TWI742624B - 中高功率可調頻之數位電源系統 - Google Patents

Abstract

一種中高功率可調頻之數位電源系統，其包含一開關切換電路、一輸出取樣電路以及一微控制器。該開關切換電路具有複數個開關，接收一交流輸入電源，且轉換該交流輸入電源為一輸出電源。該輸出取樣電路接收該輸出電源的一輸出電壓與一輸出電流。該微控制器接收該輸出電壓與該輸出電流，根據該輸出電壓與該輸出電流計算的一功率資訊產生複數個控制信號對應地控制該等開關導通與截止的切換。

Description

中高功率可調頻之數位電源系統

本發明係有關一種數位電源系統，尤指一種中高功率可調頻之數位電源系統。

電漿是一種帶有電子、正負電荷、中性的氣體分子和自由基所組成，是繼物質三態理論(固態、氣態、液態)後的另一物質狀態(或稱第四態)。所謂電漿在正常情形下呈電中性，所以中國大陸稱之為”等離子體”，即取其帶正電荷的離子數目與帶負電荷的電子數目相等的意思。長期以來，如半導體以及光電等電子資訊產業，電漿已普及以及廣泛的應用到各種元件的製造，例如電腦晶片、記憶體、硬碟、電晶體、光碟、液晶顯示器、電漿顯示器等。例如將電漿技術應用到改質、磊晶、蝕刻、濺鍍以及輔助化學氣相沉積鍍膜等。尤其是涉及精密光學、重要感測元件以及生醫材料的表面處理等等，均需需要仰賴電漿技術，所以電漿技術的開發對這些產業的發展具有相當的影響。

一般在電漿製程中，是於接近真空的腔體中注入低氣壓氣體並對氣體施予電壓，藉由氣體壓力、電壓以及電流的適當匹配可使氣體分子形成電漿狀態，由於半導體鍍膜必須考慮到均勻性與穩定度，故一般對氣體之電壓與電流的控制是控制氣體於輝光放電(glow discharge)的反應區間，使氣體分子之電子獲 得足夠能量以致使提高氣體分子的離子化程度(degree of ionization)，而形成所述電漿(plasma)狀態。

然而，對於半導體製程而言，維持電漿之電源供應的穩定性與對氣體之控制一樣重要，一般的電漿反應設備由於電源供應模組、控制介面、馬達、氣體控制部分都是個別配置的，各自有各自的獨立佈線以及獨立電源，不僅建置成本高且佔用體積大。

為此，如何設計出一種中高功率可調頻之數位電源系統，其所提供的高壓輸出可作為電漿電源供應器的高壓使用，乃為本發明之發明人所研究的重要課題。

本發明之目的在於提供一種中高功率可調頻之數位電源系統，其所提供的高壓輸出可作為電漿電源供應器的高壓使用。

為達成前揭目的，本發明所提出的中高功率可調頻之數位電源系統，其包含一開關切換電路、一輸出取樣電路以及一微控制器。該開關切換電路具有複數個開關，接收一交流輸入電源，且轉換該交流輸入電源為一輸出電源。該輸出取樣電路接收該輸出電源的一輸出電壓與一輸出電流。該微控制器接收該輸出電壓與該輸出電流，根據該輸出電壓與該輸出電流計算的一功率資訊產生複數個控制信號對應地控制該等開關導通與截止的切換。

在一實施例中，該微控制器包含一類比數位轉換單元、一功率運算單元以及一控制信號產生單元。該類比數位轉換單元接收該輸出電壓與該輸 出電流，且轉換該輸出電壓與該輸出電流為一數位電壓信號與一數位電流信號。該功率運算單元耦接該類比數位轉換單元，接收該數位電壓信號與該數位電流信號，且根據該數位電壓信號與該數位電流信號計算該功率資訊。該控制信號產生單元耦接該功率運算單元，接收該功率資訊，且根據該功率資訊產生該等控制信號。

