 생성된 RF 신호의 일부분을 커플링-아웃하고, RF 장치에 의해 반사된 신호의 일부분을 커플링-아웃하도록 설계되며, 적절하다면 커플링-아웃된 부분들의 대응하는 전압 신호들을 검출해서 출력한다. 바람직하게, 서큘레이터는 커플링-아웃된 부분들의 전압 신호들에 기초해서, RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호를 생성하는 적어도 하나의 장치, 특히 적어도 하나의 연산 증폭기 또는 적어도 하나의 증폭기 회로를 포함한다.

더욱 바람직한 RF 시스템에서, 발진기의 출력 주파수를 매칭시키기 위한 제어 신호를 생성하는 마이크로프로세서가 없는 장치는 바람직하게는 논리 유닛을 포함하며, 논리 유닛은 적어도 하나, 바람직하게는 3개의 조건들에 기초해서 발진기의 입력 주파수를 매칭시키기 위한 제어 신호를 출력하는 적어도 하나, 바람직하게는 2개의 논리 게이트를 갖는다. 더욱이, 논리 유닛은 시프트 레지스터에 연결될 수 있으며, 시프트 레지스터는 논리 유닛의 출력 신호를 수신하기 위해 제공된다. 더욱이, 바람직하게 마이크로프로세서가 없는 장치는 또한 논리 유닛의 출력 신호를 클로킹(clocking)하는 클록 생성 장치를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 인공 디지털 신호가 생성되거나 클록될(clocked) 수 있다. 바람직하게는, 발진기를 제어하기 위해, 논리 유닛은 아날로그 출력 전압을 생성하기 위한 루프 필터를 통해 발진기에 연결된다. 아날로그 출력 주파수는, 특히 루프 필터에 의해 평활화되고 있는 논리 유닛의 디지털 출력 신호에 의해 생성된다. 대안으로, 루프 필터를 대신하여, 발진기의 주파수를 제어하기 위해 전하(charge) 펌프 장치(전하 펌프들)가 아날로그 출력 전압을 생성하는 데에 제공될 수 있다. 추가적인 대안으로서, 루프 필터 및 전하 펌프 장치를 둘 다 생략할 수 있고, 이를 대신하여 바람직하게는 마이크로프로세서가 없는 장치, 특히 논리 유닛이 발진기의 주파수를 제어하기 위한 아날로그 출력 전압을 생성하도록 설계된다. 바람직하게는, RF 시스템은 부가적으로 발진기를 기정의된 상태에 두도록 설계된 리셋 회로를 포함한다. 결과적으로, 리셋 회로는 발진기의 기정의된 상태, 특히 기정의된 동작 주파수를 설정할 수 있게 해준다.

청구항 1 내지 13 중 어느 한 항에 따른, RF 시스템에서 이용하기 위한 신호 커플링 장치가 상술된 목적을 달성하기 위해 또한 제안된다.

마지막으로, 특히 RF 램프, RF 스파크 플러그 또는 유사한 RF 플라즈마 응용 장치인 RF 장치를 동작시키는 방법이 상술된 목적을 달성하기 위해 추가적으로 제안된다. 방법은 발진기를 사용하여, RF 장치를 동작시키기 위한 RF 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 방법은 발진기에 의해 생성된 RF 신호 및 RF 장치에서 반사된 신호에 기초해서, RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다. 더욱이, 방법은 RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호에 기초해서, 발진기의 출력 주파수를 매칭시키기 위한 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.

