專利名稱：用于控制射頻功率的方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及等離子體處理設(shè)備的控制系統(tǒng)。具體而言，本發(fā)明涉及用于控制射頻(RF)功率輸送系統(tǒng)的系統(tǒng)與方法。背景RF功率輸送系統(tǒng)通常以約400kHz至約200MHz之間的頻率向動(dòng)態(tài)負(fù)載提供功率。 在科學(xué)、工業(yè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用中使用的頻率約為2MHz、13. 56MHz和27MHz。取決于應(yīng)用，以脈沖和/或連續(xù)波模式將RF功率傳輸至負(fù)載。由于半導(dǎo)體特征的尺寸持續(xù)變小，在半導(dǎo)體制造中控制所傳輸?shù)腞F功率變得越發(fā)重要。更精確地控制RF功率參數(shù)的能力能使半導(dǎo)體制造商獲得更小的半導(dǎo)體特征。然而，當(dāng)將RF功率傳輸給動(dòng)態(tài)負(fù)載時(shí)這是非常困難的。存在各種方法用于控制傳輸給動(dòng)態(tài)負(fù)載的脈沖RF功率。一個(gè)方法是使用已知操作參數(shù)的查詢表格來(lái)以逐個(gè)脈沖為基礎(chǔ)控制所傳輸?shù)腞F功率的幅值和形狀。另一個(gè)方法是使用在標(biāo)稱操作點(diǎn)附近的優(yōu)化的、不變的參數(shù)估計(jì)。第三個(gè)方法是使用高帶寬和/或高速組件(如，電源感測(cè)電路、數(shù)字信號(hào)處理器、和/或前置調(diào)節(jié)器)來(lái)以逐個(gè)脈沖為基礎(chǔ)調(diào)節(jié)所傳輸?shù)腞F功率的幅值和形狀。然而，這些已知方法的每一個(gè)都存在問題。在第一和第二個(gè)方法中，當(dāng)處理?xiàng)l件隨著查詢表格中的值或標(biāo)稱操作點(diǎn)而改變和/或漂移時(shí)，性能可降低。在第三個(gè)方法中，高速組件極大地增加了控制系統(tǒng)的成本。另外，由于與高增益和高帶寬系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的電噪聲，控制系統(tǒng)易經(jīng)受性能下降。存在多種方法用于將RF功率傳輸系統(tǒng)從脈沖模式轉(zhuǎn)換到連續(xù)波模式。一個(gè)已知方法是使用開環(huán)系統(tǒng)，其中固定RF功率放大器的輸入電壓，且通過轉(zhuǎn)換RF功率放大器開和關(guān)來(lái)產(chǎn)生脈沖。然而，開環(huán)系統(tǒng)欠缺基于負(fù)載處操作條件的改變而修改所傳輸?shù)墓β实哪芰?。進(jìn)一步，開環(huán)系統(tǒng)不能補(bǔ)償在為等離子處理應(yīng)用使用低頻脈沖時(shí)發(fā)生的大量等離子震蕩。在脈沖和連續(xù)波功率之間轉(zhuǎn)換的另一個(gè)已知方法是在功率傳輸模式之間暫時(shí)地停止處理。然而，暫時(shí)地停止處理導(dǎo)致系統(tǒng)啟動(dòng)之后的不規(guī)則處理。另外，暫時(shí)停止處理導(dǎo)致不穩(wěn)定的等離子，因?yàn)楣β什⒉皇遣蛔兊?。最后，暫時(shí)地停止處理增加了處理和循環(huán)時(shí)間。概述本發(fā)明一般特征在于用于控制提供給動(dòng)態(tài)負(fù)載的脈沖RF功率的系統(tǒng)和方法。一個(gè)優(yōu)勢(shì)是本發(fā)明允許閉環(huán)系統(tǒng)更精確地且更準(zhǔn)確地控制輸送給動(dòng)態(tài)負(fù)載的脈沖RF功率 (如，高頻和/或低頻脈沖功率)。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是本發(fā)明允許所傳輸?shù)腞F功率的逐個(gè)脈沖的控制。在低頻系統(tǒng)中，本發(fā)明可允許脈沖形狀(如，脈沖的“平坦度”和/或幅值)的逐個(gè)脈沖的控制。在一些實(shí)施例中，使用相比已知系統(tǒng)和方法中的組件而言更低成本的組件來(lái)實(shí)現(xiàn)逐個(gè)脈沖的控制。例如，可使用低帶寬和/或低速組件。又一個(gè)優(yōu)勢(shì)是本發(fā)明允許在處理?xiàng)l件相比于查詢表格中的值或標(biāo)稱操作點(diǎn)變化和/或漂移時(shí)，在不降低，例如，功率參數(shù)的精確性的情況下，允許傳輸給動(dòng)態(tài)負(fù)載的功率的逐個(gè)脈沖的控制。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是本發(fā)明允許可重復(fù)的、高精確度的功率控制。在一方面，本發(fā)明特征在于用于控制脈沖功率的方法。所述方法包括測(cè)量來(lái)自功率放大器的功率的第一脈沖來(lái)獲得數(shù)據(jù)。所述方法還包括產(chǎn)生第一信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所傳輸?shù)墓β实牡诙}沖，所述第一信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述數(shù)據(jù)來(lái)最小化功率設(shè)定點(diǎn)和所述第二脈沖的基本穩(wěn)定部分之間的功率差異。所述方法還包括產(chǎn)生第二信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所傳輸?shù)墓β实牡诙}沖，所述第二信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述數(shù)據(jù)來(lái)最小化所述第二脈沖的峰值和所述第二脈沖的基本穩(wěn)定部分之間的幅值差異。在一些實(shí)施例中，所述方法包括提供所述第二信號(hào)作為電壓源的輸入，所述電壓源提供電壓給電壓功率轉(zhuǎn)換器。在一些實(shí)施例中，所述方法包括將所述第二信號(hào)相關(guān)聯(lián)于在接收設(shè)定點(diǎn)的電壓源與電壓功率轉(zhuǎn)換器輸出功率之間測(cè)得的時(shí)間延遲。在一些實(shí)施例中，所述方法包括計(jì)算所述第一脈沖的峰值和所述第一脈沖的基本穩(wěn)定的部分之間的形狀差異。在一些實(shí)施例中，所述方法還包括將所述第二信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述形狀差異。在一些實(shí)施例中，所述方法包括計(jì)算功率設(shè)定點(diǎn)和第一脈沖的基本穩(wěn)定部分之間的功率偏移量。所述方法可包括將所述第一信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述功率偏移量。在一些實(shí)施例中，所述方法包括提供所述第一信號(hào)作為電壓源的輸入，所述電壓源提供電壓給電壓功率轉(zhuǎn)換器。所述方法可包括將所述第一信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述電壓源的占空比輸入。在另一方面，本發(fā)明特征在于功率傳輸?shù)姆椒?。該方法包括從功率放大器將功率以連續(xù)波模式傳輸?shù)截?fù)載。該方法還包括在反饋環(huán)中產(chǎn)生信號(hào)來(lái)控制所傳輸?shù)墓β?，該信?hào)相關(guān)聯(lián)于功率控制算法。該方法還包括調(diào)節(jié)所述控制算法中的單個(gè)變量來(lái)將所傳輸?shù)墓β蕪倪B續(xù)波模式轉(zhuǎn)換為脈沖模式。在一些實(shí)施例中，該方法包括基于對(duì)應(yīng)于所述單個(gè)變量的輸入來(lái)激活所述反饋環(huán)中的開關(guān)，所述開關(guān)與功率放大器電通信。在一些實(shí)施例中，該方法包括過濾所述數(shù)據(jù)來(lái)提供基本穩(wěn)定的功率測(cè)量。在一些實(shí)施例中，所述方法包括提供信號(hào)作為電壓源的輸入，所述電壓源提供電壓給電壓功率轉(zhuǎn)換器。所述方法可包括將所述信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述電壓源的占空比輸入。在一些實(shí)施例中，所述方法包括計(jì)算功率設(shè)定點(diǎn)和所傳輸?shù)墓β手g的功率偏移量。在一些實(shí)施例中，該方法包括測(cè)量所傳輸?shù)墓β蕘?lái)獲得數(shù)據(jù)。在一些實(shí)施例中，該方法包括產(chǎn)生第二信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所傳輸?shù)拿}沖功率的形狀，所述第二信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述數(shù)據(jù)來(lái)最小化脈沖峰值與脈沖的基本穩(wěn)定部分之間的幅值差異。在一些實(shí)施例中，所述方法包括將所述第二信號(hào)相關(guān)聯(lián)于在接收設(shè)定點(diǎn)的電壓源與電壓功率轉(zhuǎn)換器輸出功率之間測(cè)得的時(shí)間延遲。在一些實(shí)施例中，所述方法包括將所述信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述數(shù)據(jù)來(lái)最小化功率設(shè)定點(diǎn)與脈沖的基本穩(wěn)定部分之間的功率差異。