在一實施例中，中高功率可調頻之數位電源系統更包含一升壓變壓器。該升壓變壓器電性耦接該開關切換電路，接收該輸出電源，且對該輸出電源升壓以提供一交流輸出電源。

在一實施例中，中高功率可調頻之數位電源系統更包含一驅動電路。該驅動電路電性耦接該微控制器與該開關切換電路，接收該等控制信號，且轉換該等控制信號為複數個驅動信號，進而對應地驅動該等開關。

在一實施例中，中高功率可調頻之數位電源系統更包含一輸入取樣電路。該輸入取樣電路，接收該交流輸入電源的一輸入電壓。

在一實施例中，該微控制器透過一相移全橋方式控制該等開關導通與截止的切換。

在一實施例中，該微控制器根據該輸入電壓的大小，提供一輸入過電壓保護或一輸入欠電壓保護。

在一實施例中，該微控制器根據該輸出電壓的大小，提供一輸出過電壓保護或一輸出欠電壓保護。

在一實施例中，該微控制器根據該輸出電流的大小，提供一輸出過電流保護。

在一實施例中，該交流輸出電源作為一電漿電源供應器的高壓使用。

在一實施例中，該數位電源系統的輸出功率為1200瓦。

藉由所提出的中高功率可調頻之數位電源系統，其所提供的高壓輸出可作為電漿電源供應器的高壓使用。

為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明之目的、特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。

AC_IN:交流輸入電源

AC_OUT:交流輸出電源

10:電磁干擾濾波器

20:整流濾波電路

30:開關切換電路

40:升壓變壓器

50:輸入取樣電路

60:輸出取樣電路

70:微控制器

71:類比數位轉換單元

72:功率運算單元

73:控制信號產生單元

80:驅動電路

圖1：係為本發明中高功率可調頻之數位電源系統的方塊示意圖。

圖2：係為本發明中高功率可調頻之數位電源系統的電路圖。

圖3：係為本發明高功率可調頻之數位電源系統之輸入取樣電路與輸出取樣電路的電路圖。

圖4：係為本發明高功率可調頻之數位電源系統之微控制器的第一部分的電路圖。

圖5：係為本發明高功率可調頻之數位電源系統之微控制器的第二部分的電路圖。

茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。

請參見圖1所示，其係為本發明中高功率可調頻之數位電源系統的方塊示意圖。所述中高功率可調頻之數位電源系統用以接收一交流輸入電源AC_IN，且透過轉換該交流輸入電源AC_IN輸出一交流輸出電源AC_OUT。所述中高功率可調頻之數位電源系統包含一電磁干擾濾波器10、一整流濾波電路20、一開關切換電路30、一升壓變壓器40、一輸入取樣電路50、一輸出取樣電路60、一微微控制器70以及一驅動電路80。

配合參見圖2，其係為本發明中高功率可調頻之數位電源系統的電路圖。該電磁干擾濾波器(EMI filter)10接收該交流輸入電源AC_IN，用以抑制(濾除)從交流電源線上引入該交流輸入電源AC_IN的外部電磁干擾。如圖2所示，該電磁干擾濾波器10係由電感(L1)與電容(C1,CY1,CY2)所組成。該整流濾波電路20電性耦接該電磁干擾濾波器10，其具有整流與濾波功能，係透過圖2所示的二極體電橋(BD1)用以對經該電磁干擾濾波器10輸出的該交流輸入電源AC_IN進行全波整流，並且透過圖2所示的電感(L5)與電容(C75)對經整流後的該交流輸入電源AC_IN進行濾波。