발진기의 출력 주파수를 매칭시키기 위한 제어 신호를 생성하기 전에, RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호에 기초해서, 제 1 조건을 생성하는 단계를 포함하는 방법이 바람직하다. 상기 제 1 조건은 바람직하게는 RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호를 기정의된 전압값과 비교함에 의해 획득된다. 발진기의 출력 주파수를 매칭시키기 위한 제어 신호를 생성하기 전에, RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호에 기초해서, 제 2 조건을 생성하는 것이 또한 바람직하다. 특히, 이 경우 제 1 조건은 RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호를 도출함에 의해 획득다. 본 발명에 따른 방법은 또한 제 1 조건, 제 2 조건 및, 또한 특히 제 3 조건을 하나 이상의 논리 게이트들로 전달하는 단계, 및 논리 게이트 또는 논리 게이트들에 기초하는 진리표(truth table)에 기초해서, 발진기의 출력 주파수를 매칭시키기 위한 제어 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 방법의 장점들과 관련해서, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 RF 시스템의 장점을 참조한다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명이 더욱 상세하게 설명된다.
도 1a는 RF 장치의 시동(ignition) 전의 동작 주파수에 대한 개략적인 그래프를 도시한다.
도 1b는 RF 장치의 시동 후의 동작 주파수에 대한 개략적인 그래프를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 RF 시스템의 예시적인 실시예에 대한 개략적인 회로도를 도시한다.
도 3은 발진기의 출력 주파수를 매칭시키기 위한 제어 신호를 생성하는, 바람직하게는 마이크로프로세서가 없는 장치의 예시적인 실시예에 대한 개략적인 회로도를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 논리 유닛의 예시적인 실시예에 대한 개략도를 도시한다.
도 5는 논리 유닛에 의해 구현되는 진리표를 도시한다.
도 6은 클록 생성 장치의 예시적인 실시예에 대한 개략도를 도시한다.
도 7은 루프 필터의 예시적인 실시예에 대한 개략도를 도시한다.
도 8은 리셋 회로의 예시적인 실시예에 대한 개략도를 도시한다.

도 2는 본 발명에 따른 RF(radio frequency) 시스템(1)의 실시예에 대한 개략도를 도시한다. RF 시스템(1)은 RF 신호 커플링-인(coupling-in) 장치(3) 및 RF 장치(5)를 포함한다. RF 장치(5)는 RF 램프, RF 스파크 플러그 또는 유사한 RF 플라즈마 응용 장치일 수 있다. 본 발명은 전적으로 이하에서 참조 부호(5)를 사용하는 RF 램프에 기반하는 일 예로써 설명된다.

RF 신호 커플링-인 장치(3)는 RF 램프(5)를 동작시키는 역할을 한다. 이러한 목적을 위해, RF 신호 커플링-인 장치(3)는 발진기(7)를 이용해서 RF 램프(5)의 시동 및 동작을 위한 동작 주파수를 갖는 RF 신호를 생성한다. 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 RF 시스템(1)의 실시예의 경우에, 증폭기(9) 및 감쇠 소자(11)가 발진기(7)에 연결된다. 이를 통해 추가적인 증폭기(13)를 사용하여 발진기(7)의 출력 신호가 동작 전력까지 증가되기 이전에, 발진기(7)의 출력 신호는 증가되거나 감소될 수 있다. 증폭기(9 및 13) 및 감쇠 소자(11)는 선택적이며, 생략되거나 다른 적절한 소자들로 대체될 수 있다. 또한, RF 램프(5)와 발진기(7) 간의 다른 조합들의 장치 또한 가능하다.

RF 신호 커플링-인 장치(3)는 RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호를 생성하는 수단을 더 포함한다. 이 수단은 참조 부호(15)를 이용하여 요약되고 있다. 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 수단(15)은 2개의 커플링-아웃(coupling-out) 장치들(17 및 19)을 포함한다. 여기에서, 커플링-아웃 장치(17)는 발진기(7)에 의해 생성된 RF 신호의 부분 "a"를 커플링-아웃하는 역할을 하는 반면에, 커플링-아웃 장치(19)는 RF 램프(5)에 의해 반사된 신호의 부분 "b"를 커플링-아웃하는 역할을 한다. 램프가 발진기(7)에 의해 생성된 RF 신호의 주파수에 최적으로 매칭되지 않을 경우에만 RF 램프(5)에 의해 신호 "b"가 반사된다는 점은 당연하다. 따라서, 커플링-아웃 장치(17)는 RF 램프(5)를 향하여 진행하는 전력을 커플링-아웃하는 역할을 하는 반면에, 커플링-아웃 장치(19)는 RF 램프(5)에서 나오는 전력, 즉 RF 램프(5)에 의해 반사된 전력을 커플링-아웃하는 역할을 한다.