在另一方面，本發(fā)明特征在于功率傳輸?shù)姆椒?。本方法包括降功率從功率放大器以連續(xù)波模式傳輸?shù)截?fù)載。本方法還包括測(cè)量傳輸至負(fù)載的功率。本方法還包括使用反饋環(huán)產(chǎn)生表示所傳輸?shù)墓β实男盘?hào)來(lái)控制所傳輸?shù)墓β实姆?，該信?hào)對(duì)應(yīng)于功率控制算法。本方法還包括調(diào)整算法中的單個(gè)變量經(jīng)由同一個(gè)反饋環(huán)將脈沖功率傳輸至負(fù)載。在一些實(shí)施例中，該方法包括基于相關(guān)聯(lián)于所述單個(gè)變量的輸入來(lái)激活所述反饋環(huán)中的開關(guān)，所述開關(guān)與功率放大器電通信。在一些實(shí)施例中，該方法包括基于對(duì)應(yīng)于所述單個(gè)變量的輸入來(lái)激活所述反饋環(huán)中的開關(guān)，所述開關(guān)與功率放大器電通信。在一些實(shí)施例中，該方法包括過濾所述數(shù)據(jù)來(lái)提供基本穩(wěn)定的功率測(cè)量。在一些實(shí)施例中，所述方法包括提供信號(hào)作為電壓源的輸入，所述電壓源提供電壓給電壓功率轉(zhuǎn)換器。在一些實(shí)施例中，所述方法包括將所述信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述電壓源的占空比輸入。在一些實(shí)施例中，所述方法包括計(jì)算功率設(shè)定點(diǎn)和所傳遞的功率之間的功率
偏移量。在一些實(shí)施例中，該方法包括測(cè)量所傳遞的功率來(lái)獲得數(shù)據(jù)。該方法可包括產(chǎn)生第二信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所傳遞的脈沖功率的形狀，所述第二信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述數(shù)據(jù)來(lái)最小化脈沖峰值與脈沖的基本穩(wěn)定部分之間的幅值差異。所述方法可包括將所述第二信號(hào)相關(guān)聯(lián)于在接收設(shè)定點(diǎn)的電壓源與電壓功率轉(zhuǎn)換器輸出功率之間測(cè)得的時(shí)間延遲。在一些實(shí)施例中， 該方法包括將所述信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述數(shù)據(jù)來(lái)最小化功率設(shè)定點(diǎn)和脈沖的基本穩(wěn)定部分之間的功率差異。本發(fā)明，在另一方面，特征在于將脈沖或連續(xù)波的RF功率傳輸給負(fù)載的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括耦合至電壓源的輸出的電壓功率轉(zhuǎn)換器，該電壓功率轉(zhuǎn)換器適于產(chǎn)生脈沖RF功率或連續(xù)波RF功率。該系統(tǒng)還包括耦合至電壓功率轉(zhuǎn)換器的輸出的RF功率放大器，該RF 功率放大器適于將RF功率傳輸?shù)截?fù)載。該系統(tǒng)還包括耦合至RF功率放大器的輸出和電壓源的第一輸入的脈沖形狀控制環(huán)，所述脈沖形狀控制環(huán)適于最小化脈沖功率的峰值和脈沖功率的基本穩(wěn)定部分之間的幅值差異，所述脈沖形狀控制環(huán)適于當(dāng)脈沖RF功率處于第一模式時(shí)來(lái)操作。該系統(tǒng)還包括耦合至RF功率放大器的輸出和電壓源的第二輸入的功率設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)，所述功率設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)適于最小化RF功率設(shè)定點(diǎn)和傳輸至負(fù)載的RF功率之間的功率差異。在一些實(shí)施例中，功率設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)耦合至電壓源的輸出。在一些實(shí)施例中，該功率設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)包括電壓偏移電路，該電壓偏移電路被設(shè)置為測(cè)量從電壓源輸出的電壓和來(lái)自功率設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)的電壓設(shè)定點(diǎn)之間的電壓偏移量。在一些實(shí)施例中，功率設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)包括與RF功率放大器的輸出電通信的開關(guān)。 該開關(guān)可具有與脈沖RF功率的脈沖頻率相關(guān)聯(lián)的開關(guān)頻率。在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括耦合至電壓功率轉(zhuǎn)換器的輸出以及負(fù)載的輸入的匹配網(wǎng)絡(luò)。在一些實(shí)施例中，功率設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)包括耦合至電壓源的第二輸入和脈沖設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)的輸出調(diào)整模塊，所述輸出調(diào)整模塊提供占空比輸入到電壓源。電壓源可以是降壓調(diào)節(jié)器。在一些實(shí)施例中，功率設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)包括數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。本發(fā)明，在另一方面，特征在于將脈沖或連續(xù)波的RF功率傳輸給負(fù)載的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括耦合至電壓源的輸出的電壓功率轉(zhuǎn)換器，該電壓功率轉(zhuǎn)換器適于產(chǎn)生脈沖RF功率或連續(xù)波RF功率。該系統(tǒng)還包括耦合至電壓功率轉(zhuǎn)換器的輸出的RF功率放大器，該RF 功率放大器適于將RF功率傳輸?shù)截?fù)載。該系統(tǒng)還包括耦合至RF功率放大器的輸出和電流設(shè)定點(diǎn)輸出的第一控制電路。該系統(tǒng)還包括耦合至電壓源的輸入和電壓源的輸出的第二控制電路，所述第二控制電路與電流設(shè)定點(diǎn)電通信。第一和第二控制電路組合，適于最小化RF 功率設(shè)定點(diǎn)和傳輸至負(fù)載的RF功率之間的功率差異。在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括耦合至電壓源的輸出和第二控制電路的電壓設(shè)定點(diǎn)輸出的第三控制電路。在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)含有與RF功率放大器的輸出電通信的開關(guān)的第一控制電路。在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)含有與開關(guān)和RF功率放大器的輸出電通信的至少一個(gè)過濾器。在一些實(shí)施例中，該至少一個(gè)過濾器適于提供基本穩(wěn)定的功率測(cè)量。在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括耦合至第二控制電路的至少一個(gè)前饋輸入。該至少一個(gè)前饋輸入可包括電壓設(shè)定點(diǎn)輸入。該至少一個(gè)前饋輸入可包括電流設(shè)定點(diǎn)輸入。在一些實(shí)施例中，該第二電路包括調(diào)節(jié)模塊，所述調(diào)節(jié)模塊提供占空比輸入給電壓源。在一些實(shí)施例中，該系統(tǒng)包括耦合至RF功率放大器的輸出和電壓源的第二輸入的脈沖形狀控制環(huán)， 所述脈沖形狀控制環(huán)適于最小化脈沖功率的峰值和脈沖功率的基本穩(wěn)定部分之間的幅值差異，所述脈沖形狀控制環(huán)適于當(dāng)脈沖RF功率處于第一模式時(shí)來(lái)操作。在另一方面，本發(fā)明特征在于同步功率傳輸系統(tǒng)的方法。該方法包括從主功率傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生主脈沖功率。該方法還包括產(chǎn)生同步脈沖信號(hào)，該同步脈沖信號(hào)具有相關(guān)聯(lián)于所述主脈沖頻率的脈沖頻率的第一頻率。該方法還包括自從功率傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生從脈沖功率。該方法還包括將從脈沖功率與同步脈沖信號(hào)進(jìn)行同步。在一些實(shí)施例中，同步步驟包括基于所述同步脈沖信號(hào)的第一頻率而計(jì)算所述從脈沖功率的第二頻率。在一些實(shí)施例中，計(jì)算步驟包括測(cè)量同步信號(hào)的下降沿和上升沿之間的時(shí)段。在一些實(shí)施例中，該方法包括基于所述同步脈沖信號(hào)的下降沿而計(jì)算所述從脈沖功率的第二頻率。在一些實(shí)施例中，該方法包括基于所述同步脈沖信號(hào)的上升沿而計(jì)算所述從脈沖功率的第二頻率。在一些實(shí)施例中，該方法包括相對(duì)于所述主脈沖功率而延遲所述從脈沖功率的相位。在一些實(shí)施例中，該方法包括從所述主功率傳輸系統(tǒng)接收同步脈沖信號(hào)。在一些實(shí)施例中，該方法包括從外部信號(hào)發(fā)生器接收同步脈沖信號(hào)。在另一方面，本發(fā)明特征在于用于同步功率傳輸系統(tǒng)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括適于產(chǎn)生主脈沖功率的主功率傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)還包括與所述主功率傳輸系統(tǒng)電通信的外部信號(hào)發(fā)生器。該系統(tǒng)還包括與所述外部信號(hào)發(fā)生器電通信的從功率傳輸系統(tǒng)，其中所述從功率傳輸系統(tǒng)產(chǎn)生具有與由外部信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的同步信號(hào)相關(guān)聯(lián)的頻率的從脈沖功率。


