TWI818964B - 絕緣系統以及基底處理設備 - Google Patents

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Abstract

絕緣系統之範例包括數位隔離器，用於在其輸入側接收第一電源供應器的供應，以及在其輸出側接收第二電源供應器的供應；絕緣系統之範例亦包括輸出調整單元，用於接收第二電源供應器的供應、並在當第二電源供應器的電壓大於預定電壓時，直接輸出數位隔離器的輸出、以及在當第二電源供應器的電壓小於或等於預定電壓時，無論數位隔離器的輸出為何皆停止資料輸出。

Description

絕緣系統以及基底處理設備
本揭露係有關於一種絕緣系統及使用上述絕緣系統之基底處理設備。
目前，基於光耦合器(photo-coupler)的訊號絕緣方法已廣泛用於需要電氣絕緣(electrical insulation)的系統，例如工業設備或醫療設備。然而，由於諸如低資料率(data rate)、負載比(duty ratio)惡化等問題，使用光耦合器的系統變得難以應付當前的高速操作。因此，上述方法已被使用數位隔離器(digital isolator)的絕緣方法所取代，上述數位隔離器可解決這些問題。
舉例來說，ADS板被用於以50毫秒的週期控制與反應器(reactor)相關的AIO與DIO。在ADS板中，光耦合器被用作DO(digital output，數位輸出)的絕緣元件。當光耦合器被用作Fast ADS的絕緣元件時，無法達到50%的DO負載比，其中Fast ADS是為進一步高速驅動而開發的。因此，可以採用即使在高速驅動下也能實現50%負載比的數位隔離器。數位隔離器的輸出側可能在電源開啟期間、電源切斷期間等電源供應不穩定的狀態等狀態下，下降到不定狀態(indefinite state)。這種不定狀態可能會損害可靠性或安全性。
本文所述之一些實施例可處理上述問題。本文所述之一些實施例可提供可增進可靠性的一種絕緣系統及基底處理設備。
在一些實施例中，絕緣系統包括數位隔離器，用於在其輸入側接收第一電源供應器(power supply)的供應，以及在其輸出側接收第二電源供應器的供應；以及輸出調整單元，用於接收第二電源供應器的供應、並在當第二電源供應器的電壓大於預定電壓時，直接輸出數位隔離器的輸出、以及在當第二電源供應器的電壓小於或等於預定電壓時，無論數位隔離器的輸出為何皆停止資料輸出。
本揭露實施例所示之絕緣系統及基底處理設備將參考附圖詳述於此。相同或相應之構成元件由相同之參考編號表示，且可能省略其重複之描述。
第1圖所示係絕緣系統之範例的圖式。絕緣系統10包括具有數位隔離器的絕緣單元11、輸出單元14及控制器12。這些單元之個別配置將描述於下。
(1)絕緣單元11
在絕緣單元11中，舉例來說，數位隔離器被用作輸入與輸出之間的絕緣元件。絕緣單元11相對於絕緣單元11之中心處之虛線的右側與左側彼此間電性絕緣，但右側與左側之間仍可進行資料通信。在使用光耦合器的傳統系統中，資料率可能被限制在大約10Mbps，且由於高速操作的緣故，負載比也可能惡化到大約20%。另一方面，數位隔離器可實現高資料率，例如100Mbps或更高，且可實現極好的負載比，例如約50%。舉例來說，數位隔離器可由一或多個積體電路(IC)配置而成。
此數位隔離器在其輸入側接收第一電源供應器Vdd1的供應，並在其輸出側接收第二電源供應器Vdd2的供應。數位隔離器之輸入側上的接地端GND1與數位隔離器之輸出側的接地端GND2兩者彼此間並不相同。第2圖所示係數位隔離器之真值表(truth table)的範例的圖式。當第一電源供應器Vdd1及第二電源供應器Vdd2的電源供應正常執行時，對於L位準(level)的輸入Vin，輸出L位準作為輸出Vo_Tmp；而對於H位準的輸入Vin，輸出H位準作為輸出Vo_Tmp。