該開關切換電路30電性耦接該整流濾波電路20，如圖2所示，其主體包含一第一開關(Q1)、一第二開關(Q2)、一第三開關(Q3)以及一第四開關(Q4)，透過對該等開關(Q1~Q4)進行控制，例如以相移全橋(phase shifted full bridge,PSFB)的控制架構，控制該等開關(Q1~Q4)導通與截止的切換，使該開關切換電路30輸出欲控制的輸出電壓與輸出電流。具體地，如圖2所示，以該等開關(Q1~Q4)為金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)為例，該驅動電路80包含兩個閘極驅動積體電路(gate driver IC)，分別為第一閘極驅動積體電路(U1)與第二閘極驅動積體電路(U2)。各該閘極驅動積體電路具有內部電氣隔離，以該第一閘極驅動積體 電路(U1)為例，其輸入側(左側)為非隔離側，透過VCC_5V所供電，其輸出側(右側)為隔離側，透過VDD_ISO_12V所供電。該輸入側接收該微控制器70所提供的脈衝寬度調變信號(PWMA,PWMB)，並且該第一閘極驅動積體電路(U1)根據該脈衝寬度調變信號(PWMA,PWMB)產生一第一閘極驅動信號(Q1_Gate)與一第二閘極驅動信號(Q2_Gate)進而分別地控制該第一開關(Q1)與該第二開關(Q2)導通與截止的切換。同樣地，該第二閘極驅動積體電路(U2)的輸入側接收該微控制器70所提供的脈衝寬度調變信號(PWMC,PWMD)，並且該第二閘極驅動積體電路(U2)根據該脈衝寬度調變信號(PWMC,PWMD)產生一第三閘極驅動信號(Q3_Gate)與一第四閘極驅動信號(Q4_Gate)進而分別地控制該第三開關(Q3)與該第四開關(Q4)導通與截止的切換。

該升壓變壓器40，如圖所示的變壓器(T1)電性耦接該開關切換電路30，並且將該開關切換電路30所產生的該輸出電壓升壓，例如，以該交流輸入電源AC_IN為220伏特為例，所轉換成的該輸出電壓約為300伏特，再經由該升壓變壓器40的初級側與次級側的線圈匝數比設計，可將300伏特的電壓升高至10千伏特的該交流輸出電源AC_OUT，以提供適當的供電需求，例如可作為電漿電源供應器(plasma power supply)的高壓使用。

該輸入取樣電路50電性耦接該整流濾波電路20，用以量測該交流輸入電源AC_IN的電壓大小。如圖3所示，該輸入取樣電路50具有內部電氣隔離的一第三積體電路(U3)，其輸入側(左側)為隔離側，透過VCC_ISO1_5V所供電，其輸出側(右側)為非隔離側，透過VCC_5V所供電。該輸入取樣電路50的輸入側透過接腳(Vin)接收該交流輸入電源AC_IN，並且量測該交流輸入電源AC_IN的大小，例如220伏特，進一步地透過其輸出側的增益電路(以U4為主體 的電阻、電容網路)，將該交流輸入電源AC_IN轉換為介於0~5伏特的量測電壓(M_Vin)，並且再傳送至該微控制器70。

該輸出取樣電路60電性耦接該開關切換電路30，用以量測該輸出電壓與輸出電流的大小。如圖3所示，該輸出取樣電路60具有內部電氣隔離的一第五積體電路(U5)，其輸入側(左側)為隔離側，透過VCC_ISO_5V所供電，其輸出側(右側)為非隔離側，透過VCC_5V所供電。該輸出取樣電路60的輸入側透過接腳(Vout)接收該輸出電壓，並且量測該輸出電壓的大小，例如300伏特，進一步地透過其輸出側的增益電路(以U6為主體的電阻、電容網路)，將該輸出電壓轉換為介於0~5伏特的量測電壓(M_Vout)，並且再傳送至該微控制器70。

再者，對於輸出電流的量測，在本實施例中，係以霍爾感測器(Hall sensor)量測輸出電流，所量測出來的輸出電流大小被轉換為介於0~5伏特的量測電流(M_Iin)，並且再傳送至該微控制器70。此外，如圖3所示，以U7為主體的電阻、電容網路接收從霍爾感測器所提供的量測電流(M_Iin)，並且轉換該量測電流(M_Iin)產生信號(NMI_DET)，可用以作為過電流(over current protection,OCP)中斷的硬體保護，換言之，若輸出電流過大，可根據對應的該量測電流(M_Iin)經轉換所得到的信號(NMI_DET)，提供過電流保護，藉此透過監控輸出電流提供其過電流保護。