또한, 참조 부호(15)로 표시된 수단은 전압 검출 장치(21)(검출기)를 포함하며, 전압 검출 장치(21)(검출기)는 발진기(13)에 의해 생성된 RF 신호의 커플링-아웃된 부분 "a"의 전압 신호를 검출해서 출력하는 역할을 한다. 아울러, RF 램프(5)에 의해 반사된 신호 "b"의 커플링-아웃된 부분의 전압 신호를 검출해서 출력하는 역할을 하는 전압 검출 장치(23)(검출기)가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 전압 검출 장치(21 및 23)가 생성하는 2개의 전압 신호들이, 전압 검출 장치들(21 및 23)의 출력 전압에 기반하여 램프 매칭에 비례하는 전압 U_prop을 생성하는 공통의 연산 증폭기(25)로 제공된다.

참조 번호(15)에 의해 식별되는, RF 램프의 매칭도에 비례하는 전압 신호 U_prop를 생성하기 위한 수단의 실시예에 대한 대안으로서, 커플링-아웃 장치들(17 및 19) 대신 서큘레이터가 사용될 수 있다. 서큘레이터는 RF 램프(5)와 발진기(7) 사이의 연결부로부터 RF 램프(5)의 반사된 신호를 커플링-아웃하여, 그것을 제어된 변수로 이용할 수 있게 해준다. 그러나, 발진기(7)의 RF 신호는 그 과정에서 소실된다. 이 경우, 연산 증폭기(25)는 생략되거나 증폭 회로로 대체될 수 있다. RF 램프의 매칭도에 비례하는 전압 신호를 생성하는 수단(15)의 추가적인 실시예에서, 발진기(7)에 의해 생성된 RF 신호의 부분과 램프(5)에 의해 반사된 RF 신호의 부분 모두를 각각 커플링-아웃할 수 있는 단지 하나의 커플링-아웃 장치(17 또는 19)를 제공하기 위한 수정이 또한 이루어질 수 있다.

요점은, 발진기(7)의 RF 신호 및 램프(5)에서 반사된 신호로부터 RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호를 생성하는 장치가 제공된다는 것이다. 다시 말해, RF 장치의 매칭도에 비례하는 생성 전압 신호는 RF 램프(5)를 통과한 발진기(7)의 RF 신호가 얼마나 많이 RF 램프(5)에서 반사되어, 그 결과 RF 램프의 부정합이 얼마나 커지는가에 대한 기준이 된다.

후속 단계에서, 본 발명에 따르면, 발진기(7)의 출력 주파수를 매칭시키기 위한 제어 신호를 생성하기 위해, 바람직하게는 마이크로프로세서가 없는 장치(27)에, 램프 매칭에 비례하는 전압 U_prop이 제공된다. 도 2에 도시된 실시예의 경우에, 바람직하게는 마이크로프로세서가 없는 장치(27)는 진폭 판별기(29), 루프 필터(31) 및 리셋 회로(33)를 포함한다. 진폭 판별기(29)는 RF 램프(5)의 매칭도에 비례하는 전압 U_prop에 기초해서, 디지털 또는 클록된 출력 전압 (clocked output signal) U_D를 생성한다. 차례로, 디지털 또는 클록된 출력 전압 U_D는, 실질적인 아날로그 출력 신호 U_A가 생성되게 하는 방식으로, 클록된 신호(clocked signal) U_D를 평활화시키는 필터 장치, 특히 루프 필터(31)에 제공된다. 아날로그 출력 신호 U_A는 제어 전압으로서 발진기(7)로 제공된다. 따라서, 발진기(7)에 제공되는 제어 전압 U_A는 발진기(7)의 주파수가 증가되거나, 감소되거나 동일하게 유지되는지에 대한 기준이 된다.

도 3은 도 2에 도시되어 있는 이른바 진폭 판별기(29)에 대한 예시적인 실시예를 도시한다. 진폭 판별기(29)는 RF 램프(5)의 매칭도에 비례하는 전압 U_prop이 제공되는 입력(35)을 갖는다. 이 예시적인 실시예의 경우에, 총 3개의 조건들 K1, K2 및 K3이 진폭 판별기(29)에서 생성된다. 제 1 조건 K1은 기정의된 전압 값과 비교되는 전압 신호 U_prop에 의해 RF 램프(5)의 매칭도에 비례하는 전압 신호 U_prop에 기반하여 생성된다. 이를 위해, 진폭 판별기(29)는 먼저 전압 신호 U_prop가 그리고 다음으로 고정 전압 값이 제공되는 비교기(39)를 포함한다. 이 고정 전압 값은 전압 값 생성 장치(41)에 의해 생성된다. 전압 값 생성 장치(41)는 바람직하게 전압 분배기를 이용하여 구현된다. 비교기(39)는 전압 U_prop의 현재 값을 전압 값 생성 장치(41)의 고정 전압 값과 비교한다. 비교기(39)의 결과적인 출력 신호는 제 1 조건 K1에 대응한다.

