TWI701885B - 電源供應裝置及其操作方法 - Google Patents

Abstract

一種電源供應裝置，包含電感器、開關、供應電源以及緩衝電路。開關的第一端點耦接於電感器的第一端點。供應電源的第一端點與開關的第二端點耦接。緩衝電路的第一端點與開關的第一端點耦接於第一電壓輸出端點，緩衝電路的第二端點與供應電源的第二端點電性耦接於第二電壓輸出端點，其中電感器、開關、供應電源和緩衝電路用以協同操作而於第一電壓輸出端點與第二電壓輸出端點產生輸出電壓。

Description

電源供應裝置及其操作方法

本案關於一種電源供應裝置，特別是關於一種具有抑制突波產生的可調電壓電源供應裝置。

在目前半導體製程領域的電漿系統中（如濺鍍、蝕刻等），現行技術使用負壓電源及與其電壓等比例、相依式的正壓電源搭配作脈衝電源輸出，以週期性抑制於靶材表面產生的電弧。然而，對於需調整正壓電源的電壓準位以符合不同製程與濺鍍材料的應用，習知固定電壓比例、脈衝頻率輸出的正壓無法有效率抑制電弧的產生，造成濺鍍速率慢及薄膜品質不佳等問題。此外，在利用脈衝訊號切換開關時，需要有合適的緩衝電路吸收切換時產生的突波能量。

本案之一實施例是關於一種電源供應裝置，包含一電感器、一開關、一供應電源以及一緩衝電路。該開關的一第一端點耦接於該電感器的一第一端點。該供應電源的一第一端點與該開關的一第二端點耦接。該緩衝電路的一第一端點與該開關的該第一端點耦接於一第一電壓輸出端點，該緩衝電路的一第二端點與該供應電源的一第二端點電性耦接於一第二電壓輸出端點，其中該電感器、該開關、該供應電源和該緩衝電路用以協同操作而於該第一電壓輸出端點與該第二電壓輸出端點產生一輸出電壓。

本案之另一實施例是關於電源供應裝置，包含一開關、一第一電感器、一供應電源、一儲能元件、一第一突波抑制器以及一第二突波抑制器。該第一電感器與該開關耦接，用以接收來自一電壓訊號轉換器的輸出電壓並產生一儲能電壓。該供應電源與該開關耦接，用以提供一供應電壓。該儲能元件與該開關耦接於一第一電壓輸出端點。該第一突波抑制器與該儲能元件耦接於一節點。該第二突波抑制器的一第一端點與該儲能元件耦接於該節點，該第二突波抑制器的一第二端點與該供應電源電性耦接於一第二電壓輸出端點，其中當該開關切換至導通時，該供應電源、該儲能元件、該開關與該第一突波抑制器形成一第一迴路，以吸收該開關於切換時產生的一反向突波，且該供應電源更用以於該第一電壓輸出端點與該第二電壓輸出端點輸出該供應電壓；當該開關切換至關斷時，該儲能元件與該第二突波抑制器形成一第二迴路以吸收該開關於切換時產生的一正向突波，且該第一電感器更用以於該第一電壓輸出端點與該第二電壓輸出端點輸出該儲能電壓。

本案之另一實施例是關於一種電源裝置控制方法，包含以下步驟：藉由一電感器吸收一電壓訊號轉換器的輸出電壓以輸出一第一電壓訊號、控制一開關的一導通狀態以選擇性輸出該第一電壓訊號作為一輸出電壓，或自一可調電源供應器輸出與該第一電壓訊號極性相反的一第二電壓訊號作為該輸出電壓，其中當該開關關斷時，一儲能元件與一第一突波抑制器用以形成一第一迴路以抑制輸出該第一電壓訊號時所產生的一反向突波，以及當該開關導通時，該儲能元件、該開關與一第二突波抑制器用以形成一第二迴路以抑制輸出該第二電壓訊號時所產生的一正向突波。

以下將以圖式及詳細說明闡述本案之精神，任何所屬技術領域中具有通常知識者在瞭解本案之較佳實施例後，當可由本案所教示之技術，加以改變及修飾，其並不脫離本案之精神與範圍。