如圖1所示，該微控制器70包含一類比數位轉換單元71、一功率運算單元72以及一控制信號產生單元73。在本實施例中，該微控制器70係為一微控制器，例如具有100支接腳的32位元微控制器一RX62T_LQFP100，然不以此為限制本發明。該微控制器(RX62T_LQFP100)以圖4與圖5的U11A與U11B呈現。該微控制器70的該類比數位轉換單元71接收介於0~5伏特的量測 電壓(M_Vin)，如圖4的接腳90所接收，該類比數位轉換單元71接收介於0~5伏特的量測電壓(M_Vout)，如圖4的接腳89所接收，該類比數位轉換單元71接收介於0~5伏特的量測電流(M_Iin)，如圖4的接腳91所接收。以輸入電壓(即量測電壓(M_Vin))為例，該類比數位轉換單元71將0~5伏特的量測電壓(M_Vin)轉換為16位元的二進制數位信號。同樣地，該類比數位轉換單元71將0~5伏特的量測電壓(M_Vout)以及0~5伏特的量測電流(M_Iin)分別轉換為16位元的二進制數位信號。

該功率運算單元72耦接該類比數位轉換單元71，且接收該類比數位轉換單元71所輸出對應該輸出電壓的16位元的二進制數位信號，以及接收該類比數位轉換單元71所輸出對應該輸出電流的16位元的二進制數位信號。該功率運算單元72根據該輸出電壓(以16位元的數位信號表示)以及該輸出電流(以16位元的數位信號表示)進而計算該電源系統的輸出功率大小。由於該輸出電壓大致上為定值，例如300伏特，因此該電源系統的輸出功率大小與該輸出電流為正相關的關係，亦即該輸出電流越大，該輸出功率越大，反之亦然。在本實施例中，該電源系統的輸出功率大小約為1200瓦，可謂為中高功率的電源系統。

該控制信號產生單元73耦接該功率運算單元72，且接收該功率運算單元72所運算得到的該輸出功率資訊。在本實施例中，該控制信號產生單元73係為一脈衝寬度調變信號產生器(PWM signal generator)。該控制信號產生單元73根據該功率運算單元72所提供的該輸出功率資訊進而輸出對應的脈衝寬度調變信號(PWMA)，如圖5的接腳56所輸出，該功率運算單元72輸出對應的脈衝寬度調變信號(PWMB)，如圖5的接腳53所輸出，該功率運算單元72輸出對應的脈衝寬度調變信號(PWMC)，如圖5的接腳55所輸出，該功率運算單元 72輸出對應的脈衝寬度調變信號(PWMD)，如圖5的接腳52所輸出。如圖2所示，其中，該脈衝寬度調變信號(PWMA,PWMB)係提供至該第一閘極驅動積體電路(U1)，並且該脈衝寬度調變信號(PWMC,PWMD)係提供至該第二閘極驅動積體電路(U2)，使得該第一閘極驅動積體電路(U1)根據該脈衝寬度調變信號(PWMA,PWMB)產生該第一閘極驅動信號(Q1_Gate)與該第二閘極驅動信號(Q2_Gate)進而分別地控制該第一開關(Q1)與該第二開關(Q2)導通與截止的切換，以及該第二閘極驅動積體電路(U2)根據該脈衝寬度調變信號(PWMC,PWMD)產生該第三閘極驅動信號(Q3_Gate)與該第四閘極驅動信號(Q4_Gate)進而分別地控制該第三開關(Q3)與該第四開關(Q4)導通與截止的切換，藉此控制(調整)該電源系統的輸出功率大小。