동시에, 진폭 판별기(29)에서, 통합 반전 비교기를 갖는 미분기 유닛(43)에 전압 신호 U_prop가 제공된다. 미분기 유닛(43)은 전압 신호 U_prop를 유도하여 얻는다. 따라서, 미분기 유닛(43)의 출력 신호는 램프 매칭의 경향에 관한 정보, 즉 램프 매칭이 감소하거나 증가하는지 여부에 대한 정보를 제공한다. 미분기 유닛(43)의 출력 신호는 제 2 조건 K2에 대응한다.

제 1 조건 K1 및 제 2 조건 K2은 논리 유닛(45)에 제공된다. 논리 유닛(45)은 예를 들어 2개의 D형 플립-플롭들에 의해 구현될 수 있는 시프트 레지스터, 특히 2-비트 시프트 레지스터(47)에 연결된다. 논리 유닛(45)은 이로부터 제 3 조건 K3을 제공받는다. 도 3에 도시된 바와 같이, 진폭 판별기(29) 내에서 아날로그 프로세스를 인위적으로 디지털화하거나 클록하기 위해, 시프트 레지스터(47)는 클록 생성기(49)에 연결될 수 있다.

진폭 판별기(29)의 논리 유닛(45)에 대한 실현 가능한 구현예가 도 4에 따른 개략적인 실시예에서 도시된다. 논리 유닛(45)은 3개의 입력들(51, 53 및 55)을 포함한다. 제 1 조건 K1은 입력(51)을 통해 논리 유닛(45)에 제공되고, 제 2 조건 K2은 제 2 입력(53)을 통해 논리 유닛(45)에 제공되며, 제 3 조건 K3은 제 3 입력(55)을 통해 논리 유닛(45)에 제공된다. 논리 유닛(45)은 추가적으로 도 3에 도시된 시프트 레지스터(47)에 연결된 출력(57)을 포함한다.

도 4에 따른 예시적인 실시예에서, 논리 유닛(45)은 2개의 논리 게이트들(59 및 61) 및 인버터(63)를 포함한다. 논리 게이트(61)는 예컨대 XOR 게이트인 반면에, 논리 게이트(49)는 AND 게이트이다. 인버터(63)는 XOR 게이트(61)의 제공 신호를 반전시킨다. 출력 신호 Y가 논리 유닛(45)의 출력(57)에 존재하는 경우, 도 4에 도시된 구성에 대해 다음 식이 성립한다:

상술한 관계를 가진 논리 유닛(45)은 도 5에 도시된 진리표에 배치될 수 있다. 본 실시예에서, 연산 증폭기(25)로부터의 램프 매칭에 비례하는 전압 U_prop이 전압 값 생성 장치(41)에 의해 정의된 값을 초과할 경우에만, 발진기(7)의 출력 주파수가 증가된다(Y=1)는 것이 도 5에 따른 진리표로부터 명백하다. 이와 동시에,

- 통합 반전 비교기를 갖는 미분기 유닛(43)에 의해 생성된 조건 K2는 존재하는 반면(K2="1"), 시프트 레지스터(47)로부터의 제 n-1 비트는 "1"에 대응하거나,

- 통합 반전 비교기를 갖는 미분기 유닛(43)에 의해 생성된 조건 K2는 존재하지 않는 반면(K2="0"), 시프트 레지스터(47)로부터의 제 N-1 비트는 "0"에 대응한다.