應當理解，在本文的描述和其後的所有專利範圍中，當一個元件被稱為被『連接』或『耦合』到另一個元件時，它可以被直接連接或耦合到另一個元件，或者可能存在插入元件。相比之下，當一個元件被稱為『直接連接』或『直接耦合』到另一個元件時，則不存在插入元件。此外，『電連接』或『連接』還可以指兩個或多個元件之間的相互操作或相互作用。

應當理解，在本文的描述和其後的所有專利範圍中，雖然『第一』、『第二』、...等詞彙可以使用來描述不同元件，但是這些元件不應該被這些術語所限制。這些詞彙只限於用來區分單一元件與另一個元件 。例如， 一第一元件也可被稱為一第二元件，類似地，一第二元件也可被稱為一第一元件，而不脫離實施例的範圍。

應當理解，在本文的描述和其後的所有專利範圍中，在本文中所使用的用詞『包含』、『包括』、『具有』、『含有』等等，均為開放性的用語，即意指『包含但不限於』。

應當理解，在本文的描述和其後的所有專利範圍中，所使用的『及/或』包含相關列舉項目中一或多個項目的任意一個以及其所有組合。

應當理解，在本文的描述和其後的所有專利範圍中，除非另有定義，使用的所有術語(包括技術和科學術語)與本案所屬領域技術人員所理解的具有相同含義。進一步可以明瞭，除非這裡明確地說明，這些術語，例如在常用字典中所定義的術語，應該被解釋為具有與其在相關領域背景下的含義相一致的含義，而不應被理想化地或過於正式地解釋。

專利範圍中的任一元件如果沒有明確說明『裝置用於』實施一特定功能，或是『步驟用於』實施一特定功能，不應當被解釋為手段功能用語。

請參照第1圖。第1圖係為依據本案一實施例所繪示之一種電源供應裝置100的示意圖。如第1圖所示，電源供應裝置100包含電壓訊號轉換器110、電感器120、控制訊號產生電路130、開關140、供應電源150、電感器160以及緩衝電路170。在連接關係上，電壓訊號轉換器110具有轉換器輸出端點DC1、DC2。電感器120的第一端點耦接轉換器輸出端點DC1，電感器120的第二端點與開關140的第一端點、緩衝電路170的第一端點在電壓輸出端點n1耦接，開關140的第二端點與供應電源150的第一端點耦接，開關140的控制端點與控制訊號產生器130耦接，供應電源150的第二端點與電感器160的第一端點、轉換器輸出端點DC2耦接，電感器160的第二端點與緩衝電路170的第二端點在電壓輸出端點n2耦接；而在一些實施例中，電源供應裝置100可不需具備電感器160，在這種配置下，供應電源150的第二端點可直接與緩衝電路170的第二端點在電壓輸出端點n2耦接。電壓訊號轉換器110可以是直流轉直流轉換器(DC-to-DC converter)、交流轉直流轉 換器(AC-to-DC converter)或是任何可用以實現將輸入電壓轉換為不同電壓的另一直流電源的裝置，開關140可以是電晶體或任何可使開關之第一端點與第二端點導通或斷開的元件實現，以及供應電源150可為輸出電壓位準可調整的任何直流電源供應器。其中，供應電源150輸出至電壓輸出端點n1、n2之電壓極性與電壓訊號轉換器110輸出至電壓輸出端點n1、n2之電壓極性為相反。

在運作上，於一些實施例中，電感器120、開關140、供應電源150和緩衝電路170用以協同操作而於電壓輸出端點n1與電壓輸出端點n2產生一輸出電壓VO。舉例而言，電感器120用以接收來自電壓訊號轉換器110的輸出電壓並產生一儲能電壓，供應電源150用以供應與儲能電壓極性相反的一供應電壓，控制訊號產生電路130用以產生一控制訊號PS至開關140，使得開關140響應於控制訊號PS切換導通狀態以選擇性於電壓輸出端點n1與電壓輸出端點n2產生儲能電壓或供應電壓中的一者為輸出電壓VO，在一些實施例中，控制訊號PS可以是脈衝寬度調變訊號(Pulse Width Modulation,PWM)，控制訊號產生電路130可透過調整控制訊號PS的頻率、工作週期(duty cycle)而調整輸出電壓VO的頻率、工作週期等。由於儲能電壓與供應電壓之極性相反，當開關140切換以由輸出負電壓轉成正電壓或由輸出正電壓轉成負電壓時，緩衝電路170用以吸收開關140切換時所產生的電壓突波。