本發(fā)明的上述和其他對(duì)象、特征和優(yōu)點(diǎn)以及本發(fā)明本身從與不一定按比例繪制的附圖一起審閱時(shí)的以下說明性描述得到更全面的理解。圖1是根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例的RF功率傳輸系統(tǒng)的示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例的RF功率傳輸系統(tǒng)的示意圖。圖3是根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例，RF功率信號(hào)隨脈沖而變化的圖形化表示。圖4是根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例的RF功率傳輸系統(tǒng)的示意圖。圖5A是根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例，主-從RF功率傳輸系統(tǒng)的示意圖。圖5B是根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例的將圖5A的從RF功率傳輸系統(tǒng)與圖5A的主 RF功率傳輸系統(tǒng)同步的圖形化表示。圖6A是根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例的帶有外部觸發(fā)器的主-從RF功率傳輸系統(tǒng)的示意圖。圖6B是根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例的將圖6A的從RF功率傳輸系統(tǒng)與圖6A的主 RF功率傳輸系統(tǒng)同步的圖形化表示。圖6C是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)說明性實(shí)施例的將圖6A的從RF功率傳輸系統(tǒng)與圖 6A的主RF功率傳輸系統(tǒng)同步的圖形化表示。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例的主-從RF功率傳輸系統(tǒng)中同步脈沖的圖形
化表示。
具體實(shí)施例方式圖1是根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例的RF功率傳輸系統(tǒng)100的示意圖。系統(tǒng)100 包括電耦合至電壓功率轉(zhuǎn)換器108的電壓源104。電壓源104提供DC電壓信號(hào)106給電壓功率轉(zhuǎn)換器108。在一些實(shí)施例中，電壓源104是降壓調(diào)節(jié)器(buck regulator)。降壓調(diào)節(jié)器接收未經(jīng)調(diào)節(jié)的輸入電壓并產(chǎn)生較低的、經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電壓。電壓功率轉(zhuǎn)換器108基于來(lái)自電壓源104的DC電壓信號(hào)106而創(chuàng)建DC功率信號(hào) 110(如，脈沖信號(hào)或連續(xù)波信號(hào))。電壓功率轉(zhuǎn)換器108基于提供給電壓功率轉(zhuǎn)換器108 的同步信號(hào)188的性質(zhì)而輸出脈沖或連續(xù)波信號(hào)。如果同步信號(hào)188是脈沖信號(hào)(如圖所示)，由電壓功率轉(zhuǎn)換器108輸出的DC功率信號(hào)110是具有與同步信號(hào)188的脈沖一樣的頻率與周期的DC功率的脈沖。如果，然而，同步信號(hào)188是連續(xù)波信號(hào)(未示出)，則由電壓功率轉(zhuǎn)換器108輸出的DC功率信號(hào)110是連續(xù)波DC功率信號(hào)。電壓功率轉(zhuǎn)換器108電耦合至功率放大器112 (如，RF功率放大器)。電壓功率轉(zhuǎn)換器108提供DC功率信號(hào)110到功率放大器112。功率放大器112基于從電壓功率轉(zhuǎn)換器 108接收到的DC功率信號(hào)110而輸出RF功率信號(hào)114。功率放大器112可輸出具有與DC 功率信號(hào)的性質(zhì)一樣的性質(zhì)(如，脈沖或連續(xù)波)或具有不同性質(zhì)的RF功率信號(hào)。在一些實(shí)施例中，功率放大器112輸出對(duì)于負(fù)載IM而言是理想的RF功率信號(hào)，其具有由操作者選擇(或者由過程控制器指定)的性質(zhì)。功率放大器112的操作射頻可被手動(dòng)地(開環(huán))或自動(dòng)地(閉環(huán))調(diào)整到特定功率。在上述兩種情況下，操作者提供最小和最大的可容許的頻率極限(如，中心頻率 13. 56MHz的士5% )給控制系統(tǒng)192或功率放大器112。在一些實(shí)施例中，最小和最大頻率極限是基于負(fù)載的性質(zhì)，例如，來(lái)最大化從功率放大器112轉(zhuǎn)移到負(fù)載124的功率。在另一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)以脈沖操作模式來(lái)操作該系統(tǒng)時(shí)，操作者指定輸入到控制系統(tǒng)192的脈沖頻率和占空比。脈沖頻率和占空比的理想值是基于負(fù)載的特性的。在一些實(shí)施例中，功率放大器112輸出頻率位于約400kHz到約200MHz之間的RF功率信號(hào)114。在科學(xué)、工業(yè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用中使用的典型RF頻率約為2MHz、13. 56MHz和27MHz。通過將同步信號(hào)188從連續(xù)波信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，由功率放大器112所輸出的 RF功率放大器信號(hào)114可被從連續(xù)波模式轉(zhuǎn)換到脈沖模式。通過調(diào)節(jié)功率控制算法(下述等式幻中的單個(gè)變量(即，同步信號(hào)188)而例如從連續(xù)波信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，該功率控制算法將所傳輸?shù)墓β蕪倪B續(xù)波模式轉(zhuǎn)換為脈沖模式。類似地，通過將同步信號(hào)188從脈沖模式(圖示)轉(zhuǎn)換為連續(xù)波信號(hào)，由功率放大器112所輸出的RF功率放大器信號(hào)114可被從脈沖模式轉(zhuǎn)換到連續(xù)波模式。功率放大器112將RF功率信號(hào)114輸出至可選的匹配網(wǎng)絡(luò)120。在一個(gè)實(shí)施例中，使用了具有如下標(biāo)稱操作級(jí)的功率放大器300伏特(RMS) ； 12安培(RMS)和3. 5kW。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中使用匹配網(wǎng)絡(luò)120以匹配功率放大器112和負(fù)載114之間的阻抗。 理想的是匹配功率放大器112和負(fù)載114之間的阻抗來(lái)最小化RF功率，否則RF功率會(huì)被從負(fù)載114反射回功率放大器。匹配網(wǎng)絡(luò)120響應(yīng)于從功率放大器112接收到的RF功率信號(hào)而輸出經(jīng)修改的RF功率信號(hào)114’。在一些實(shí)施例中，使用在匹配網(wǎng)絡(luò)120中所耗散的功率的估計(jì)(或所測(cè)得的值)來(lái)校準(zhǔn)系統(tǒng)并修改功率放大器112的輸出來(lái)確保負(fù)載IM接收到理想的功率。經(jīng)修改的RF功率信號(hào)114’被提供給負(fù)載124(如，用于處理半導(dǎo)體晶片的等離子處理腔)。在一些實(shí)施例中，在過程中負(fù)載IM的性質(zhì)(阻抗)變化。負(fù)載IM的性質(zhì)可基于例如，等離子腔中處理?xiàng)l件(如，氣流速率、氣體成分、以及腔壓)的變化以及與傳輸給負(fù)載的RF功率相關(guān)聯(lián)的性質(zhì)(如，峰值RF功率、RF脈沖頻率、RF脈沖寬度/占空比)的變化而變化。RF功率傳輸系統(tǒng)100還包括控制系統(tǒng)192。功率放大器112與控制系統(tǒng)192的組件電通信。