개별 논리 게이트들의 과도 응답으로 인해 발생되는 부정확한 결정들이 이에 의해 회피될 수 있기 때문에 클록 생성 장치(49)는 유용하다. 클록 생성 장치(49)의 실현 가능한 구현예가 도 6에 도시된다. 예로서 도시된 바와 같이, 출력 단자(77)에서 고정 주파수(f)를 갖는 신호를 구현하기 위해서, 클록 생성 장치(49)는 3개의 인버터들(65, 67 및 69), 2개의 저항기들(71 및 73) 및 커패시터(75)를 포함한다. 아래의 주파수는 저항기들(71 및 73)에 대한 저항 R 및 커패시터(75)에 대한 커패시턴스 C에 대해 발생한다:

f=0.558/(RC)

도 7은 도 2에 도시된 루프 필터(31)에 대한 예시적인 실시예를 도시한다. 상기 루프 필터는 진폭 판별기(29)로부터 클록된 출력 전압 U_D를 수신한다. 루프 필터(31)는 시프트 레지스터(47)를 통과하는 논리 유닛(45)의 디지털 제어 신호들로부터, 발진기(7)의 출력 주파수의 폐루프 제어를 위한 아날로그 전압을 생성한다. 도 7에 따른 실시예에서, 루프 필터(31)는 직렬 저항기(79), 적어도 하나의 션트 커패시터(81) 및 적어도 하나의 션트 저항기(83)를 또한 포함한다. 이들은 시프트 레지스터(47)에 연결된 루프 필터(31)의 입력 단자(85)와 발진기(7)에 연결된 루프 필터(31)의 출력 단자(87) 사이에 위치된다.

발진기(7)의 출력 주파수를 증가시키기 위해, 논리 유닛(45)의 출력(57)은 "1"로 설정된다. 이 신호는 직렬 저항기(79)를 통해 루프 필터(31) 내의 션트 커패시터(81)를 시상수τ_charging를 가지고 충전하며, 이 시상수 τ_charging는 직렬 저항기(79)의 저항과 션트 커패시터(81)의 커패시턴스의 곱에 해당한다. 논리 유닛(45)의 출력(57)에서 값 "0"은, 션트 커패시터(81) 상의 전하가 션트 저항기(83) 및 저항기(79)에 의해 형성된 병렬 회로를 통해 방전되는 효과를 갖는다. 해당하는 시상수 τ_charging는 션트 커패시터(81)의 커패시턴스와 2개의 저항기들(79 및 83)에 의해 형성된 병렬 회로의 합성 저항의 곱에 해당한다.

도 8은 도 2에 도시된 리셋 회로(33)의 실현 가능한 실시예를 도시한다. 이 실시예에서, 리셋 회로(33)는 루프 필터(31) 내의 션트 커패시터(81)에서의 전압을 기준 전압 U_comparative와 비교하기 위한 비교기(89)를 포함한다. 여기서, 기준 전압 U_comparative을 예를 들어 외부 전압 분배기(91)에 의해 생성될 수 있다. 이에 통해 폐루프 제어의 하한 주파수가 정의될 수 있다. 루프 필터(31) 내의 션트 커패시터(81)에서의 전압이 상기 전압 값 U_comparative 아래로 떨어지면, 루프 필터(31) 내의 션트 커패시터(81)를 충전하는 전압이 단안정(monostable) 스위치(93)를 통해 생성된다. 이를 통해 발진기(7)의 출력 주파수가 폐루프 제어의 상한 주파수에서 정의될 수 있다. 스위치가 켜져 있는 동안 및 RF 램프(5)가 동작하는 동안에 필요에 따라 리셋 회로(33) 및 합성(resultant) 리셋 프로세스가 활성화될 수 있다.

요컨대, 도 2에 도시된 RF 시스템(1)은 일부 요소들과 관련하여 수정될 수 있는 예시적인 실시 예일 뿐이라고 말할 수 있다. 특히, 커플링-아웃 장치들은 써큘레이터에 의해 대체될 수 있다. 전압 검출 장치들(21 및 23)은 임의적으로 설계된 적절한 검출기들일 수 있다. 더욱이, 도 8에 도시된 리셋 회로(33) 또는 상기 리셋 회로의 기능을 논리 유닛(45)에 통합시킬 수 있다. 다른 한편으로, 리셋 회로(33)를 게이트들, 특히 비교기들 및/또는 간단한 샘플 홀드 회로들로 대체할 수 있다.