請一併參照第2圖及第3圖。第2圖係為依據本案一實施例所繪示之控制訊號PS與輸出電壓VO的示意圖。第3圖係為依據本案一實施例所繪示之一種電源供應裝置100運作時的示意圖。為便於理解，在第3圖中與第1圖中相同的元件將用相同的參考符號標記。除非有需要說明與第3圖中所示之元件的協作關係，否則為了簡潔起見，在此省略在上面的段落中已經詳細討論之類似元件的具體操作。此外，於第3圖中為方便說明起見，未繪出電壓訊號轉換器110及控制訊號產生電路130，其連接關係如第1圖中的實施例所示。

如第2圖，以電壓訊號轉換器110提供給輸出電壓VO為負電壓，且供應電源150提供給輸出電壓VO為正電壓為例，配合第3圖的(a)部分所示的實施例，在時間間隔t1時，控制訊號PS具有一低位準而使開關140相應關斷，如此電感器120輸出具負電壓的儲能電壓作輸出電壓VO，如第2圖所示，輸出電壓VO具有負電壓位準。相似地，如第2圖及第3圖的(b)部分所示的實施例，在時間間隔t2時，控制訊號PS具有一高位準而使開關140相應導通，如此供應電源150輸出具正電壓的供應電壓作輸出電壓VO，如第2圖所示，輸出電壓VO具有正電壓位準。

在一些實施例中，供應電源150可因應實際應用調整如第2圖中所繪示之輸出電壓VO的正電壓位準。例如，一些應用於半導體製程的濺鍍電源系統所配置的正壓電源供應器其輸出位準可以基於所應用的製程或材料組合被調整，使得吸附於靶材上的正離子因與所施加於靶材上帶正電壓的輸出電壓VO相斥被釋放，因此降低腔體中發生電弧的機率，避免待鍍物上之薄膜表面佈滿細小坑洞，進而提升濺鍍品質。

請參照第4圖，第4圖係為依據本案另一實施例所繪示之一種電源供應裝置100的示意圖。為便於理解，在第4圖中與第1圖中相同的元件將用相同的參考符號標記。除非有需要說明與第4圖中所示之元件的協作關係，否則為了簡潔起見，在此省略在上面的段落中已經詳細討論之類似元件的具體操作。如第4圖所示，在一些實施例中，緩衝電路170包含一儲能元件171、一第一突波抑制器172、一第二突波抑制器173及一釋能元件174。儲能元件171的第一端點與第二端點分別與釋能元件174的第一端點和第二端點耦接，第一突波抑制器172的第一端點與儲能元件171的第二端點、第二突波抑制器173的第一端點及釋能元件174的第二端點耦接，第一突波抑制器172的第二端點與第二突波抑制器173的第二端點耦接，儲能元件171的第一端點及第二突波抑制器173的第三端點分別與電壓輸出端點n1及n2耦接。在一些實施例中，第一突波抑制器172可作為一反向突波抑制器，以實現協同操作以抑制切換成供應電源150輸出供應電壓時產生的反向突波，而第二突波抑制器173可作為一正向突波抑制器，以實現協同操作以抑制切換成電感器120輸出儲能電壓時產生的正向突波。

