多整平模式的電源控制環路的製作方法
2023-10-09 16:10:04 2
專利名稱：多整平模式的電源控制環路的製作方法
技術領域：
本發明涉及電源控制領域，尤其涉及控制等離子體腔室電源的方法與系統。
背景技術：
通常，電源應用場合要求電源在以各種電學極限(比如電壓、電流、功率、電阻與電導)定界的嚴密規定的工作區內操作。為了保護電源、保護負載或者對某些期望的控制效果而言，電源操作受限於在某個工作區內工作。根據應用，例如可能要求電源提供(即整平)不超過規定電流極限的恆功率輸出。
另外，某些電源應用要求電源能在諸工作模式之間有效地功換(例如從提供有電流與電壓極限的恆功率輸出切換到提供有功率與電源極限的恆定電壓)。
因此要求控制電源操作，使之能在諸電源工作模式之間切換。
發明內容
發明的一個方面涉及一種控制電源工作的方法，該法包括接收多個與電源工作有關的誤差信號，並確定哪個誤差信號符合至少一個選擇標準。該方法還包括根據符合至少一個選擇標準的誤差信號確定控制器的特性，並用該控制器控制電源工作。
在有些實施例中，可以重複某些或所有這些步驟。在有些實施例中，該法包括接收多個與電源工作有關的誤差信號，並確定哪個誤差信號符合多個選擇標準。在有些實施例中，該方法涉及根據多個符合至少一個選擇標準的誤差信號確定控制器的特性。
在有些實施例中，誤差信號各自基於從電壓、電流、功率、電阻與電導構成的組中選擇的電源工作參數。在有些實施例中，該方法包括歸一化(normalizing)誤差信號。在有些實施例中，使誤差信號歸一化而穩定控制器，例如用電源工作參數(比如電壓、電流、功率、電阻與電導中的一個或多個)使誤差信號歸一化。在有些實施例中，控制器實施一種控制算法(例如比例加積分加導數(derivative)、比例加積分、比例加導數、狀態空間、模糊邏輯)。有些實施例中，用模擬電路和數位訊號處理器中至少一個確定哪一誤差信號符合選擇標準。
在有些實施例中，該方法包括儘量減小誤差信號的變化。有些實施例中，最小誤差信號符合選擇標準。有些實施例中，最大誤差信號符合選擇標準。有些實施例中，方法包括連續監視多個誤差信號，以確定哪一誤差信號符合選擇標準。若誤差信號之一超出規定的閾值，則該方法還可包括減小至少一個電源工作參數(例如電壓、電流、功率、電阻與電導)的值。該方法還包括用電源向複合阻抗負載比如功率變換器或等離子體腔供電。電源可以是例如DC電源、RF電源或微波電源。
在另一個方面，本發明涉及一種控制電源工作的方法，包括通過將第一電學參數的測量值與第一電學參數的規定值比較，確定與電源工作有關的第一誤差信號；以及通過將第二電學參數的測量值與第二電學參數的規定值比較，確定與電源工作有關的第二誤差信號。該法還包括識別哪個誤差信號符合選擇標準，並根據符合選擇標準的誤差信號確定控制器的特性。
在另一個方面，本發明是一個包括電源和輸出命令信號以調節電源的工作的控制器的系統。該控制器按至少一個誤差信號確定命令信號，該至少一個誤差信號根據選擇標準選自多個誤差信號。
控制器可用模擬電路和數位訊號處理器中至少一個構成。控制器能調節至少一個電源工作參數(例如電壓、電流、功率、電阻與電導)。控制器將誤差信號變化減到最少。控制器能夠使誤差信號歸一化。誤差信號可用諸如電壓、電流、功率、電阻或電導的電源工作參數來歸一化。誤差信號歸一化可穩定控制器。電源能向複合阻抗負載諸如功率變換器或等離子體腔供電。電源可以是例如DC電源、RF電源或微波電源。
在另一個方面，本發明是個系統，該系統包括電源和確定多個誤差信號的哪一個符合選擇標準的裝置。該系統還包括按符合選擇標準的誤差信號確定控制器特性的裝置和用控制器控制電源工作的裝置。
根據以下說明和權利要求，本發明的前述和其它目的、方面、特徵與優點將變得更加明顯。
結合無需按比例的附圖一起閱讀以下示例性說明，將會更全面地理解本發明的前述及其它目的、特徵與優點以及發明的本身內容。
圖1是控制本發明的實施例的電源工作的系統的框圖。
圖2是根據本發明的示例性實施例控制電源工作的方法的流程圖。
圖3是使用根據本發明的控制電源的系統的圖示電源工作區的圖示。
圖4是根據本發明示例性實施例，採用模擬電路控制電源工作的系統的框圖。
具體實施例方式
圖1描述系統100用於控制諸如電源104的裝置的操作。電源104向電負載108輸出電信號，諸如電源輸出112，負載108例如是個複合阻抗負載，諸如功率變換器或等離子體腔。再舉個例，電源可以是DC電源、RF電源或微波電源。有些實施例中，電源104向半導體濺射處理中使用的等離子體腔提供輸出112。