數位隔離器具有，舉例來說，眾所周知的故障自趨安全(fail-safe)輸出功能，因此即使第一電源供應器Vdd1被切斷，輸出Vo_Tmp仍會維持穩定。當第一電源供應器Vdd1並未執行電源供應，但第二電源供應器Vdd2正常執行電源供應時，於此範例中，輸出Vo_Tmp固定為L位準，但可固定為H位準。另一方面，當第二電源供應器Vdd2被切斷時，輸出Vo_Tmp下降到不定狀態。當在不定狀態下使用輸出Vo_Tmp時，下一狀態(next-state)連接系統可能無意地發生故障，進而可能損害可靠性和安全性。
(2)輸出單元14 如第1圖所示，輸出單元14具有一輸入終端14a、一控制終端14b以及一輸出終端14c。輸入終端14a連接至數位隔離器的輸出。因此，輸出單元14的輸入訊號為絕緣單元11的輸出訊號。控制終端14b連接至控制器12。控制終端14b接受來自控制器12的訊號，上述來自控制器12的訊號用以判斷是否允許自輸入終端14a到輸出終端14c的訊號通過。也就是說，控制終端14b的功能是作為輸出單元14的賦能(enable)終端ENb。
第3圖所示係輸出單元之真值表的範例的圖式。當控制終端14b的訊號位準為L時，輸出Vo_Tmp直接輸出以作為輸出Vout。另一方面，當控制終端14b的訊號位準為H時，自輸出Vo_Tmp到輸出Vout的訊號通道(signal passage)是不被允許的，且輸出Vout被設定為電性絕緣(electrically insulated)或高阻抗狀態(high-impedance state)。因此，可以說這個輸出單元14是具有用於賦能或逆賦能(disenable)訊號通道之賦能終端的輸出單元。
(3)控制器12 控制器12可採用多種配置，以用於在輸出單元14的控制終端14b中反映(reflect)第二電源供應器Vdd2的電壓狀態。控制終端14b的訊號位準會根據第二電源供應器Vdd2的電壓是正常還是異常而改變，據此可以判斷輸出單元14中的訊號通道是被賦能或是被逆賦能。
即使當絕緣單元11的輸出Vo_Tmp處於不定狀態時，作為絕緣系統之輸出的輸出單元14之輸出Vout也始終由上述輸出單元14及控制器12維持穩定，這防止了故障並提高可靠性及安全性。
在第1圖的絕緣系統10中，控制器12及輸出單元14構成輸出調整單元16。輸出調整單元16接收第二電源供應器Vdd2的供應。當第二電源供應器Vdd2的電壓大於預設電壓時，輸出調整單元16直接輸出數位隔離器的輸出，但在第二電源供應器Vdd2的電壓小於或等於預設電壓時，無論數位隔離器的輸出為何，輸出調整單元16皆停止資料輸出。上述操作可藉由多種電路配置來實施，這些電路配置可不同於第1圖之包括控制器12及輸出單元14的配置。舉例來說，可採用用於執行儲存於記憶體中之程式的專屬硬體或CPU(亦稱為中央處理單元、中央處理器、處理裝置、計算裝置、微處理器、微電腦、處理器、DSP等)。
第4圖所示係絕緣系統之配置的範例的圖式。於此範例中，輸出單元14為三態緩衝器(3-state buffer)。三態緩衝器電路是可以採用高/低位準狀態或高阻抗(Hi-Z)狀態作為輸出狀態的電路。控制器12包括第一電阻器R1及第二電阻器R2，它們串聯連接到第二電源供應器Vdd2及接地終端GND2。此外，亦提供具有閘極的開關元件Q1，上述閘極連接至介於第一電阻器R1與第二電阻器R2之間的中間點。介於第二電源供應器Vdd2與第一電阻器R1之間的中間點，與開關元件Q1之汲極，彼此間藉由第三電阻器R3連接在一起。開關元件Q1的源極連接到接地終端GND2。