더욱이, 도 7에 따른 루프 필터(31)는 전하 펌프들, 즉 위상 동기 루프 회로(phase locked loop (PLL) circuit) 모델에 기반한 전하 펌프 회로들에 의해 대체될 수 있다. 이 경우에 상기 회로는 최적 동작 주파수가 "유지(hold)"될 수 있도록 설계될 수 있다. 이 경우에 상기 회로는 다소 복잡하고 크며 새로운 논리 유닛 및 음의 전압을 필요로 한다. 또한, 루프 필터(31) 또는 적어도 루프 필터의 기능을 논리 유닛(45)에 통합하는 것 또한 가능하다. 그 후, 아날로그 출력 전압은 논리 유닛(45)에서 직접 생성되며, 그 결과 클록 생성기의 사용이 불필요하다. 또한, 논리 유닛(45)을 확장시키는 것 또한 가능하다. 특히, 마이크로프로세서를 사용하지 않으면서 추가적인 기능을 구현할 수 있는 추가적인 조건들이 고려될 수 있다. 그 후, 이를 위해 추가적인 논리 게이트들이 필요할 수 있다. 더욱이, 시프트 레지스터(47)는 예를 들어 비안정 플립-플롭들을 사용해서 수정, 특히 보충될 수 있다. 특히, 클럭 생성기 또는 클록 생성 장치(49)를 불필요하게 하는 추가적인 소자들을 제공할 수 있다.

증폭기들(9 및 12) 및 감쇠 소자(11)를 사용하는 것은 선택적(optional)이다. 또한, 예를 들어 더욱 정확한 전력 설정을 위해 가변 이득을 갖는 증폭기를 사용하는 것도 가능하다. 마찬가지로, 감쇠 소자는 가변 방식으로 구현될 수 있고, 또는 대응하는 추가적인 가변 감쇠 소자가 제공될 수 있다. 특히, 증폭 및 감쇠의 순서(order)도 역시 선택적이다.

전체적으로 볼 때, 본 발명은 RF 시스템을 구현하며, 특히 가능한한 손실이 없는 방식으로 RF 신호를 RF 장치, 특히 RF 램프에 커플링하기 위해 RF 시스템에서 사용하기 위한 유용한 RF 신호 커플링-인 장치를 구현한다. RF 신호 커플링-인 장치는 마이크로프로세서가 없는 설계인 것이 바람직하며, 대신 마이크로프로세서를 불필요하게 하는 논리 게이트를 사용한다. 이러한 방식으로, RF 시스템은 예를 들어 에너지 절약 램프들인, RF 신호 커플링-인 장치의 출력 주파수에 대한 고속 아날로그 폐루프 제어를 구현한다. 본 발명에 따른 RF 신호 커플링 장치는 RF 램프에 가장 잘 매칭하는 동작 주파수에서 RF 램프를 시동시키고 효율적으로 동작시킨다. 또한, 유용한 아날로그 폐루프 제어는 주파수 편이(frequency shifts)를 보상할 수 있는데, 이 주파수 편이는 전자 부품들에서의 노화에 의한 변화들, 동작적으로 제어된 열적 반응 또는 제조 공차들에 의해 유발된다. 구현된 논리 유닛은 개별적인 논리 게이트들로 구성되며, 따라서 단일 반도체 IC로의 회로의 유용한 통합을 가능하게 한다. 따라서, 이는 대량 생산 방식을 이용하여, RF 신호 커플링-인 장치 나아가 전체 RF 시스템의, 비용 측면에서 효율적인 구현을 위한 전제 조건을 제공한다.

1: RF 시스템
3: RF 신호 커플링-인 장치
5: RF 장치(RF 램프)
7: 발진기
9: 증폭기
11: 감쇠 소자
13: 증폭기
15: RF 장치의 매칭도에 비례하는 전압 신호 생성 수단
17: 커플링-아웃 장치
19: 커플링-아웃 장치
21: 전압 검출 장치
23: 전압 검출 장치
25: 연산 증폭기
27: 바람직하게는 마이크로프로세서가 없는 장치
29: 진폭 판별기
31: 필터 장치(루프 필터)
33: 리셋 회로(리셋 장치)
35: 입력
37: 비교 장치
39: 비교기
41: 전압 값 생성 장치
43: 미분기 유닛
45: 논리 유닛
47: 시프트 레지스터
49: 클록 생성 장치
51: 입력
53: 입력
55: 입력
57: 출력
59: 논리 게이트
61: 논리 게이트
63: 인버터
65: 인버터
67: 인버터
69: 인버터
71: 저항기
73: 저항기
75: 커패시터
77: 출력 단자
79: 직렬 저항기
81: 션트 커패시터
83: 션트 저항기
85: 입력
87: 출력
89: 비교기
91: 외부 전압 분배기
93: 단안정 스위치
f₀: 동작 주파수
f₀': 시프트 동작 주파수
a: 발진기의 RF 신호의 부분
b: 반사된 신호의 부분
U_prop: 램프의 매칭도에 비례하는 전압
U_D: 클록된 출력 전압
U_A: 아날로그 출력 신호