控制系統(tǒng)192提供用于控制RF功率傳輸系統(tǒng)的各組件(如，電壓源104、電壓功率轉(zhuǎn)換器108和功率放大器112)的操作的反饋環(huán)198?？刂葡到y(tǒng)192包括電耦合至電壓源 104和輸出調(diào)節(jié)模塊132的模擬補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)128。輸出調(diào)節(jié)模塊132提供控制信號(hào)134(如， 脈沖寬度調(diào)制的控制信號(hào)或占空比輸入)到電壓源104，控制電壓源104的輸出。控制系統(tǒng)192還包括第一模擬數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器136a。A/D轉(zhuǎn)換器136a電耦合至電壓源104的輸出?？刂葡到y(tǒng)192還包括第二模擬數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器136b。A/D轉(zhuǎn)換器 136b電耦合至探針116的輸出。探針116電耦合至功率放大器112來(lái)測(cè)量由功率放大器 112輸出的RF功率信號(hào)114的性質(zhì)(如，RF功率信號(hào)的數(shù)據(jù))。在這個(gè)實(shí)施例中，探針116 輸出電壓信號(hào)(Vrf)和電流信號(hào)(Irf)，這些是對(duì)RF功率信號(hào)114的測(cè)量。Vrf和Irf具有如下形式Vrf = VJjV1 等式 1Irf = IJjI1 等式 2其中Vk是Vrf信號(hào)的實(shí)部分量，V1是Vrf信號(hào)的虛部分量，Ie是Irf信號(hào)的實(shí)部分量，I1是Irf信號(hào)的虛部分量。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)RF功率信號(hào)114是正弦信號(hào)時(shí)，由探針116輸出的電壓信號(hào) (Vrf)和電流信號(hào)(Irf)都是正弦信號(hào)。在本發(fā)明的不同實(shí)施例中所用的示例探針116是型號(hào)為 VI-Probe-4100 和 VI-Probe_350 (MKS 儀器股份有限公司，Andover, MA)。A/D轉(zhuǎn)換器136b采樣兩個(gè)信號(hào)(Vrf和Irf)并輸出數(shù)字信號(hào)[數(shù)字電壓信號(hào)(Vrf_dig) 和數(shù)字電流信號(hào)(Irf-dig)]。數(shù)字電壓信號(hào)(Vrf_dig)和數(shù)字電流信號(hào)(Irf_dig)被提供給數(shù)字信號(hào)處理模塊196 來(lái)產(chǎn)生作為功率放大器112的輸出功率的數(shù)字信號(hào)(Pdel )。處理模塊196包括數(shù)字混頻器152、CIC過濾器模塊156、開關(guān)160、IIR過濾器模塊164以及功率計(jì)算模塊168。數(shù)字混頻器152將時(shí)變信號(hào)轉(zhuǎn)換為在特定頻率處的信號(hào)的實(shí)部和虛部分量。通過將所測(cè)得的信號(hào)與基頻的參考余弦以及參考負(fù)正弦波相乘獲得的分解產(chǎn)生DC分量和倍頻正弦波。通過乘以余弦獲得的DC分量代表實(shí)部分量，且通過乘以負(fù)正弦波獲得的DC分量代表虛部分量。 通過CIC過濾器將倍頻分量過濾。A/D轉(zhuǎn)換器136b的輸出(Vrf_dig和Irf_dig)被提供給混頻器152?；祛l器152用數(shù)字電壓信號(hào)(Vfdig)和數(shù)字電流信號(hào)(Ifdig)執(zhí)行數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)產(chǎn)生數(shù)字電壓信號(hào)(vrf_dig)和數(shù)字電流信號(hào)(Ifdig)的實(shí)部和虛部部分，以如下形式
_] Vrf_dig = (VK_dig+2* ω ) + j (U* ω )等式 3
Irf_dig = (IK_dig+2* ω) + j (ΙΜ 8+2* ω)等式 4其中VK_dig是Vrf的數(shù)字版本的實(shí)部分量，Vpdig是Vrf的數(shù)字版本的虛部分量，IK_dig 是Irf的數(shù)字版本的實(shí)部分量，且Ipdig是Vrf的數(shù)字版本的虛部分量，且其中數(shù)字信號(hào)的每一個(gè)分量具有等于2* ω的分量，其中ω是A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率。然后將這些信號(hào)提供給CIC過濾器模塊156來(lái)移除信號(hào)的該2* ω分量。在一個(gè)實(shí)施例中，CIC過濾器模塊156是低通濾波器。在一個(gè)實(shí)施例中，低通濾波器的截止頻率約為25kHz。例如，CIC過濾器模塊156過濾與系統(tǒng)的處理要求相關(guān)聯(lián)的信號(hào)頻率(如，在科學(xué)、工業(yè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用中使用的典型頻率約為2MHz、13. 56MHz和27MHz)。將CIC過濾器模塊156的輸出提供給開關(guān)160。通過同步信號(hào)188驅(qū)動(dòng)開關(guān)160 位于打開和關(guān)閉的位置。當(dāng)脈沖大小為1時(shí)，開關(guān)160被打開，且當(dāng)脈沖大小為0時(shí)，開關(guān)被關(guān)閉。將開關(guān)160的輸出提供給IIR過濾器模塊164。當(dāng)開關(guān)160處于關(guān)閉位置時(shí)，DC信號(hào)的當(dāng)前值被提供給IIR過濾器模塊164。當(dāng)開關(guān)160處于打開位置時(shí)，DC信號(hào)的之前值被提供給UR過濾器模塊164。UR過濾器模塊一般是用于將提供給功率計(jì)算模塊168的信號(hào)平滑的低通濾波器。UR濾波器模塊164 — 般平滑那些否則由于開關(guān)160在打開和關(guān)閉位置之間循環(huán)而呈現(xiàn)的噪聲/高頻分量。CIC 過濾器模塊156和UR過濾器模塊164過濾反饋環(huán)198的數(shù)字信號(hào)處理模塊196中的信號(hào)來(lái)提供穩(wěn)定的(這個(gè)術(shù)語(yǔ)包括基本穩(wěn)定)功率測(cè)量(數(shù)字信號(hào)178)。將IIR過濾器模塊 164的輸出提供給功率計(jì)算模塊168。功率計(jì)算模塊基于下述功率控制算法來(lái)計(jì)算功率Pdel_0N = Vr-digl^—dig+Vl—digll—dig 等式 5功率計(jì)算模塊168輸出數(shù)字信號(hào)178 (Pdel 0N)。信號(hào)178是所傳輸?shù)墓β?傳輸給負(fù)載124的功率)。操作者或處理器(未示出)將功率設(shè)定點(diǎn)信號(hào)184 (Psp)提供給RF功率傳輸系統(tǒng)100，該設(shè)定點(diǎn)信號(hào)是理想地提供給負(fù)載IM的RF功率信號(hào)。在一些實(shí)施例中，在處理器上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的理想操作的數(shù)學(xué)模型來(lái)產(chǎn)生功率設(shè)定點(diǎn)信號(hào)184。求和模塊180c基于下式計(jì)算功率偏移量，即功率設(shè)定點(diǎn)信號(hào)184和功率計(jì)算模塊168的輸出之間的差異(誤差e)e = Psp-Pdel QN 等式 6如果功率設(shè)定點(diǎn)信號(hào)184和功率計(jì)算模塊168的輸出之間的差異為零，則功率放大器112正在提供理想的RF功率信號(hào)給負(fù)載124。如果差異不是零，則該系統(tǒng)工作產(chǎn)生了差異(誤差e)。RF功率傳輸系統(tǒng)100包括接收求和模塊180c的輸出(即，功率設(shè)定點(diǎn)信號(hào)184和功率計(jì)算模塊168的輸出170之間的差異)的第一控制器模塊144。控制器模塊144企圖通過計(jì)算并輸出可相應(yīng)調(diào)節(jié)處理的修正動(dòng)作來(lái)減少所測(cè)得的處理變量(S卩，功率計(jì)算模塊 168的輸出)和理想的設(shè)定點(diǎn)(即，功率設(shè)定點(diǎn)184)之間的誤差。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器模塊144是比例積分微分(PID)控制器模塊。比例值確定控制器144對(duì)于現(xiàn)有誤差的反應(yīng)，積分值確定基于現(xiàn)有誤差的總和的控制器144的反應(yīng)， 且微分值確定基于誤差改變的速率的控制器144的反應(yīng)。使用這三個(gè)反應(yīng)的加權(quán)和來(lái)基于下式經(jīng)由控制元件來(lái)調(diào)節(jié)處理
0deVcontrol =kpe + kl\edT + kd ^r 等式 7
