TWI902390B

TWI902390B - 基於平衡功放的能量過沖抑制電路及其控制方法

Info

Publication number: TWI902390B
Application number: TW113129672A
Authority: TW
Inventors: 林偉群; 黃國華; 毛元韜; 樂衛平
Original assignee: 大陸商深圳市恒運昌真空技術股份有限公司
Priority date: 2023-11-02
Filing date: 2024-08-08
Publication date: 2025-10-21
Also published as: TW202520603A; WO2025092010A1; CN117353260B; CN117353260A

Abstract

本發明涉及一種基於平衡功放的能量過沖抑制電路及其控制方法，屬於瞬態能量抑制技術領域，解決了現有能量過沖抑制方式的電路結構複雜等問題。該電路包括耦合器一、耦合器二、阻抗網路一、阻抗網路二、放大器和、電阻及；功率電源的輸出端連接耦合器一的共源端，耦合器一的通路端、耦合端分別連接阻抗網路一、二的輸入端，耦合器一的隔離端連接電阻後接地；阻抗網路一、二的輸出端分別連接放大器、的輸入端，放大器、的輸出端分別連接耦合器二的耦合端、通路端，耦合器二的共源端連接負載，耦合器二的隔離端連接電阻

Description

基於平衡功放的能量過沖抑制電路及其控制方法

本發明涉及瞬態能量抑制技術領域，尤其涉及一種基於平衡功放的能量過沖抑制電路及其控制方法。

射頻電源不僅廣泛應用在無線通訊設備中，也在等離子體系統中作為供能電源。在射頻電源-等離子體系統中，射頻電源的功率變化會影響等離子體的等效阻抗，等離子體阻抗的變化也會影響射頻電源的功率。在低氣壓和低功率情況下，功率依賴的等離子阻抗和負載依賴的射頻功率系統會產生明顯的不穩定現象。在脈衝應用中，等離子阻抗的激變會引起射頻功率的過沖。

當負載的阻抗與功率電源、傳輸線的阻抗不匹配時，就會產生反射功率。過大的反射功率會導致功率電源能量過沖，甚至破壞電路和設備。因此，採用適當的方法去抑制能量過沖具有研究意義。

現有的減少反射功率達到抑制能量過沖的方法包括：

（1）純阻抗網路匹配：在負載與電源中加入電感、電容網路，使得負載的阻抗與功率電源、傳輸線的阻抗共軛，包括L型、T型、型。阻抗網路匹配分為手動調節和自動調節，主要通過調節電容的大小來調節阻抗網路大小。

（2）複雜的回饋控制電路。

現有的能量過沖抑制方式存在以下缺陷：

（1）需要複雜的控制電路，涉及到的元件多，電路成本高。

（2）當負載快速變化時，由於控制有延時性以及精度問題，依然會存在一定的能量過沖問題。

鑒於上述的分析，本發明實施例旨在提供一種基於平衡功放的能量過沖抑制電路及其控制方法，用以解決現有能量過沖抑制方式存在的電路結構複雜、抑制方式效果較差的問題。

一方面，本發明提供了一種基於平衡功放的能量過沖抑制電路，所述抑制電路包括：耦合器一、耦合器二、阻抗網路一、阻抗網路二、放大器、放大器、電阻及電阻；其中，功率電源的輸出端連接耦合器1的共源端，耦合器1的通路端、耦合端分別連接阻抗網路一、阻抗網路二的輸入端，耦合器一的隔離端連接電阻後接地；阻抗網路一、阻抗網路二的輸出端分別連接放大器、放大器的輸入端，放大器、放大器的輸出端分別連接耦合器二的耦合端、通路端，耦合器二的共源端連接負載，耦合器二的隔離端連接電阻後接地。

在上述方案的基礎上，本發明還做出了如下改進：

進一步，所述抑制電路還包括控制模組；所述控制模組用於當耦合器2的共源端未產生反射功率時，測量並處理所述負載的實際輸入功率，得到功率電源輸出功率控制信號；並基於所述功率電源輸出功率控制信號調節所述功率電源的輸出功率。