Claims

특히 RF 램프, RF 스파크 플러그 또는 유사한 RF 플라즈마 응용 장치인 RF 장치(5), 및 상기 RF 장치(5)를 동작시키는 RF 신호 커플링-인(coupling-in) 장치(3)를 포함하는 RF 시스템(1)에 있어서,
상기 RF 장치(5)를 동작시키기 위한 RF 신호를 생성하는 발진기(7)를 포함하고,
상기 발진기(7)에 의해 생성된 상기 RF 신호와 상기 RF 장치에 의해 반사된 신호에 기초해서, 상기 RF 장치(5)의 매칭도에 비례하는 전압 신호(U_prop)를 생성하는 수단, 및
상기 RF 장치(5)의 매칭도에 비례하는 전압 신호(U_prop)에 기초해서 상기 발진기(7)의 출력 주파수를 매칭시키기 위한 제어 신호(U_A)를 생성하는 바람직하게는 마이크로프로세서가 없는 장치(27)를 포함하는 것을 특징으로 하는, RF 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 RF 장치(5)의 매칭도에 비례하는 전압 신호(U_prop)를 생성하는 수단은 상기 발진기(7)에 의해 생성된 상기 RF 신호의 일부분을 커플링-아웃하며, 상기 RF 장치(5)에 의해 반사된 신호의 일부분을 커플링-아웃하는 적어도 하나의 커플링-아웃 장치(17, 19)를 포함하는,
RF 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 RF 장치(5)의 매칭도에 비례하는 전압 신호(U_prop)를 생성하는 수단은 상기 발진기(7)에 의해 생성된 상기 RF 신호의 커플링-아웃된 부분(a)의 전압 신호를 검출해서 출력하기 위한 적어도 하나의 전압 검출 장치(21) 및 상기 RF 장치(5)에 의해 반사된 신호의 커플링-아웃된 부분(b)의 전압 신호를 검출해서 출력하기 위한 적어도 하나의 추가적인 전압 검출 장치(23)를 포함하는,
RF 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 RF 장치(5)의 매칭도에 비례하는 전압 신호(U_prop)를 생성하는 수단은, 특히 적어도 하나의 연산 증폭기(25)의 형태인 적어도 하나의 장치를 포함하며,
상기 적어도 하나의 장치는 상기 RF 장치(5)에 의해 반사된 신호의 커플링-아웃된 부분(b)의 전압 신호 및 상기 발진기(7)에 의해 생성된 상기 RF 신호의 커플링-아웃된 부분(a)의 전압 신호에 기초해서 상기 RF 장치(5)의 매칭도에 비례하는 전압 신호(U_prop)를 생성하는 것을 특징으로 하는,
RF 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 RF 장치(5)의 매칭도에 비례하는 전압 신호(U_prop)를 생성하는 수단은, 서큘레이터를 포함하며,
상기 서큘레이터는 상기 발진기(7)에 의해 생성된 상기 RF 신호의 일부분을 커플링-아웃하고, 상기 RF 장치(5)에 의해 반사된 신호의 일부분을 커플링-아웃하도록 설계되며,
적절하다면, 커플링-아웃된 부분들(a, b)의 대응하는 전압 신호들을 검출해서 출력하는 것을 특징으로 하는,
RF 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 서큘레이터는 특히 적어도 하나의 연산 증폭기 또는 적어도 하나의 증폭 회로인 적어도 하나의 장치를 포함하며,
상기 적어도 하나의 장치는 커플링-아웃된 부분들의 전압 신호들에 기초해서 상기 RF 장치(5)의 매칭도에 비례하는 전압 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는,
RF 시스템.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발진기(7)의 출력 주파수를 매칭시키기 위한 제어 신호(U_A)를 생성하는 바람직하게는 마이크로프로세서가 없는 장치(27)는 논리 유닛(45)을 포함하며,
상기 논리 유닛(45)은 적어도 하나, 바람직하게는 3개의 조건들(K1, K2, K3)에 기초해서 상기 발진기(7)의 입력 주파수를 매칭시키기 위한 제어 신호를 출력하는 적어도 하나, 바람직하게는 2개의 논리 게이트들(61, 63, 59)을 갖는 것을 특징으로 하는,
RF 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 논리 유닛(45)의 출력 신호(Y)를 수신하는 시프트 레지스터(47)를 제공하는 것을 특징으로 하는,