其中kp是PID控制算法的比例分量的標(biāo)量常數(shù)，Iii是PID控制算法的積分分量的標(biāo)量常數(shù)，kd是PID控制算法的微分分量的標(biāo)量常數(shù)，且e是等式6中所計(jì)算的誤差。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，控制器144輸出最終提供給輸出調(diào)節(jié)模塊132的信號(hào)。 輸出調(diào)節(jié)模塊132控制電壓源104的操作，電壓源104接著最終控制由功率放大器112輸出的功率。通過調(diào)節(jié)PID控制器算法中的三個(gè)常數(shù)，控制器可提供為特定處理要求而設(shè)計(jì)的控制動(dòng)作。可以以控制器對(duì)于誤差的響應(yīng)度、控制器過沖設(shè)定點(diǎn)的程度、以及系統(tǒng)震蕩的程度的形式來(lái)描述控制器的響應(yīng)?？稍诒景l(fā)明的可選實(shí)施例中使用可選的控制器類型(如， 狀態(tài)空間控制器、自適應(yīng)控制器、模糊邏輯控制器)。使用求和模塊180b來(lái)將控制器144的輸出(Vcontrol)與第一前饋信號(hào)172組合 (如，求和)來(lái)產(chǎn)生電壓設(shè)定點(diǎn)信號(hào)(Vsp)。第一前饋信號(hào)172 —般使用系統(tǒng)100的理想操作的數(shù)學(xué)模型而產(chǎn)生。在一些實(shí)施例中，第一前饋信號(hào)172作為時(shí)間(t)的函數(shù)而變化。在一些實(shí)施例中，由操作者產(chǎn)生第一前饋信號(hào)172。一般使用前饋信號(hào)來(lái)確保對(duì)于基于系統(tǒng)信息和參數(shù)的給定設(shè)定點(diǎn)的更快速的收斂。此外，可使用非線性前饋信號(hào)結(jié)合線性反饋功能 (如，PID控制)來(lái)獲得非線性系統(tǒng)中的快速控制。求和模塊180d計(jì)算電壓設(shè)定點(diǎn)信號(hào)(Vsp)和A/D轉(zhuǎn)換器136a的輸出之間的差異。 A/D轉(zhuǎn)換器136a采樣電壓源104的輸出并產(chǎn)生電壓源104的輸出(Vbuek)的數(shù)字版本。求和模塊180d基于下式計(jì)算電壓設(shè)定點(diǎn)信號(hào)(Vsp)和Vbuek之間的差異(誤差ev)ev = Vsp-Vbuck 等式 8如果電壓設(shè)定點(diǎn)信號(hào)(Vsp)和Vbudt之間的差異為零，功率放大器112正在提供理想的RF功率信號(hào)給負(fù)載124。如果差異不是零，系統(tǒng)工作以減少差異(誤差ev)。RF功率傳輸系統(tǒng)100還包括接收求和模塊180d的輸出(S卩，電壓設(shè)定點(diǎn)信號(hào)(Vsp) 和Vbudt之間的差異)的第二控制器模塊148?？刂破髂K148企圖通過計(jì)算并且然后輸出可相應(yīng)調(diào)節(jié)處理的修正動(dòng)作來(lái)減少所測(cè)得的處理變量(即，電壓源104的輸出)和理想的設(shè)定點(diǎn)(1Φ，功率設(shè)定點(diǎn)Vsp)之間的誤差。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器模塊148是比例積分微分(PID)控制器模塊。比例值確定控制器148對(duì)于現(xiàn)有誤差的反應(yīng)，積分值基于現(xiàn)有誤差的總和確定控制器148的反應(yīng)，且微分值基于誤差改變的速率確定控制器148的反應(yīng)。使用這三個(gè)反應(yīng)的加權(quán)和來(lái)基于下式經(jīng)由控制元件來(lái)調(diào)節(jié)處理
γdeIcontrol = kpvev + kvi jev τ + kdv 言等式 9其中kpv是PID控制算法的比例分量的常數(shù)值，kiv是PID控制算法的積分分量的常數(shù)值，kdv是PID控制算法的微分分量的常數(shù)值，且ev是等式8中所計(jì)算出的誤差。在本發(fā)明的這個(gè)實(shí)施例中，控制器148輸出最終提供給輸出調(diào)節(jié)模塊132的信號(hào)。 輸出調(diào)節(jié)模塊132控制電壓源104的操作，電壓源104接著最終控制由功率放大器112輸出的功率。通過調(diào)節(jié)PID控制器算法中的三個(gè)常數(shù)，控制器可提供為特定處理要求而設(shè)計(jì)的控制動(dòng)作。可以以控制器對(duì)于誤差的響應(yīng)度、控制器過沖設(shè)定點(diǎn)的程度、以及系統(tǒng)震蕩的程度的形式來(lái)描述控制器的響應(yīng)?？稍诒景l(fā)明的可選實(shí)施例中使用可選的控制器類型(如， 狀態(tài)空間控制器、自適應(yīng)控制器、模糊邏輯控制器)。使用求和模塊180a來(lái)將控制器148的輸出與第二前饋信號(hào)176組合(如，求和)來(lái)產(chǎn)生電流設(shè)定點(diǎn)信號(hào)(Isp)。第二前饋信號(hào)176 —般使用系統(tǒng)100的理想操作的數(shù)學(xué)模型而產(chǎn)生。在一些實(shí)施例中，第二前饋信號(hào)176作為時(shí)間(t)的函數(shù)而變化。在一些實(shí)施例中，由操作者產(chǎn)生第二前饋信號(hào)176。將電流設(shè)定點(diǎn)信號(hào)(Isp)提供給數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器140，后者產(chǎn)生電流設(shè)定點(diǎn)信號(hào) (Isp)的模擬信號(hào)版本。將電流設(shè)定點(diǎn)信號(hào)(Isp)的模擬信號(hào)版本提供給模擬電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) 128。模擬電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)1 還接收從電壓源104所測(cè)得的電流信號(hào)(Imeas)。在這個(gè)實(shí)施例中，模擬電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)1 是超前-滯后補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，其增加了系統(tǒng)中的相位容限并提供信號(hào)給輸出調(diào)節(jié)模塊132。如上所述，輸出調(diào)節(jié)模塊132提供控制信號(hào)(如，脈沖寬度調(diào)制的控制信號(hào))到電壓源104，控制電壓源104的輸出。圖2是根據(jù)本發(fā)明的說明性實(shí)施例的RF功率傳輸系統(tǒng)200的示意圖。系統(tǒng)200 包括電耦合至電壓功率轉(zhuǎn)換器208的電壓源204。電壓源204提供DC電壓信號(hào)207給電壓功率轉(zhuǎn)換器208。在一些實(shí)施例中，電壓源204是降壓調(diào)節(jié)器。降壓調(diào)節(jié)器接收未經(jīng)調(diào)節(jié)的輸入電壓并產(chǎn)生較低的、經(jīng)調(diào)節(jié)的輸出電壓。電壓功率轉(zhuǎn)換器208基于來(lái)自電壓源204的 DC電壓信號(hào)207而創(chuàng)建DC功率信號(hào)211(如，脈沖信號(hào)或連續(xù)波信號(hào))。電壓功率轉(zhuǎn)換器 208基于提供給電壓功率轉(zhuǎn)換器208的同步信號(hào)觀8的性質(zhì)而輸出脈沖或連續(xù)波信號(hào)。如果同步信號(hào)288是脈沖信號(hào)(如圖所示)，由電壓功率轉(zhuǎn)換器208輸出的DC功率信號(hào)211 是具有與同步信號(hào)觀8的脈沖一樣的頻率與周期的DC功率的脈沖。如果，然而，同步信號(hào) 288是連續(xù)波信號(hào)(未示出)，則由電壓功率轉(zhuǎn)換器208輸出的DC功率信號(hào)211是連續(xù)波 DC功率信號(hào)。電壓功率轉(zhuǎn)換器208電耦合至功率放大器212 (如，RF功率放大器)。電壓功率轉(zhuǎn)換器208提供DC功率信號(hào)211到功率放大器212。功率放大器212基于從電壓功率轉(zhuǎn)換器 208接收到的DC功率信號(hào)211而輸出RF功率信號(hào)213。功率放大器212可輸出具有與DC 功率信號(hào)的性質(zhì)一樣的性質(zhì)(如，脈沖或連續(xù)波)或具有不同性質(zhì)的RF功率信號(hào)213。在一些實(shí)施例中，功率放大器212輸出具有對(duì)于負(fù)載2M而言是理想的、且由操作者選擇(或者由過程控制器指定)的性質(zhì)的RF功率信號(hào)213。在一些實(shí)施例中，功率放大器212輸出頻率位于約400kHz到約200MHz之間的RF功率信號(hào)。在科學(xué)、工業(yè)和醫(yī)學(xué)應(yīng)用中使用的典型 RF 頻率約為 2MHz、13. 56MHz 和 27MHz。通過將同步信號(hào)288從連續(xù)波信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，由功率放大器212所輸出的 RF功率放大器信號(hào)213可被從連續(xù)波模式轉(zhuǎn)換到脈沖模式。通過調(diào)節(jié)功率控制算法(下述等式13)中的單個(gè)變量(即，同步信號(hào)觀8)而例如從連續(xù)波信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，該功率控制算法將所傳輸?shù)墓β蕪倪B續(xù)波模式轉(zhuǎn)換為脈沖模式。