進一步，在所述控制模組中，對所述負載的理想輸入功率與實際輸入功率之間的偏差量進行PID(Proportion Integration Differentiation，比例-積分-微分)調節，得到所述功率電源輸出功率控制信號。

進一步，當耦合器二的共源端產生反射功率時，利用耦合器二、放大器和放大器消除反射功率。

進一步，所述抑制電路還包括電壓感測器、電流感測器及DSP(Digital Signal Processing，數位訊號處理)；電壓感測器、電流感測器分別用於採集耦合器二的共源端的電壓、電流；DSP根據所述電壓和電流計算耦合器二的共源端的正向功率和反射功率，以判斷所述抑制電路是否產生反射功率。

進一步，所述耦合器一和耦合器二的結構相同，均為45°定向耦合器。

進一步，在所述抑制電路中，放大器和放大器完全相同。

另一方面，本發明還提供了一種上述基於平衡功放的能量過沖抑制電路的控制方法，所述方法包括：將功率電源的輸出功率輸入耦合器一的共源端，耦合器一對功率電源的輸出功率進行分解，從耦合器一的通路端、耦合端分別輸出幅值相同、相位相反的電壓；放大器、放大器分別對耦合器1的通路端、耦合端輸出的電壓進行放大，放大器、放大器分別將放大後的電壓輸入耦合器二的耦合端、通路端；耦合器二的共源端向負載輸出功率；判斷耦合器二的共源端是否產生反射功率；若產生反射功率，利用耦合器二和放大器、放大器消除所述反射功率。

在上述方案的基礎上，本發明還做出了如下改進：

進一步，所述利用耦合器二和放大器、放大器消除所述反射功率，包括：反射電壓從耦合器二的共源端輸入，然後從耦合器二的通路端、耦合端分別輸出幅值相同、相位相反的電壓；耦合器二的通路端、耦合端輸出的電壓分別被放大器、放大器阻擋，耦合器二的通路端、耦合端輸出的電壓幅值分別以放大器、放大器的反射係數為倍數變化、相位不變；被放大器、放大器阻擋反射回來的電壓分別從耦合器二的通路端、耦合端輸入，耦合器二的共源端輸出相位相反、幅度相等的電壓，反射功率消除。

進一步，所述方法還包括：若耦合器二的共源端未產生反射功率，測量並處理負載的實際輸入功率，得到功率電源輸出功率控制信號，並基於所述功率電源輸出功率控制信號調節功率電源的輸出功率。

與現有技術相比，本發明至少可實現如下有益效果之一：

本發明提供的基於平衡功放的能量過沖抑制電路，通過在功率電源與負載中間增加一個平衡功放，使得產生的反射功率無法影響功率電源，同時加入PID回饋調節，平衡功放與控制模組共同確保功率電源的輸出穩定在預定範圍且能夠有效抑制能量過沖。具體說明如下：

（1）電路結構簡單。無需複雜的電路網路，無需計算過多參數。

（2）利用平衡功放本身的性能去解決反射功率導致的能量過沖問題，不受負載變化的影響，不用考慮控制精度以及延時性問題，更加穩定。

（3）平衡功放具備良好的輸入輸出匹配特性，同時可以將功率放大。

（4）簡單的PID控制模組自動調節電源的輸出功率，確保負載預定輸入功率，同時在負載獲得預定輸入功率的過程中不發生能量過沖問題。

（5）相比起90°或者其他的耦合器，本實施例提出的45°的耦合器可以保證從兩個埠輸出的能量相同，在傳輸的過程中更好地減少功率的損失、以及更好地實現能量過沖抑制功能。

由於本發明中控制方法與上述控制電路的原理相同，所以本發明中的控制方法也具有上述控制電路相應的技術效果。

本發明中，上述各技術方案之間還可以相互組合，以實現更多的優選組合方案。本發明的其他特徵和優點將在隨後的說明書中闡述，並且，部分優點可從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發明而瞭解。本發明的目的和其他優點可通過說明書以及附圖中所特別指出的內容中來實現和獲得。