RF 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 논리 유닛(45)의 출력 신호(Y)를 클로킹(clocking)하는 클록 생성 장치(49)를 제공하는 것을 특징으로 하는,
RF 시스템.
제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 논리 유닛(45)은 상기 발진기(7)의 주파수를 제어하기 위해, 아날로그 출력 전압(U_A)을 생성하는 루프 필터(31)를 통해 상기 발진기(7)에 연결되는 것을 특징으로 하는,
RF 시스템.
제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 논리 유닛(45)은 상기 발진기(7)의 주파수를 제어하기 위해, 아날로그 출력 전압(U_A)을 생성하는 전하 펌프 장치를 통해 상기 발진기(7)에 연결되는 것을 특징으로 하는,
RF 시스템.
제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
특히 상기 논리 유닛(45)인, 바람직하게는 마이크로프로세서가 없는 장치(27)는 상기 발진기(7)의 주파수를 제어하기 위한 아날로그 출력 전압(U_A)을 생성하도록 설계되는 것을 특징으로 하는,
RF 시스템.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발진기(7)를 기정의된 상태에 두도록 설계된 리셋 회로(33)가 제공되는 것을 특징으로 하는,
RF 시스템.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 RF 시스템(1)에서의 사용을 위한 신호 커플링-인 장치(3).
특히 RF 램프, RF 스파크 플러그 또는 유사한 RF 플라즈마 응용 장치인 RF 장치(5)를 동작시키는 방법에 있어서,
발진기(7)에 의해 상기 RF 장치(5)를 동작시키기 위한 RF 신호를 생성하는 단계를 포함하며,
상기 발진기(7)에 의해 생성된 상기 RF 신호 및 상기 RF 장치(5)에 의해 반사된 신호에 기초해서, 상기 RF 장치(5)의 매칭도에 비례하는 전압 신호(U_prop)를 생성하는 단계, 및
상기 RF 장치(5)의 매칭도에 비례하는 전압 신호(U_prop)에 기초해서, 상기 발진기(7)의 출력 주파수를 매칭시키기 위한 제어 신호(U_A)를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
방법.
제 15 항에 있어서,
상기 발진기(7)의 출력 주파수를 매칭시키기 위한 제어 신호(U_A)를 생성하는 단계 이전에, 상기 RF 장치(5)의 매칭도에 비례하는 전압 신호(U_prop)에 기초해서 제 1 조건(K1)을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
방법.
제 16 항에 있어서,
상기 제 1 조건(K1)은 상기 RF 장치(5)의 매칭도에 비례하는 전압 신호(U_prop)를 기정의된 전압 값과 비교함에 의해 획득되는 것을 특징으로 하는,
방법.
제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발진기(7)의 출력 주파수를 매칭시키기 위한 제어 신호(U_A)를 생성하는 단계 이전에, 상기 RF 장치(5)의 매칭도에 비례하는 전압 신호(U_prop)에 기초해서 제 2 조건(K2)을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
방법.
제 18 항에 있어서,
상기 제 2 조건(K2)은 상기 RF 장치(5)의 매칭도에 비례하는 전압 신호(U_prop)를 도출함에 의해 획득되는 것을 특징으로 하는,
방법.
제 16 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 1 조건(K1), 상기 제 2 조건(K2) 및 특히 제 3 조건(K3)을 하나 이상의 논리 게이트들(59, 61, 63)로 전달하는 단계, 및
논리 게이트 또는 논리 게이트들에 기초하는 진리표에 기초해서 상기 발진기(7)의 출력 주파수를 매칭시키기 위한 제어 신호(U_A)를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
방법.