類似地，通過將同步信號(hào)288從脈沖模式(圖示)轉(zhuǎn)換為連續(xù)波信號(hào)，由功率放大器212所輸出的RF功率放大器信號(hào)213 可被從脈沖模式轉(zhuǎn)換到連續(xù)波模式。功率放大器212將RF功率信號(hào)213輸出至可選的匹配網(wǎng)絡(luò)220。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中使用匹配網(wǎng)絡(luò)220以匹配功率放大器212和負(fù)載2 之間的阻抗。理想的是匹配功率放大器212和負(fù)載2M之間的阻抗來(lái)最小化RF功率，否則RF功率會(huì)被從負(fù)載2M反射回功率放大器。匹配網(wǎng)絡(luò)220響應(yīng)于從功率放大器212接收到的RF功率信號(hào)213而輸出經(jīng)修改的RF功率信號(hào)213’。經(jīng)修改的RF功率信號(hào)113’被提供給負(fù)載224 (如，用于處理半導(dǎo)體晶片的處理腔)。在一些實(shí)施例中，在過程中負(fù)載2 的性質(zhì)(阻抗)變化。負(fù)載2M的性質(zhì)可基于例如，等離子腔中處理?xiàng)l件(如，氣流速率、氣體成分、以及腔壓)的變化以及與傳輸給負(fù)載的 RF功率相關(guān)聯(lián)的性質(zhì)(如，峰值RF功率、RF脈沖頻率、RF脈沖寬度/占空比)的變化而變化。RF功率傳輸系統(tǒng)200還包括控制系統(tǒng)四2。功率放大器212與控制系統(tǒng)四2電通信?？刂葡到y(tǒng)292提供用于控制RF功率傳輸系統(tǒng)200的各組件(如，電壓源204、電壓功率轉(zhuǎn)換器208和功率放大器212)的操作的反饋環(huán)四8?？刂葡到y(tǒng)292包括電耦合至電壓源 204和輸出調(diào)節(jié)模塊232的模擬補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)228。輸出調(diào)節(jié)模塊232提供控制信號(hào)(如，脈沖寬度調(diào)制的控制信號(hào)或占空比輸入)到電壓源204，控制電壓源204的輸出。控制系統(tǒng)292還包括第一模擬數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器236a。A/D轉(zhuǎn)換器236a電耦合至電壓源204的輸出?？刂葡到y(tǒng)292還包括第二模擬數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器236b。A/D轉(zhuǎn)換器 236b電耦合至探針216的輸出。探針216電耦合至功率放大器212來(lái)測(cè)量由功率放大器 212輸出的RF功率信號(hào)的性質(zhì)(如，RF功率信號(hào)的數(shù)據(jù))。在這個(gè)實(shí)施例中，探針216輸出RF功率信號(hào)的電壓信號(hào)(V,f)和電流信號(hào)(Iff)，它們是RF功率信號(hào)213的測(cè)量。Vrf和 Irf具有如下形式Vrf = VJjV1 等式 9Irf = IjjI1 等式 10其中Vk是Vrf信號(hào)的實(shí)部分量，V1是Vrf信號(hào)的虛部分量，Ie是Irf信號(hào)的實(shí)部分量，I1是Irf信號(hào)的虛部分量。在一個(gè)實(shí)施例中，由探針216輸出的電壓信號(hào)(V,f)和電流信號(hào)(I,f)都是正弦信號(hào)。在本發(fā)明的不同實(shí)施例中所用的示例探針216是型號(hào)為VI-Probe-4100和 VI-Probe-350 (MKS儀器股份有限公司，Andover, MA)。A/D轉(zhuǎn)換器236b采樣兩個(gè)信號(hào)(Vrf 和Irf)并輸出數(shù)字信號(hào)[數(shù)字電壓信號(hào)(Vrf_dig)和數(shù)字電流信號(hào)(Irf-dig)]。數(shù)字電壓信號(hào)(Vrf_dig)和數(shù)字電流信號(hào)(Irf_dig)被提供給數(shù)字信號(hào)處理模塊四6 來(lái)產(chǎn)生作為功率放大器212的輸出功率的數(shù)字信號(hào)(Pdel)。處理模塊296包括數(shù)字混頻器 252、CIC過濾器模塊256、以及功率計(jì)算模塊洸8。A/D轉(zhuǎn)換器236b的輸出(Vfdig和Irf-dig) 被提供給混頻器252?；祛l器252用數(shù)字電壓信號(hào)(Vrf_dig)和數(shù)字電流信號(hào)(I,f_dig)執(zhí)行數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)產(chǎn)生如下形式的數(shù)字電壓信號(hào)(tf_dig)和數(shù)字電流信號(hào)(Ifdig)的實(shí)部和虛部部分Vrf_dig = (VK_dig+2* ω ) + j (U* ω )等式 11Irf_dig = (IK_dig+2* ω) +j (ΙΜ 8+2* ω)等式 12其中VK_dig是Vrf的數(shù)字版本的實(shí)部分量，Vpdig是Vrf的數(shù)字版本的虛部分量，IK_dig 是Irf的數(shù)字版本的實(shí)部分量，且Ldig是Irf的數(shù)字版本的虛部分量，且其中數(shù)字信號(hào)的每一個(gè)分量具有等于2* ω的分量，其中ω是A/D轉(zhuǎn)換器的采樣頻率。然后將這些信號(hào)提供給CIC過濾器模塊256來(lái)移除信號(hào)的該2* ω分量。將CIC過濾器模塊256輸出的DC信號(hào)輸出提供給功率計(jì)算模塊沈8。功率計(jì)算模塊基于下述功率控制算法來(lái)計(jì)算功率Pdel = 乂純山-徹+^！-叫等式 13功率計(jì)算模塊268輸出數(shù)字信號(hào)278 (Pdel)。信號(hào)278是所傳輸?shù)墓β?即，傳輸給負(fù)載2M的功率)。操作者或處理器(未示出)將功率設(shè)定點(diǎn)信號(hào)284 (Psp)提供給RF功
15率傳輸系統(tǒng)200，該設(shè)定點(diǎn)信號(hào)是理想地提供給負(fù)載2M的RF功率信號(hào)。在一些實(shí)施例中， 在處理器上實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的理想操作的數(shù)學(xué)模型來(lái)產(chǎn)生功率設(shè)定點(diǎn)信號(hào)觀4。圖3是數(shù)字信號(hào)302的圖300的圖形化表示，數(shù)字信號(hào)302是圖2的數(shù)字信號(hào) 278 (Pdel)。參考圖3，根據(jù)圖2中所描述的本發(fā)明的說明性實(shí)施例，作為應(yīng)用用于控制功率傳輸?shù)姆椒ǖ慕Y(jié)果，數(shù)字信號(hào)278隨脈沖而變化。圖300的Y軸是由功率放大器212輸出的RF功率信號(hào)213的數(shù)字表示。圖的X軸是時(shí)間。在這個(gè)實(shí)施例中，圖300示出由功率放大器212輸出的功率的三個(gè)脈沖[304a、304b以及3(Mc (—般地，304)]。理想的是對(duì)于每一個(gè)脈沖304而具有不變值Psp (功率設(shè)定點(diǎn))。然而，實(shí)踐中，脈沖304不是理想脈沖且因此在理想脈沖和由功率放大器212輸出的功率的實(shí)際脈沖之間存在誤差。系統(tǒng)200修正理想脈沖和由功率放大器212輸出的功率的實(shí)際脈沖之間的誤差。 每一個(gè)脈沖304的誤差用第一誤差分量ei和第二誤差分量％來(lái)表征。誤差分量ei是功率設(shè)定點(diǎn)(Psp)和所傳輸?shù)墓β蔖del的基本穩(wěn)定部分(穩(wěn)定狀態(tài))之間的誤差。用于計(jì)算誤差分量ei的Pdel的值是位于脈沖尾部的功率。誤差ei (η)是第η個(gè)脈沖的第一誤差分量， 且優(yōu)選作為圖2中的功率偏移量誤差(ei)。誤差分量％是脈沖所傳輸?shù)姆逯倒β?Pdel—peak) 和所傳輸?shù)墓β蔖del的基本穩(wěn)定部分(穩(wěn)定狀態(tài))之間的誤差。誤差是第η個(gè)脈沖的第二誤差分量，且在圖2中稱為脈沖形狀誤差(e2)。在操作中，功率傳輸系統(tǒng)200從第一脈沖(如，脈沖304a)中減少誤差&和％為接下來(lái)的、第二脈沖(如，脈沖304b)。類似地， 功率傳輸系統(tǒng)200減少在每一組相繼脈沖(如，第一脈沖304b到后繼的第二脈沖304c)之間的誤差ei和％。同步信號(hào)觀8的第一脈沖提供給電壓功率轉(zhuǎn)換器208。電壓功率轉(zhuǎn)換器208提供 DC功率脈沖(DC功率信號(hào)211)到功率放大器212。功率放大器212輸出功率的第一脈沖 (RF功率信號(hào)213)到匹配網(wǎng)絡(luò)220。探針216測(cè)量功率的脈沖(RF功率信號(hào)213)并輸出該RF功率信號(hào)的電壓信號(hào)(Vrf)和電流信號(hào)(I,f)到A/D轉(zhuǎn)換器236b，如之前所述的。功率計(jì)算模塊268接收A/D轉(zhuǎn)換器236b的輸出并輸出該數(shù)字信號(hào)(Pdel)，如上所述。將功率偏移量誤差(ei)提供給功率偏移量自適應(yīng)控制環(huán)模塊214。還將功率設(shè)定點(diǎn)Psp提供給模塊214。模塊214基于以下自適應(yīng)算法來(lái)計(jì)算功率偏移量信號(hào)(P。ffsJ