下面結合附圖來具體描述本發明的優選實施例，其中，附圖構成本申請一部分，並與本發明的實施例一起用於闡釋本發明的原理，並非用於限定本發明的範圍。

本發明的一個具體實施例1，公開了一種基於平衡功放的能量過沖抑制電路，電路結構圖如圖1所示，該抑制電路包括：耦合器一、耦合器二、阻抗網路一、阻抗網路二、放大器、放大器、電阻及電阻；其中，功率電源的輸出端連接耦合器一的共源端（圖1中的埠2），耦合器一的通路端（圖1中的埠1）、耦合端（圖1中的埠4）分別連接阻抗網路一、阻抗網路二的輸入端，耦合器一的隔離端（圖1中的埠3）連接電阻後接地；阻抗網路一、阻抗網路二的輸出端分別連接放大器、放大器的輸入端，放大器、放大器的輸出端分別連接耦合器二的耦合端、通路端，耦合器二的共源端連接負載，耦合器二的隔離端連接電阻後接地。

與現有技術相比，本實施例提供的基於平衡功放的能量過沖抑制電路，電路結構較為簡單，成本較低，有效克服了現有能量過沖抑制方式存在的電路結構複雜的問題。同時，當檢測到反射功率時，耦合器二和放大器、放大器可配合消除反射功率，能夠有效抑制反射功率。

優選地，本實施例中的抑制電路還包括控制模組；所述控制模組用於當耦合器2的共源端未產生反射功率時，測量並處理所述負載的實際輸入功率，得到功率電源輸出功率控制信號；並基於所述功率電源輸出功率控制信號調節所述功率電源的輸出功率。通過設置控制模組，能夠逐步調節功率電源的輸出功率，從而防止能量過沖。具體地，在控制模組中，對負載的理想輸入功率與實際輸入功率之間的偏差量進行PID(比例積分微分)調節，得到功率電源輸出功率控制信號。

此外，本實施例中的抑制電路還包括電壓感測器、電流感測器及DSP(數位訊號處理（Digital signal processing)；

其中，電壓感測器、電流感測器分別用於採集耦合器二的共源端的電壓、電流；DSP根據所述電壓和電流計算耦合器二的共源端的正向功率和反射功率，以判斷所述抑制電路是否產生反射功率。具體實施過程中，DSP根據電壓感測器、電流感測器檢測到的耦合器二的共源端的採樣信號的大小和相位來計算正向功率和反射功率，正向功率和反射功率可以分別被認為是流向負載的功率和從負載反射回來的功率。正向功率減去反射功率是在負載中耗散的功率稱為負載功率。