第4圖所示之控制器12根據第二電源供應器Vdd2的狀態，將控制終端14b的連接切換至第二電源供應器Vdd2或接地終端GND2。也就是說，控制終端14b被設置為H位準狀態或L位準狀態。第4圖所示之控制器12被配置，使得當第二電源供應器Vdd2之電壓變得大於預定電壓時，開關元件Q1被開啟(turn on)以將接地終端GND2連接至控制終端14b；而當第二電源供應器Vdd2之電壓變得小於或等於預定電壓時，開關元件Q1被關閉(turn off)以經由電阻器將控制終端14b連接至第二電源供應器Vdd2。更具體地，當第二電源供應器Vdd2確實地供電時，開關元件Q1以由第一及第二電阻器R1及R2分壓的電壓Vtr開啟，且輸出被連接到接地終端GND2。另一方面，當第二電源供應器Vdd2處於未供電狀態(unpowered state)、供電暫態(power-on transient state)或截止暫態(cut-off transient state)且電壓因此未被正常供應時，控制器12的輸出經由第三電阻器R3被連接至第二電源供應器Vdd2。
接著，將描述第4圖所示之絕緣系統10的操作範例。
(A)正常操作 第5圖所示係操作範例的時間圖。當第一電源供應器Vdd1及第二電源供應器Vdd2都正常供電時，訊號以高資料率與極好的負載比自輸入Vin傳輸到輸出Vout。此時，開關元件Q1開啟，控制終端14b與接地終端GND2連接。
(B)當第一電源供應器Vdd1為不定之時 第6A圖所示係當第一電源供應器Vdd1於電源開啟期間處於不定之操作範例的時間圖。在自第6A圖中的左端到時間t1期間，第一電源供應器Vdd1未供電。輸出Vout由數位隔離器的故障自趨安全輸出功能固定。於此範例中，輸出Vout固定在L位準。
第6A圖中自時間t1到時間t2的期間是第一電源供應器Vdd1自L位準轉變為H位準的暫態期(transient period)。在此期間的初始時間，輸出Vout藉由故障自趨安全輸出功能固定為L位準，與未供電期間相同。當時間來到時間t_vdd時，第一電源供應器Vdd1的電壓達到數位隔離器的操作電壓，且操作切換到正常操作。此時，輸入Vin的狀態自輸出Vout被輸出。
第6A圖中自時間t2到右端的期間是第一電源供應器Vdd1正常供電的時段。在此期間，輸入Vin的訊號自輸出Vout被輸出。已經參考第6A圖描述了第一電源供應器Vdd1之電源開啟期間的操作。第6B圖所示係當第一電源供應器Vdd1被切斷時的操作的時間圖。在切斷期間的操作對應於藉由在電源開啟時反向進行操作而得到的操作。也就是說，當時間已經過時間t1並且到達時間t_vdd時，第一電源供應器Vdd1的電壓降低到數位隔離器的操作電壓，且在此時，輸出Vout被故障自趨安全輸出功能固定在L位準。
(C)當第二電源供應器Vdd2為不定之時 第7A圖所示係當第二電源供應器Vdd2在電源開啟期間處於不定之操作範例的時間圖。在自第7A圖中的左端到時間t1的期間，第二電源供應器Vdd2未供電。在此期間，數位隔離器的輸出Vo_tmp已經陷入不定狀態，如第2圖之真值表所示。作為結果，控制終端14b經由第三電阻器R3連接至第二電源供應器Vdd2，且同樣無電源供應。因此，控制終端14b被設定為H位準，且輸出Vout被設定為電性絕緣或高阻抗狀態。在絕緣或高阻抗狀態下，輸出Vout既不是高也不是低，並且被設定為好像它跟輸出終端內部之輸出電路實質上是分離的狀態。
第7A圖中自時間t1到時間t2的期間是第二電源供應器Vdd2自L位準轉變為H位準的暫態期。在此期間的初始時段，即自時間t1到第二電源供應器Vdd2之電壓已經達到數位隔離器之操作電壓的時間t_vdd的時段，第二電源供應器Vdd2的電壓增加，但輸出Vo_tmp仍舊維持不定狀態，一如無電源供應的情況。在控制器12中，電壓Vtr根據第二電源供應器Vdd2的增加而增加，但小於開關元件Q1的臨界值，因此開關元件Q1維持關閉狀態(off-state)。因此，輸出Vout維持電性絕緣或高阻抗狀態。