請參照第5圖。第5圖係為依據本案一實施例所繪示之一種電源供應裝置500的示意圖。如第5圖所示，在一些實施例中，儲能元件171可包含一電容器Cs，第一突波抑制器172可包含一二極體Dr，第二突波抑制器173可包含複數個彼此串連的二極體Df1~Df4，以及釋能元件174可包含一電阻器Rd。此外，在一些實施例中，第二突波抑制器173更可包含一二極體D0，二極體D0可以一齊納二極體、瞬態電壓抑制二極體（Transient Voltage Suppressor Diode，TVS Diode）或是任何具保護電路不受突波影響的元件來實施，更進一步說，在一些實施例中，第二突波抑制器173包含二極體D0可使第一突波抑制器172中之二極體Dr的零件選用更具彈性。值得注意的是，在上述第二突波抑制器173包含二極體D0的實施例中，二極體D0的第一端點作為第二突波抑制器173的第二端點與第一突波抑制器172耦接，二極體D0的第二端點作為第二突波抑制器173的第三端點與供應電源150電性耦接於電壓輸出端點n2；相對地，在一些第二突波抑制器173不包含二極體D0的實施例中，第二突波抑制器173的第二端點等於其第三端點，換句話說，第二突波抑制器173的第二端點（即其第三端點）、第一突波抑制器172的第二端點以及供應電源150電性耦接於電壓輸出端點n2。需注意的是，上述的電路元件配置僅為易於了解本案的實施方式，但本案並不以此為限。為便於理解，在第5圖中與第1圖中相同的元件將用相同的參考符號標記。除非有需要說明與第5圖中所示之元件的協作關係，否則為了簡潔起見，在此省略在上面的段落中已經詳細討論之類似元件的具體操作。

請參照第6圖，第6圖係為依據本案一實施例所繪示之一種電源供應裝置500運作時的示意圖。為便於理解，在第6圖中與第1圖、第5圖中相同的元件將用相同的參考符號標記。除非有需要說明與第6圖中所示之元件的協作關係，否則為了簡潔起見，在此省略在上面的段落中已經詳細討論之類似元件的具體操作。此外，於第6圖中為方便說明起見，未繪出電壓訊號轉換器110及控制訊號產生電路130，其連接關係如第1圖中的實施例所示，另為凸顯電路運作路徑，在第6圖中將省略電容器Cs、電阻器Rd、二極體Dr、D0與Df1~Df4的標示，其連接關係皆與第5圖中的實施例相同。

如第6圖的(a)部分所示，在一些實施例中，當開關140切換至導通時，供應電源150、電容器Cs（儲能元件171）、開關140與二極體Dr（第一突波抑制器172）形成一第一迴路60，此時，二極體Dr順向導通，因開關140切換而產生的反向突波經開關140、供應電源150後通過二極體Dr由電容器Cs吸收其電能，同時，自供應電源150輸出的供應電壓自電壓輸出端點n1與n2間輸出。

在另一實施例中，如第6圖的(b)部分所示，當開關140切換至關斷時，電容器Cs（儲能元件171）與二極體Df1~Df4（第二突波抑制器173）形成一第二迴路61，此時，二極體D0逆向導通穩壓，而因開關140切換所產生的正向突波經電容器Cs後通過二極體Df1~Df4（第二突波抑制器173），同時，自電感器120輸出的儲能電壓自電壓輸出端點n1與n2間輸出。需注意的是，在一些實施例中，第二突波抑制器173中所串聯連接的二極體數量可依第二突波抑制器173兩端的電壓大小調整為一個或複數個，其可以齊納二極體實施，或者，可以瞬態電壓抑制器或任何具高突波保護的電路實現。

如上述的實施例，當該開關關斷時，電容器Cs作為儲能元件171更用以與作釋能元件174的電阻器Rd耦接以形成一放電路徑62以釋放或消耗電容器Cs所吸收的電能，如第6圖的(b)部分所示，電容器Cs透過與其並聯的電阻器Rd釋放其吸收反向突波的電能，在一些實施例中，電源供應裝置100包含電感器160，電感器160耦接於供應電源150與電壓輸出端點n2之間，並用以與儲能元件171(例如電容器Cs)協同操作以吸收第一迴路60上的反向突波或是第二迴路61上的正向突波。需注意的是，在另一些實施例中，電源供應裝置100可不包含電感器160，在此配置下，需增加電容器Cs的電容值以足夠吸收突波，電阻器Rd的電阻值也需相應地增加以釋放電容器Cs吸收的電能。

經由上述各種實施例的操作，本案的電源供應裝置與操作方法可透過簡易的單開關與緩衝電路結合的結構，在濺鍍系統中提供一可調正壓以符合各種應用的需要，同時緩衝電路可抑制因開關切換所產生正向與負向突波，改善濺鍍品質。