下面，對本實施例中的抑制電路做如下具體介紹：

（1）阻抗網路一、阻抗網路二：

由電容和電感組成的無需控制電路的阻抗網路，功能是使得耦合器一的通路端、耦合端所接等效負載阻抗大小與特徵阻抗相同，消除由於阻抗不匹配產生的反射功率。

需要說明的是，在本實施例中，將耦合器一的通路端、耦合端的輸出端的整體看做負載，則其負載的等效阻抗，即為耦合器一的通路端、耦合端所接等效負載阻抗。

（2）放大器、放大器：

兩個放大器完全相同，放大器、放大器的放大倍數、完全相同，反射係數、完全相同。

在本實施例中，放大器具備兩方面作用：一方面，將耦合器一的通路端和耦合端輸出的信號分別放大、倍；另一方面，與耦合器二一起阻擋反射功率傳輸到功率電源。

（3）電阻、：

電阻、的大小與特徵阻抗相同。

（4）耦合器一和耦合器二：

耦合器一和耦合器二的結構相同，均為45°定向耦合器。在本實施例中，以圖1所示的基於平衡功放的能量過沖抑制電路的電路圖中的耦合器為示例，介紹耦合器一和耦合器二在抑制電路中的功能。圖1中的45°定向耦合器包括：電容、電容、電容和電容，耦合電感和耦合電感；其中，電容的一端連接耦合電感的同名端，耦合電感的異名端連接電容的一端；電容的一端連接耦合電感的同名端，耦合電感的異名端連接電容的一端；電容的另一端、電容的另一端、電容的另一端與電容的另一端均接地。由圖1可知，耦合器是x、y軸對稱結構，所以每個埠都可以作為輸入口（共源端）。因此，在如圖1所示的耦合器的電路結構中，在兩個耦合電感的四個埠處，任意確定一個埠作為共源端，共源端的對角埠為隔離端，剩餘兩個埠分別為通路端、耦合端。示例性地，在圖1中，將耦合電感的同名端、異名端分別作為耦合器的通路端、共源端；耦合電感的同名端、異名端分別作為耦合器的隔離端、耦合端。在上述45°定向耦合器中，功率電源的頻率為，特徵阻抗為，則電容、電容、電容和電容的大小均為；耦合電感和耦合電感的大小均為，耦合電感和耦合電感的電感耦合度。

在本實施例中，耦合器一和耦合器二的結構雖然相同，但兩者在電路中的作用、輸入埠、輸出埠、接地埠的分佈並不相同。下面分別從在電源功率正向傳播的方向上、當負載的阻抗與功率電源和射頻傳輸線的阻抗不匹配時兩種情況討論兩個耦合器的工作過程：

（1）在電源功率正向傳播的方向上：

耦合器一的功能是將輸入電壓分解成幅值大小相同、相位相反（相移分別為-45°和45°）的兩個電壓，如圖2所示。功率電源的輸出端和耦合器一的共源端相連接，輸入大小為V、相位為的電壓。耦合器一的通路端輸出大小為V、相位為-45°的電壓，耦合器一的耦合端輸出大小為V、相位為45°的電壓。耦合器一的隔離端接電阻。理想狀態下，耦合器一的通路端和耦合端的輸出功率相同，且大小為耦合器一的共源端的輸入功率的一半，耦合器1的隔離端的輸出功率為0，相當於將耦合器一的共源端的輸入功率均分，分別在通路端、耦合端輸出。

耦合器二的功能是將耦合器二的耦合端、通路端的輸入電壓耦合，如圖3所示。耦合器二的通路端與放大器的輸出端相連接，輸入大小為、相位為45°的電壓；耦合器二的耦合端與放大器的輸出端相連接，輸入大小為、相位為-45°的電壓；耦合器二的共源端與負載相連接，輸出大小為V、相位為的電壓。耦合器二的隔離端經由電阻接地，輸出相位相反的電壓。理想狀態下，耦合器二的共源端的輸出功率的大小為耦合器二的通路端與耦合端的輸入功率的和。

（2）當負載的阻抗與功率電源、傳輸線的阻抗不匹配時：

在耦合器二的共源端處產生反射功率，假設相應的反射電壓為，此時，耦合器二與放大器、放大器可以消除反射功率對功率電源的影響，反射功率消除過程參考圖4到圖7。當產生反射功率時，反射電壓輸入耦合器二的共源端，如圖4所示。經過耦合器二的分解，通過耦合器二的耦合端、通路端分別輸出幅值相同、相位相反的電壓，如圖5所示。耦合器二的耦合端、通路端的輸出電壓分別被放大器、放大器阻擋反射，如圖6所示。被放大器、放大器阻擋反射回來的電壓分別從耦合器二的耦合端、通路端輸入，耦合器二的共源端輸出相位相反、幅度相等的電壓，反射功率消除，如圖7所示。同時，雖然耦合器二的共源端與隔離端的輸出電壓雖然幅值相同，但是耦合器二的隔離端經過電阻後接地，從而使得從耦合器二的隔離端輸出的功率以熱量的形式被耗散。因此，反射功率被耦合器二與兩個放大器阻擋並消除，從而無法影響到功率電源。

需要說明的是，45°定向耦合器有多種形式，對耦合器中電感與電容的個數不做限定，對電路的類型也不做限定。實際應用過程中，還可以使用微帶線形式的45°定向耦合器。或將圖1中的四個電容等效為兩個電容（電容和電容等效成一個電容，電容和電容等效成一個電容），得到兩電容形式的45°定向耦合器，如圖8所示。此時，兩個電容的大小均為，兩個耦合電感的大小均為。