再者，該微控制器70可根據所接收到對應該交流輸入電源AC_IN的量測電壓(M_Vin)的大小，提供輸入電壓的過電壓保護(over voltage protection,OVP)或者欠電壓保護(under voltage protection,UVP)。同樣地，該微控制器70可根據所接收到對應該輸出電壓的量測電壓(M_Vout)的大小，提供輸出電壓的過電壓保護(over voltage protection,OVP)或者欠電壓保護(under voltage protection,UVP)。

綜上所述，本發明係具有以下之特徵與優點：

1、透過該升壓變壓器將電壓升高至10千伏特的該交流輸出電源，可作為電漿電源供應器的高壓使用。

2、利用該微控制器的數位處理，可大幅減少類比電路的設置，可減少其所佔用的面積與其所需的成本。

3、該微控制器根據該輸入電壓的大小，可提供輸入過電壓保護或輸入欠電壓保護；該微控制器根據該輸出電壓的大小，可提供輸出過電壓保護或輸出欠電壓保護；該微控制器根據該輸出電流的大小，提供輸出過電流保護。

4、可透過外部的頻率控制，例如透過面板上的旋鈕或按鍵的控制，達到可調頻的功能。

以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包含於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。

AC_IN:交流輸入電源

AC_OUT:交流輸出電源

10:電磁干擾濾波器

20:整流濾波電路

30:開關切換電路

40:升壓變壓器

50:輸入取樣電路

60:輸出取樣電路

70:微控制器

71:類比數位轉換單元

72:功率運算單元

73:控制信號產生單元

80:驅動電路

Claims (10)

1. 一種中高功率可調頻之數位電源系統，包含：一開關切換電路，具有複數個開關，接收一交流輸入電源，且轉換該交流輸入電源為一輸出電源；一輸出取樣電路，接收該輸出電源的一輸出電壓與一輸出電流；及一微控制器，包含：一類比數位轉換單元，接收該輸出電壓與該輸出電流，且轉換該輸出電壓與該輸出電流為一數位電壓信號與一數位電流信號；一功率運算單元，耦接該類比數位轉換單元，接收該數位電壓信號與該數位電流信號，且根據該數位電壓信號與該數位電流信號計算該功率資訊；及一控制信號產生單元，耦接該功率運算單元，接收該功率資訊，且根據該功率資訊產生該等控制信號對應地控制該等開關導通與截止的切換。
2. 如請求項1所述之中高功率可調頻之數位電源系統，更包含：一升壓變壓器，電性耦接該開關切換電路，接收該輸出電源，且對該輸出電源升壓以提供一交流輸出電源。
3. 如請求項1所述之中高功率可調頻之數位電源系統，更包含：一驅動電路，電性耦接該微控制器與該開關切換電路，接收該等控制信號，且轉換該等控制信號為複數個驅動信號，進而對應地驅動該等開關。
4. 如請求項1所述之中高功率可調頻之數位電源系統，更包含：一輸入取樣電路，接收該交流輸入電源的一輸入電壓。
5. 如請求項1所述之中高功率可調頻之數位電源系統，其中該微控制器透過一相移全橋方式控制該等開關導通與截止的切換。
6. 如請求項4所述之中高功率可調頻之數位電源系統，其中該微控制器根據該輸入電壓的大小，提供一輸入過電壓保護或一輸入欠電壓保護。
7. 如請求項1所述之中高功率可調頻之數位電源系統，其中該微控制器根據該輸出電壓的大小，提供一輸出過電壓保護或一輸出欠電壓保護。
8. 如請求項1所述之中高功率可調頻之數位電源系統，其中該微控制器根據該輸出電流的大小，提供一輸出過電流保護。
9. 如請求項2所述之中高功率可調頻之數位電源系統，其中該交流輸出電源作為一電漿電源供應器的高壓使用。
10. 如請求項1所述之中高功率可調頻之數位電源系統，其中該數位電源系統的輸出功率為1200瓦。

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