當時間到達時間t_vdd且第二電源供應器Vdd2的電壓變得大於數位隔離器的操作電壓時，輸入Vin的狀態自輸出Vo_tmp被輸出。當輸入Vin處於H位準時，輸出Vo_tmp增加，與第二電源供應器Vdd2的電壓的情況一樣。然而，藉由將開關元件Q1切換狀態的臨界值設定為大於數位隔離器的操作電壓，開關元件Q1可在時間到達時間t_vdd之後持續保持關閉狀態一段時間。因此，輸出Vout在時間到達時間t_vdd之後的一段時間內，仍舊保持電性絕緣或高阻抗。
之後，當時間t_tr到來時，電壓Vtr變得大於開關元件Q1的臨界值，且開關元件Q1開啟。作為結果，控制終端14b連接到接地終端GND2，且輸出Vo_tmp的狀態被輸出到輸出Vout。也就是說，輸入Vin輸出到輸出Vout。之後，當時間t2到來時，第二電源供應器Vdd2的電壓已達到H位準。在時間t2之後的期間，訊號自輸入Vin傳輸到輸出Vout。
如上所述，Vout的絕緣或高阻抗狀態在時間到達時間t_vdd且輸出Vo_tmp的不定狀態消失後，也不會立即釋放(release)，但在自時間t_vdd經過一定時間且時間t_tr到來之後，開關元件Q1開啟。藉由上述處理，使當輸出Vo_tmp的不定狀態由於操作的波動而稍微延長時，仍可防止Vout的絕緣或高阻抗狀態在輸出Vo_tmp的不定狀態下被釋放。
已經參考第7A圖描述了第二電源供應器Vdd2之電源開啟期間的操作。第7B圖所示係當第二電源供應器Vdd2被切斷時的操作的時間圖。在切斷期間的操作對應於藉由在電源開啟時反向進行操作而得到的操作。也就是說，當時間已經過時間t1並且到達時間t_tr時，輸出Vout被設定為電性絕緣或高阻抗狀態。之後，當時間已到達時間t_vdd並且第二電源Vdd2的電壓已降低到數位隔離器的操作電壓時，輸出Vo_tmp陷入不定狀態。
根據前述(A)至(C)所描述的操作，絕緣系統10的輸出Vout從未被設定為不定狀態，且輸出Vout的狀態總是穩定的，且特別的是，絕緣系統10在沒有輸出的情況下進入絕緣狀態，除非第二電源供應器Vdd2基本上確實地供電。因此，故障可被防止，且可靠性及安全性可被提高。此外，不僅是在電源開啟期間及電源切斷期間，且在第二電源供應器Vdd2中發生諸如瞬間壓降(voltage drop)等的另一個異常時，可以預期它們可以被處理。
第8圖所示係當第二電源供應器Vdd2發生瞬間壓降時之操作範例的圖式。Vo_tmp自時間t_vdd到下一個時間t_vdd的期間陷入不定狀態，但可藉由在該期間開始之前和該期間結束之後將輸出Vout設置為絕緣或高阻抗狀態來增強絕緣系統的可靠性。
第9圖所示係控制器12之電路的另一個範例之圖式。第9圖之控制器12防止顫動(chattering)以穩定操作。控制器12具有連接至第二電源供應器Vdd2的定電流電路(constant current circuit)20。定電流電路20的輸出作為電壓Vref輸入到比較器(comparator)22的負側(negative-side)輸入。電壓Vtr被施加到比較器22的正側(positive-side)輸入。比較器22的輸出連接到開關元件Q1的閘極。第10圖所示係第9圖之定電流電路20之配置的範例的示意圖。如第10圖所示，定電流電路20的配置可藉由運算放大器(operational amplifier)為之。
電壓Vtr以及Vref可由下列算式給定。 於第二電源供應器Vdd2的電源開啟期間，當滿足Vtr ＞ Vref+Vhys時，比較器22的輸出Voc被設定為H位準，且開關元件Q1開啟。作為結果，輸出單元14自輸出Vout輸出輸出Vo_temp。
另一方面，在第二電源供應器Vdd2的電源切斷期間，當滿足Vtr ＜ Vref-Vhys時，比較器22的輸出Voc被設定為L位準，且開關元件Q1被關閉。作為結果，輸出Vout被設定為絕緣或高阻抗狀態。
第11圖所示係電源開啟期間之電壓波形示意圖。當當第二電源供應器Vdd2的電壓增加時，電壓Vref的增加停止，並收斂(converge)到特定值。然而，電壓Vtr繼續增加。當電壓Vtr達到表示為Vref + Vhys的臨界值Vth1時，比較器22開啟開關元件Q1。另一方面，當第二電源供應器Vdd2的電壓減少時，電壓Vref的減少停止，並且收斂到特定值。然而，電壓Vtr繼續下降。當電壓Vtr達到表示為Vref-Vhys的臨界值Vth2時，比較器22關閉開關元件Q1。