基於上述分析可知，在本實施例提供的基於平衡功放的能量過沖抑制電路中，設置了兩條路徑來抑制能量過沖：

（1）消除干擾，利用所提出的45°定向耦合器與放大器自身的工作性質，使得反射功率無法影響電源功率。在耦合器一處，通過穩定的阻抗匹配最大程度減少反射功率；在耦合器二及兩個放大器處，將產生的反射功率一部分輸送到接地端，一部分通過幅值大小相同、相位相反的電壓相互抵消。

（2）PID調節。通過PID調節使得輸出功率逐步穩定在正常範圍，也使系統在受到干擾時穩定，也能抑制能量過沖。

綜上所述，本實施例提供的基於平衡功放的能量過沖抑制電路，通過在功率電源與負載中間增加一個平衡功放，使得產生的反射功率無法影響功率電源，同時加入PID回饋調節，平衡功放與控制模組共同確保功率電源的輸出穩定在預定範圍且能夠有效抑制能量過沖。本實施例的有益效果具體說明如下：

本發明的一個具體實施例2，公開了一種基於平衡功放的能量過沖抑制電路的控制方法，流程圖如圖9所示，該方法包括以下步驟：

步驟S1：將功率電源的輸出功率輸入耦合器一的共源端，耦合器一對功率電源的輸出功率進行分解，從耦合器一的通路端、耦合端分別輸出幅值相同、相位相反的電壓。

步驟S2：放大器、放大器分別對耦合器1的通路端、耦合端輸出的電壓進行放大，放大器、放大器分別將放大後的電壓輸入耦合器二的耦合端、通路端；耦合器二的共源端向負載輸出功率。

步驟S3：判斷耦合器二的共源端是否產生反射功率。

步驟S4：若產生反射功率，利用耦合器二和放大器、放大器消除所述反射功率。

此外，該方法還可以包括以下步驟：

步驟S5：若耦合器二的共源端未產生反射功率，測量並處理負載的實際輸入功率，得到功率電源輸出功率控制信號，並基於所述功率電源輸出功率控制信號調節功率電源的輸出功率。

具體地，在步驟S4中，利用耦合器二和放大器、放大器消除所述反射功率，具體包括包括：

步驟S41：反射電壓從耦合器二的共源端輸入，然後從耦合器二的通路端、耦合端分別輸出幅值相同、相位相反的電壓。

步驟S42：耦合器二的通路端、耦合端輸出的電壓分別被放大器、放大器阻擋，耦合器二的通路端、耦合端輸出的電壓幅值分別以放大器、放大器的反射係數為倍數變化、相位不變。

步驟S43：被放大器、放大器阻擋反射回來的電壓分別從耦合器二的通路端、耦合端輸入，耦合器二的共源端輸出相位相反、幅度相等的電壓，反射功率消除。

需要說明的是，本發明方法實施例的具體實施過程參見上述電路實施例即可，本實施例在此不再贅述。

由於本實施例與上述電路實施例原理相同，所以本方法實施例也具有上述電路實施例相應的技術效果。

本領域技術人員可以理解，實現上述實施例方法的全部或部分流程，可以通過電腦程式來指令相關的硬體來完成，所述的程式可存儲於電腦可讀存儲介質中。其中，所述電腦可讀存儲介質為磁片、光碟、唯讀存儲記憶體或隨機存儲記憶體等。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。

:放大器

:電阻

:耦合電感

:電容

附圖僅用於示出具體實施例的目的，而並不認為是對本發明的限制，在整個附圖中，相同的參考符號表示相同的部件。

圖1為本發明實施例1提供的基於平衡功放的能量過沖抑制電路的電路圖。圖2為本發明實施例1提供的電源功率正向傳播時耦合器一的工作示意圖。圖3為本發明實施例1提供的電源功率正向傳播時耦合器二的工作示意圖。圖4為本發明實施例1提供的反射電壓輸入耦合器二的共源端的工作示意圖。圖5為本發明實施例1提供的耦合器二的耦合端、通路端分別輸出幅值相同、相位相反的電壓的工作示意圖。圖6為本發明實施例1提供的耦合器二的耦合端、通路端的輸出電壓分別被放大器、放大器阻擋反射的工作示意圖。圖7為本發明實施例1提供的反射功率消除時的耦合器二的工作示意圖。圖8為本發明實施例1提供的兩電容形式的45°定向耦合器。圖9為本發明實施例2提供的基於平衡功放的能量過沖抑制電路的控制方法的流程圖。