雖然本案已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本案，任何熟習此技藝者，在不脫離本案之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本案之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

為讓本案之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附符號之說明如下：

100、500:電源供應裝置

110:電壓訊號轉換器

120、160:電感器

130:控制訊號產生電路

140:開關

150:供應電源

170:緩衝電路

VO:輸出電壓

nl、n2:電壓輸出端點

DC1、DC2:轉換器輸出端點

PS:控制訊號

tl、t2:時間間隔

171:儲能元件

172:第一突波抑制器

173:第二突波抑制器

174:釋能元件

Cs:電容器

Dr:二極體

Rd:電阻器

Df1~Df4:二極體

60:第一迴路

61:第二迴路

62:放電路徑

為讓本案之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之說明如下： 第1圖係為依據本案一實施例所繪示之一種電源供應裝置的示意圖； 第2圖係為依據本案一實施例所繪示之控制訊號與輸出電壓的示意圖； 第3圖係為依據本案一實施例所繪示之一種電源供應裝置運作時的示意圖； 第4圖係為依據本案另一實施例所繪示之一種電源供應裝置的示意圖； 第5圖係為依據本案一實施例所繪示之一種電源供應裝置的示意圖；以及 第6圖係為依據本案一實施例所繪示之一種電源供應裝置運作時的示意圖。

100:電源供應裝置

110:電壓訊號轉換器

120、160:電感器

130:控制訊號產生電路

140:開關

150:供應電源

170:緩衝電路

VO:輸出電壓

n1、n2:電壓輸出端點

DC1、DC2:轉換器輸出端點

PS:控制訊號

Claims (19)