因此，當第二電源供應器Vdd2的電壓變得大於預定的第一臨界值時，第9圖及第10圖的控制器12將控制終端14b連接至接地，而在當第二電源供應器Vdd2的電壓變得小於第二臨界值時，控制器12經由電組器將控制終端14b連接至第二電源供應器Vdd2，其中第二臨界值小於第一臨界值。藉由分別在電源開啟期間及電源切斷期間使用不同的臨界值，開關元件Q1受到控制，這可防止顫動以穩定操作，例如當第二電源供應器Vdd2發生波動等狀況的時候。
第12圖所示係基底處理設備之範例的示意圖。基底處理設備包括模組控制器40、IO板(IO board)41及裝置46。舉例來說，模組控制器40為傳送模組控制器(Transfer Module Controller,TMC)或處理模組控制器(Process Module Controller,PMC)。IO板41接收來自模組控制器40的指令，並控制裝置46。IO板41藉由經由絕緣系統10連接之CPU 42與DO(Digital Output，數位輸出)電路44所配置。絕緣系統10是具有上述任何配置之絕緣系統。第一電源供應器Vdd1及接地終端GND1用於CPU42和數位隔離器的一次側(primary side)，而第二電源供應器Vdd2及接地終端GND2則用於DO電路44及數位隔離器的二次側(secondary side)。
裝置46對應多種裝置，上述多種裝置之操作係基於來自IO板41之指令。舉例來說，裝置46是用於為基底提供氣體的氣體供應裝置。於此情況下，氣體供應裝置之ON/OFF的控制是基於來自IO板的指令。
舉例來說，裝置46可為RF產生器，用於對基底進行電漿處理。於此情況下，RF產生器之ON/OFF的控制是基於來自IO板的指令。用於基底處理等操作的其他裝置亦可用作裝置46。不具有不定狀態的高可靠性控制可藉由上述絕緣系統10實現。
10:絕緣系統
11‧‧‧絕緣單元 12‧‧‧控制器 14‧‧‧輸出單元 14a‧‧‧輸入終端 14b‧‧‧控制終端 14c‧‧‧輸出終端 16‧‧‧輸出調整單元 Vdd1‧‧‧第一電源供應器 Vdd2‧‧‧第二電源供應器 GND1‧‧‧接地端 GND2‧‧‧接地端 Vin‧‧‧輸入 Vo_tmp‧‧‧輸出 ENb‧‧‧賦能終端 Vout‧‧‧輸出 Q1‧‧‧開關元件 R1‧‧‧第一電阻器 R2‧‧‧第二電阻器 R3‧‧‧第三電阻器 Vtr‧‧‧電壓 t1-t2‧‧‧時間 t_vdd‧‧‧時間 t_tr‧‧‧時間 20‧‧‧定電流電路 22‧‧‧比較器 Vref‧‧‧電壓 Vhys‧‧‧電壓 Voc‧‧‧輸出 Iref‧‧‧電流 R4-R6‧‧‧電阻 Vth1-Vth2‧‧‧臨界值 40‧‧‧模組控制器 41‧‧‧IO板 42‧‧‧CPU 44‧‧‧DO電路 46‧‧‧裝置
第1圖所示係絕緣系統之範例的圖式。
第2圖所示係數位隔離器之真值表的範例的圖式。
第3圖所示係輸出單元之真值表的範例的圖式。
第4圖所示係絕緣系統之配置的範例的圖式。
第5圖所示係操作範例的時間圖(timing chart)。
第6A-6B圖所示係操作範例的時間圖。
第7A-7B圖所示係操作範例的時間圖。
第8圖所示係操作範例的時間圖。
第9圖所示係控制器之範例的圖式。
第10圖所示係定電流電路(constant current circuit)之配置的範例的圖式。
第11圖所示係電源開啟期間之電壓波形的圖式。
第12圖所示係基底處理設備之範例的圖式。
10‧‧‧絕緣系統
11‧‧‧絕緣單元
12‧‧‧控制器
14‧‧‧輸出單元
14a‧‧‧輸入終端
14b‧‧‧控制終端
14c‧‧‧輸出終端