_4] ^Lkoffse人Psp-Pdel J等式認(rèn)其中k。ffset是由操作者選擇的以獲得理想的脈沖功率的標(biāo)量常數(shù)。求和模塊^Oc 對(duì)P。ffsrt和占空比模塊210的輸出求和，并從這個(gè)和中減去Pdel?；谙率酱_定求和模塊 280c的輸出(誤差e):e = Psp · D-Pdel 等式 15其中D是由占空比模塊210所設(shè)定的占空比。將求和模塊^Oc的輸出提供到控制器對(duì)4?？刂破?44企圖減少所測(cè)得的處理變量(即，功率求和模塊沈8的輸出Pdel)與功率設(shè)定點(diǎn)(Psp)和功率自適應(yīng)控制模塊214的輸出之和之間的誤差。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器模塊244是比例積分微分(PID)控制器模塊。比例值確定控制器244對(duì)于現(xiàn)有誤差的反應(yīng)，積分值基于現(xiàn)有誤差的總和確定控制器244的反應(yīng)，且微分值基于誤差改變的速率確定控制器244的反應(yīng)。使用這三個(gè)反應(yīng)的加權(quán)和來(lái)基于下式經(jīng)由控制元件來(lái)調(diào)節(jié)處理
權(quán)利要求
1.一種用于控制脈沖功率的方法，包括測(cè)量來(lái)自功率放大器的所傳輸?shù)墓β实牡谝幻}沖來(lái)獲得數(shù)據(jù)； 產(chǎn)生第一信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所傳輸?shù)墓β实牡诙}沖，所述第一信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述數(shù)據(jù)來(lái)最小化功率設(shè)定點(diǎn)和所述第二脈沖的基本穩(wěn)定部分之間的功率差異；以及產(chǎn)生第二信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所傳輸?shù)墓β实牡诙}沖，所述第二信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述數(shù)據(jù)來(lái)最小化所述第二脈沖的峰值和所述第二脈沖的基本穩(wěn)定部分之間的幅值差異。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括提供所述第二信號(hào)作為電壓源的輸入，所述電壓源提供電壓給電壓功率轉(zhuǎn)換器。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，還包括將所述第二信號(hào)相關(guān)聯(lián)于在接收設(shè)定點(diǎn)的電壓源與電壓功率轉(zhuǎn)換器輸出功率之間測(cè)得的時(shí)間延遲。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括計(jì)算所述第一脈沖的峰值和所述第一脈沖的基本穩(wěn)定部分之間的脈沖形狀誤差。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，還包括將所述第二信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述脈沖形狀誤差。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括計(jì)算所述功率設(shè)定點(diǎn)和所述第一脈沖的所述基本穩(wěn)定部分之間的功率偏移量。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，還包括將所述第一信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述功率偏移量。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括提供所述第一信號(hào)作為電壓源的輸入，所述電壓源提供電壓給電壓功率轉(zhuǎn)換器。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，還包括將所述第一信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述電壓源的占空比輸入。
10.一種功率傳輸?shù)姆椒?，包括從功率傳輸系統(tǒng)以連續(xù)波模式將功率傳輸至負(fù)載；在反饋環(huán)中產(chǎn)生信號(hào)來(lái)控制所傳輸?shù)墓β?，所述信?hào)相關(guān)聯(lián)于功率控制算法；以及調(diào)節(jié)所述功率控制算法中的單個(gè)變量來(lái)將所傳輸?shù)墓β蕪倪B續(xù)波模式轉(zhuǎn)換為脈沖模式。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括基于對(duì)應(yīng)于所述單個(gè)變量的輸入來(lái)激活所述反饋環(huán)中的開關(guān)，所述開關(guān)與功率放大器電通信。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括過濾所述反饋環(huán)中的信號(hào)來(lái)提供基本穩(wěn)定的功率測(cè)量。
13.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括提供所述信號(hào)作為電壓源的輸入， 所述電壓源提供電壓給電壓功率轉(zhuǎn)換器。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于，所述信號(hào)是所述電壓源的占空比輸入。
15.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括計(jì)算功率設(shè)定點(diǎn)和所傳輸?shù)墓β手g的功率偏移量。
16.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，還包括測(cè)量所傳輸?shù)墓β蕘?lái)獲得數(shù)據(jù)。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，還包括產(chǎn)生第二信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所傳輸?shù)拿}沖功率的形狀，所述第二信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述數(shù)據(jù)來(lái)最小化脈沖峰值與所述脈沖的基本穩(wěn)定部分之間的幅值差異。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，還包括將所述第二信號(hào)相關(guān)聯(lián)于在接收設(shè)定點(diǎn)的電壓源與電壓功率轉(zhuǎn)換器輸出功率之間測(cè)得的時(shí)間延遲。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，還包括將所述信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述數(shù)據(jù)來(lái)最小化功率設(shè)定點(diǎn)和脈沖的基本穩(wěn)定部分之間的功率差異。
20.一種功率傳輸?shù)姆椒?，包括從功率傳輸系統(tǒng)以連續(xù)波模式將功率傳輸至負(fù)載；測(cè)量傳輸給所述負(fù)載的功率；使用反饋環(huán)產(chǎn)生表示所傳輸?shù)墓β实男盘?hào)來(lái)控制所傳輸?shù)墓β实姆担鲂盘?hào)對(duì)應(yīng)于功率控制算法；調(diào)節(jié)所述功率控制算法中的單個(gè)變量以經(jīng)由所述同一個(gè)反饋環(huán)將脈沖功率傳輸至所述負(fù)載。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，還包括基于對(duì)應(yīng)于所述單個(gè)變量的輸入來(lái)激活所述反饋環(huán)中的開關(guān)，所述開關(guān)與功率放大器電通信。
22.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，還包括過濾所述反饋環(huán)中的信號(hào)來(lái)提供基本穩(wěn)定的功率測(cè)量。
23.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，還包括提供所述信號(hào)作為電壓源的輸入， 所述電壓源提供電壓給電壓功率轉(zhuǎn)換器。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于，還包括將所述信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述電壓源的占空比輸入。
25.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，還包括計(jì)算功率設(shè)定點(diǎn)和所傳輸?shù)墓β手g的功率偏移量。
26.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，還包括測(cè)量所傳輸?shù)墓β蕘?lái)獲得數(shù)據(jù)。