1. 一種電源供應裝置，包含：一電感器；一開關，該開關的一第一端點耦接於該電感器的一第一端點；一供應電源，該供應電源的一第一端點與該開關的一第二端點耦接；一緩衝電路，該緩衝電路的一第一端點與該開關的該第一端點耦接於一第一電壓輸出端點，該緩衝電路的一第二端點與該供應電源的一第二端點電性耦接於一第二電壓輸出端點；以及，一電壓訊號轉換器，該電壓訊號轉換器的一第一轉換器輸出端點耦接於該電感器的一第二端點，該電壓訊號轉換器的一第二轉換器輸出端點耦接該供應電源的該第二端點；其中該電感器、該開關、該供應電源、該緩衝電路以及該電壓訊號轉換器用以協同操作而於該第一電壓輸出端點與該第二電壓輸出端點產生一輸出電壓，其中自該供應電源輸出之該輸出電壓與自該電壓訊號轉換器輸出之該輸出電壓具有相反的電壓極性。
2. 如請求項1所述的電源供應裝置，其中該緩衝電路更包含：一儲能元件；一釋能元件，該釋能元件的一第一端點和一第二端點分別與該儲能元件的一第一端點和一第二端點耦接； 一反向突波抑制器，該反向突波抑制器的一第一端點與該儲能元件的該第二端點及該釋能元件的該第二端點耦接；以及一正向突波抑制器，該正向突波抑制器的一第一端點耦接於該反向突波抑制器的該第一端點，該正向突波抑制器的一第二端點耦接於該反向突波抑制器的一第二端點。
3. 如請求項2所述的電源供應裝置，其中該儲能元件的該第一端點及該正向突波抑制器的一第三端點分別與該第一電壓輸出端點與該第二電壓輸出端點耦接。
4. 如請求項2所述的電源供應裝置，其中當該開關導通以自該供應電源輸出該輸出電壓時，該反向突波抑制器導通，以及該儲能元件透過導通的該反向突波抑制器吸收電能。
5. 如請求項2所述的電源供應裝置，其中當該開關關斷時，一電壓從該電感器被輸出做該輸出電壓，以及該正向突波抑制器導通以緩衝該開關切換時產生的突波。
6. 如請求項5所述的電源供應裝置，其中該儲能元件用以與該釋能元件形成一放電路徑，以消耗該儲能元件所吸收的電能。
7. 如請求項2所述的電源供應裝置，其中 該反向突波抑制器包含一二極體，該正向突波抑制器包含至少一二極體。
8. 如請求項7所述的電源供應裝置，其中該儲能元件包含一電容器以及該釋能元件包含一電阻器。
9. 一種電源供應裝置，包含：一開關；一第一電感器，與該開關耦接，用以接收來自一電壓訊號轉換器的輸出電壓並產生一儲能電壓；一供應電源，與該開關耦接，用以提供一供應電壓；一儲能元件，與該開關耦接於一第一電壓輸出端點；一第一突波抑制器，與該儲能元件耦接於一節點；以及一第二突波抑制器，該第二突波抑制器的一第一端點與該儲能元件耦接於該節點；其中該第一突波抑制器透過該第二突波抑制器的一第二端點與該供應電源電性耦接於一第二電壓輸出端點；其中當該開關切換至導通時，該供應電源、該儲能元件、該開關與該第一突波抑制器形成一第一迴路，以吸收該開關於切換時產生的一反向突波，且該供應電源更用以於該第一電壓輸出端點與該第二電壓輸出端點輸出該供應電壓；當該開關切換至關斷時，該儲能元件與該第二突波抑制器形成一第二迴路以吸收該開關於切換時產生的一正向突波，且該第一電感器更用以於該第一電壓輸出端點與該第二電壓輸出端點輸出該儲能電壓。
10. 如請求項9所述的電源供應裝置，更包含：一釋能元件，該釋能元件的一第一端點和一第二端點分別與該儲能元件的一第一端點和一第二端點耦接，其中該釋能元件的該第二端點在該節點與該第二突波抑制器的該第一端點耦接。
11. 如請求項10所述的電源供應裝置，其中該釋能元件用以與該儲能元件形成一放電路徑以釋放該儲能元件所吸收的電能。
12. 如請求項9所述的電源供應裝置，更包含：一第二電感器，該第二電感器耦接於該供應電源與該第二電壓輸出端點之間，並用以與該儲能元件協同操作以吸收該第一迴路上的該反向突波或是該第二迴路上的該正向突波。
13. 如請求項9所述的電源供應裝置，其中該第二突波抑制器包含：一二極體，該二極體的一第一端點與該第一突波抑制器的一第一端點耦接，該二極體的一第二端點與該供應電源電性耦接於該第二電壓輸出端點。
14. 如請求項9所述的電源供應裝置，其中該開關用以響應於一控制訊號切換；其中當該控制訊號具有一高位準使得該開關導通時，該供 應電源輸出一電壓作該供應電壓，以及當該控制訊號具有一低位準使得該開關關斷時，該第一電感器輸出與該供應電壓極性相反之一電壓作該儲能電壓。
15. 一種電源裝置控制方法，包含：藉由一電感器吸收一電壓訊號轉換器的輸出電壓以輸出一第一電壓訊號；以及控制一開關的一導通狀態以選擇性輸出該第一電壓訊號作為一輸出電壓，或自一可調電源供應器輸出與該第一電壓訊號極性相反的一第二電壓訊號作為該輸出電壓；其中當該開關關斷時，一儲能元件與一第一突波抑制器用以形成一第一迴路以抑制輸出該第一電壓訊號時所產生的一反向突波；當該開關導通時，該儲能元件、該開關與一第二突波抑制器用以形成一第二迴路以抑制輸出該第二電壓訊號時所產生的一正向突波。
16. 如請求項15所述的電源裝置控制方法，其中控制該開關的該導通狀態的步驟包含：將一控制訊號產生電路所產生的一控制訊號傳輸至該開關，其中該控制訊號為一脈衝寬度調變訊號。
17. 如請求項16所述的電源裝置控制方法，其中當該控制訊號具有一高位準時，該開關導通以自該儲能元件的一端點與該可調電源供應器的一端點間輸出該第二電壓 訊號作該輸出電壓。
18. 如請求項15所述的電源裝置控制方法，其中當該開關關斷時，該儲能元件更用以與一釋能元件耦接以形成一放電路徑以釋放該儲能元件所吸收的電能。
19. 如請求項15所述的電源裝置控制方法，其中該儲能元件包含一電容器，當該可調電源供應器輸出該第二電壓訊號時，該電容器用以吸收該反向突波的電能。

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