16‧‧‧輸出調整單元
Vdd1‧‧‧第一電源供應器
Vdd2‧‧‧第二電源供應器
GND1‧‧‧接地端
GND2‧‧‧接地端
Vin‧‧‧輸入
Vo_tmp‧‧‧輸出
ENb‧‧‧賦能終端
Vout‧‧‧輸出

Claims (8)

  1. 一種絕緣系統，包括：一數位隔離器，被配置以在其輸入側接收一第一電源供應器的供應，以及在其輸出側接收一第二電源供應器的供應；以及一輸出調整單元，被配置以接收上述第二電源供應器的供應、並在當上述第二電源供應器的電壓大於一預定電壓時，直接輸出上述數位隔離器的輸出、以及在當上述第二電源供應器的電壓小於或等於上述預定電壓時，無論上述數位隔離器的輸出為何皆停止資料輸出。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之絕緣系統，其中上述輸出調整單元具有一輸出單元及一控制器，上述輸出單元具有一輸入終端、一控制終端及一輸出終端，上述輸入終端連接至上述數位隔離器的輸出，且上述控制器反映上述控制終端中上述第二電源供應器的一電壓狀態。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之絕緣系統，其中上述輸出單元包括一三態緩衝器，且當上述第二電源供應器的電壓變得大於上述預定電壓時，上述控制器會將上述控制終端連接至一接地，並在當上述第二電源供應器的電壓變得小於或等於上述預定電壓時，經由一電阻器將上述控制終端連接至上述第二電源供應器。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之絕緣系統，其中上述控制器包括：一第一電阻器及一第二電阻器，上述第一電阻器及上述第二電阻器串聯連接至上述第二電源供應器及上述接地；一開關元件，具有一閘極及一源極，上述閘極連接至上述第一電阻器與上述第二電阻器之間的中間點，而上述源極連接至上述接地；一第三電阻器，被配置以連接上述開關元件之一汲極，以及連接上述第二電源供應器與上述第一電阻器之間的中間點；以及 其中上述開關元件切換狀態的一臨界值大於上述數位隔離器的一操作電壓。
  5. 如申請專利範圍第2項所述之絕緣系統，其中上述輸出單元包括一三態緩衝器，且當上述第二電源供應器的電壓變得大於一第一臨界值時，上述控制器會將上述控制終端連接至一接地，並在當上述第二電源供應器的電壓變得小於一第二臨界值時，經由一電阻器將上述控制終端連接至上述第二電源供應器，其中上述第二臨界值小於上述第一臨界值。
  6. 一種基底處理設備，包括：一模組控制器；一輸入輸出(IO)板，被配置以接收來自上述模組控制器的指令；一裝置，上述裝置之操作係基於來自上述輸入輸出板的指令，其中上述輸入輸出板包括一數位隔離器，上述數位隔離器配置以在其輸入側接收一第一電源供應器的供應，以及在其輸出側接收一第二電源供應器的供應，上述輸入輸出板亦包括一輸出調整單元，上述輸出調整單元被配置以接收上述第二電源供應器的供應、並在當上述第二電源供應器的電壓大於一預定電壓時，直接輸出上述數位隔離器的輸出、以及在當上述第二電源供應器的電壓小於或等於上述預定電壓時，無論上述數位隔離器的輸出為何皆停止資料輸出。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之基底處理設備，其中上述裝置為一氣體供應裝置，被配置以為一基底提供供應氣體，且上述氣體供應裝置之開啟/關閉的控制，是基於來自上述輸入輸出板的指令。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之基底處理設備，其中上述裝置為一RF產生器，被配置以對一基底進行電漿處理，且上述RF產生器之開啟/關閉的控制，是基於來自上述輸入輸出板的指令。
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