27.如權(quán)利要求沈所述的方法，其特征在于，還包括產(chǎn)生第二信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所傳輸?shù)拿}沖功率的形狀，所述第二信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述數(shù)據(jù)來(lái)最小化脈沖峰值與所述脈沖的基本穩(wěn)定部分之間的幅值差異。
28.如權(quán)利要求27所述的方法，其特征在于，還包括將所述第二信號(hào)相關(guān)聯(lián)于在接收設(shè)定點(diǎn)的電壓源與電壓功率轉(zhuǎn)換器輸出功率之間測(cè)得的時(shí)間延遲。
29.如權(quán)利要求沈所述的方法，其特征在于，還包括將所述信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述數(shù)據(jù)來(lái)最小化功率設(shè)定點(diǎn)和脈沖的基本穩(wěn)定部分之間的功率差異。
30.用于傳輸脈沖或連續(xù)波RF功率至負(fù)載的系統(tǒng)，包括耦合至電壓源的輸出的電壓功率轉(zhuǎn)換器，所述電壓功率轉(zhuǎn)換器適于產(chǎn)生所述脈沖RF 功率或所述連續(xù)波RF功率；耦合至所述電壓功率轉(zhuǎn)換器的輸出的RF功率放大器，所述RF功率放大器適于將RF功率傳輸至所述負(fù)載；耦合至所述RF功率放大器的輸出和所述電壓源的第一輸入的脈沖形狀控制環(huán)，所述脈沖形狀控制環(huán)適于最小化所述脈沖功率的峰值和所述脈沖功率的基本穩(wěn)定部分之間的幅值差異，所述脈沖形狀控制環(huán)適于當(dāng)所述脈沖RF功率處于第一模式時(shí)來(lái)操作；以及耦合至所述RF功率放大器的所述輸出和所述電壓源的第二輸入的功率設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)，所述功率設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)適于最小化RF功率設(shè)定點(diǎn)和傳輸至負(fù)載的所述RF功率之間的功率差異。
31.如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述功率設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)耦合至所述電壓源的輸出。
32.如權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述功率設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)包括電壓偏移電路，所述電壓偏移電路被設(shè)置為測(cè)量從所述電壓源輸出的電壓和來(lái)自所述功率設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)的電壓設(shè)定點(diǎn)之間的電壓偏移量。
33.如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述功率設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)包括與所述RF功率放大器的所述輸出電通信的開關(guān)。
34.如權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述開關(guān)可具有與所述脈沖RF功率的脈沖頻率相關(guān)聯(lián)的開關(guān)頻率。
35.在如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括耦合至所述電壓功率轉(zhuǎn)換器的輸出以及所述負(fù)載的輸入的匹配網(wǎng)絡(luò)。
36.在如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述功率設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)包括耦合至所述電壓源的所述第二輸入和所述脈沖設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)的輸出調(diào)節(jié)模塊，所述輸出調(diào)節(jié)模塊提供占空比輸入給所述電壓源。
37.在如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電壓源是降壓調(diào)節(jié)器。
38.在如權(quán)利要求30所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述功率設(shè)定點(diǎn)控制環(huán)包括數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器。
39.用于傳輸脈沖或連續(xù)波RF功率至負(fù)載的系統(tǒng)，包括耦合至電壓源的輸出的電壓功率轉(zhuǎn)換器，所述電壓功率轉(zhuǎn)換器適于產(chǎn)生所述脈沖RF 功率或所述連續(xù)波RF功率；耦合至所述電壓功率轉(zhuǎn)換器的輸出的RF功率放大器，所述RF功率放大器適于將RF功率傳輸至所述負(fù)載；耦合至所述RF功率放大器的輸出和電流設(shè)定點(diǎn)輸出的第一控制電路；以及耦合至所述電壓源的輸入和所述電壓源的輸出的第二控制電路，所述第二控制電路與電流設(shè)定點(diǎn)電通信，其中所述第一和第二控制電路組合，適于最小化RF功率設(shè)定點(diǎn)和傳輸至負(fù)載的所述 RF功率之間的功率差異。
40.在如權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括耦合至所述電壓源的所述輸出和所述第二控制電路的電壓設(shè)定點(diǎn)輸出的第三控制電路。
41.如權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一控制電路還包括與所述RF功率放大器的所述輸出電通信的開關(guān)。
42.如權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括與所述開關(guān)和所述RF功率放大器的所述輸出電通信的至少一個(gè)過濾器。
43.如權(quán)利要求42所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)過濾器適于提供基本穩(wěn)定的功率測(cè)量。
44.如權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括耦合至所述第二控制電路的至少一個(gè)前饋輸入。
45.如權(quán)利要求44所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)前饋輸入包括電壓設(shè)定點(diǎn)輸入。
46.如權(quán)利要求44所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述至少一個(gè)前饋輸入包括電流設(shè)定點(diǎn)輸入。
47.在如權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第二電路包括調(diào)節(jié)模塊，所述調(diào)節(jié)模塊提供占空比輸入給所述電壓源。
48.在如權(quán)利要求39所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括耦合至所述RF功率放大器的輸出和所述電壓源的第二輸入的脈沖形狀控制環(huán)，所述脈沖形狀控制環(huán)適于最小化所述脈沖功率的峰值和所述脈沖功率的基本穩(wěn)定部分之間的幅值差異，所述脈沖形狀控制環(huán)適于當(dāng)所述脈沖RF功率處于第一模式時(shí)來(lái)操作。
全文摘要
用于控制脈沖功率的方法包括測(cè)量來(lái)自功率放大器的功率的第一脈沖來(lái)獲得數(shù)據(jù)。所述方法還包括產(chǎn)生第一信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所傳輸?shù)墓β实牡诙}沖，所述第一信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述數(shù)據(jù)來(lái)最小化功率設(shè)定值和所述第二脈沖的基本穩(wěn)定部分之間的功率差異。所述方法還包括產(chǎn)生第二信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)所傳輸?shù)墓β实牡诙}沖，所述第二信號(hào)相關(guān)聯(lián)于所述數(shù)據(jù)來(lái)最小化所述第二脈沖的峰值和所述第二脈沖的基本穩(wěn)定部分之間的幅值差異。
文檔編號(hào)H02J17/00GK102484396SQ201080037077
公開日2012年5月30日 申請(qǐng)日期2010年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月25日
發(fā)明者A·拉什德, D·蘭姆, D·孟哲, I·貝斯特亞克, J·E·安布羅西納, J·J·蘇斯, S·本澤洛克, S·納加拉卡迪, 田豐 申請(qǐng)人:Mks儀器股份有限公司