:放大器

:電阻

:耦合電感

:電容

Claims

一種基於平衡功放的能量過沖抑制電路，其所述抑制電路包括：耦合器一、耦合器二、阻抗網路一、阻抗網路二、放大器、放大器、電阻及電阻；其中，功率電源的輸出端連接耦合器一的共源端，耦合器一的通路端、耦合端分別連接阻抗網路一、阻抗網路二的輸入端，耦合器一的隔離端連接電阻後接地；阻抗網路一、阻抗網路二的輸出端分別連接放大器、放大器的輸入端，放大器、放大器的輸出端分別連接耦合器二的耦合端、通路端，耦合器二的共源端連接負載，耦合器二的隔離端連接電阻後接地；所述抑制電路包括控制模組；所述控制模組用於當耦合器二的共源端未產生反射功率時，測量並處理所述負載的實際輸入功率，得到功率電源輸出功率控制信號；並基於所述功率電源輸出功率控制信號調節所述功率電源的輸出功率。
如請求項1所述之基於平衡功放的能量過沖抑制電路，其中，在所述控制模組中，對所述負載的理想輸入功率與實際輸入功率之間的偏差量進行PID(Proportion Integration Differentiation，比例-積分-微分)調節，得到所述功率電源輸出功率控制信號。
如請求項1所述之基於平衡功放的能量過沖抑制電路，其中，當該耦合器二的共源端產生反射功率時，利用該耦合器二、放大器和放大器消除反射功率。
如請求項1所述之基於平衡功放的能量過沖抑制電路，其中，所述抑制電路還包括電壓感測器、電流感測器及DSP(Digital Signal Processing，數位訊號處理)；電壓感測器、電流感測器分別用於採集耦合器二的共源端的電壓、電流；DSP根據所述電壓和電流計算耦合器二的共源端的正向功率和反射功率，以判斷所述抑制電路是否產生反射功率。
如請求項4所述之基於平衡功放的能量過沖抑制電路，其中，所述耦合器一和耦合器二的結構相同，均為45°定向耦合器。
如請求項5所述之基於平衡功放的能量過沖抑制電路，其中，在所述抑制電路中，放大器和放大器完全相同。
一種請求項1~6中任一項所述之基於平衡功放的能量過沖抑制電路的控制方法，所述方法包括：將功率電源的輸出功率輸入耦合器一的共源端，耦合器一對功率電源的輸出功率進行分解，從耦合器一的通路端、耦合端分別輸出幅值相同、相位相反的電壓；放大器、放大器分別對耦合器一的通路端、耦合端輸出的電壓進行放大，放大器、放大器分別將放大後的電壓輸入耦合器二的耦合端、通路端；耦合器二的共源端向負載輸出功率；判斷耦合器二的共源端是否產生反射功率；若產生反射功率，利用耦合器二和放大器、放大器消除所述反射功率。
如請求項7所述之基於平衡功放的能量過沖抑制電路的控制方法，所述利用耦合器二和放大器、放大器消除所述反射功率，包括：反射電壓從耦合器二的共源端輸入，然後從耦合器二的通路端、耦合端分別輸出幅值相同、相位相反的電壓；耦合器二的通路端、耦合端輸出的電壓分別被放大器、放大器阻擋，耦合器二的通路端、耦合端輸出的電壓幅值分別以放大器、放大器的反射係數為倍數變化、相位不變；被放大器、放大器阻擋反射回來的電壓分別從耦合器二的通路端、耦合端輸入，耦合器二的共源端輸出相位相反、幅度相等的電壓，反射功率消除。
如請求項7或8所述之基於平衡功放的能量過沖抑制電路的控制方法，其中，所述方法還包括：若耦合器二的共源端未產生反射功率，測量並處理負載的實際輸入功率，得到功率電源輸出功率控制信號，並基於所述功率電源輸出功率控制信號調節功率電源的輸出功率。