系統100還包括實現控制算法的控制器116。控制器116接收誤差信號122，根據誤差信號122計算並輸出控制信號120，以期望的方式控制電源104工作。控制器116可執行各種控制算法中的任一種，包括但不限於比例加導數加積分控制算法、比例加導數算法、比例加積分算法、狀態空間控制算法和模糊邏輯算法。在本實施例中，控制器116包括數字電路，諸如數位訊號處理器。有些實施例中，控制器116接收一個或多個誤差信號，根據多個誤差信號計算並輸出一個或多個輸出信號。
舉個例說，控制器116可以包含Motorola DSP56300數位訊號處理器(Motorola，Schaumberg，IL)。有些實施例中，系統100的控制器116和其它元件可用模擬電路或模擬與數字電路的組合構成。
在本實施例中，系統100包括一組極限、功率設定點124、電壓設定點128、電流設定點132和電導設定點136，都是電源104的工作參數。設定點124、128、132與136都是對各工作參數(分別為功率、電壓、電流與電導)規定的極限。設定點值是預先規定的最大值，用來限定電源104在其中工作的工作區，以確保電源104和負載108受到電氣保護。有些實施例中，例如在系統100操作期間，操作員或獨立的控制器可以修正設定點124、128、132與136。
系統100還包括模塊156，它把多個與電源104工作有關的誤差信號140、144、148與152作為輸入來接收。模塊156根據一個或多個選擇標準選擇誤差信號140、144、148與152中的至少一個，向控制器116輸出選擇的誤差信號122。控制器116按至少一個選擇的誤差信號122確定控制算法的特性，再輸出控制信號120，以期望的方式控制電源104工作。
在本實施例例中，模塊156應用一種選擇具有最小值的誤差信號的選擇標準。負誤差信號小於正誤差信號。如前所述，選擇的誤差信號輸出給控制器116。可以採用替代的和/或多個選擇標準，例如模塊156可採用選擇具有最大值的誤差信號的選擇標準。有些實施例中，模塊156可採用選擇滿足數學方程的誤差信號122的選擇標準。
在本實施例中，用合適的比例係數使各誤差信號140、144、148和152歸一化，以使各誤差信號與電功率信號具有同樣的測量單位(如瓦特)，結果各誤差信號的環路增益近似相等，因為各誤差信號歸一化成具有同樣的測量單位。這樣，控制器性能得以穩定，以使得例如在系統100諸工作模式之間切換時，系統100的性能將不會明顯變化。例如在電源從整平受制於最大電壓、電流與電導設定點值的最大功率值改變為整平受制於最大功率、電流與電導設定點值的最大電壓值時，系統100的性能就不會明顯變化。或者，誤差信號140、144、148和152可用任一參數歸一化，以使誤差信號具有相同的測量單位。有些實施例中，誤差信號140、144、148和152不作歸一化也能取得令人滿意的性能。
誤差信號是功率設定點124與功率檢測信號158的差值，功率檢測信號158是電壓信號160與電流信號162的乘積，電壓信號160與電流信號162的乘積具有功率單位(功率＝電壓×電流)。電壓檢測模塊164測量並輸出對應於電源輸出112電壓的信號170。在本實施例中，模塊172將電壓信號168與規定的最小電壓(Min_V)作比較，模塊172把電壓信號168與最小電壓(Min_V)中的較大者輸出為電壓信號160。為確保控制器116穩定，最小電壓(Min_V)被定為大於零。
類似地，電流檢測模塊166測量電源輸出112的電流並輸出電流信號170。模塊174將電流信號170與規定的最小電流(Min_I)作比較，把其中較大者作為電流信號162輸出。為確保控制器116穩定，將最小電流(Min_I)定為大於零。
誤差信號144是電壓信號176與電流信號162的數學乘積，具有功率單位(功率＝電壓×電流)。電壓信號176是電壓設定點128與電壓信號160的差值。
誤差信號148是電流信號178與電壓信號160的數學乘積，具有功率單位(功率＝電流×電壓)。電流信號178是電流設定點132與電流信號162的差值。
誤差信號152是電流信號182與電壓信號160的數學乘積，電流信號182與電壓信號160的數學乘積具有功率單位(功率＝電流×電壓)。電流信號182是電流信號180與電流信號162之差。電流信號180是電導設定點136與電壓信號160的數學乘積。電導等於(1/電阻)，單位為Mhos。
通常，系統100連續監視多個誤差信號，確定哪個誤差信號符合選擇標準。系統100可重複本發明方法的每一步，不斷確保電源104期望的工作，即使系統的工作模式變了，也能確保控制器116穩定。舉個例說，可以重複本方法的每一步，以在系統100的工作模式從命令受制於電流、電壓與電導設定點的規定的功率輸出切換到命令受制於功率、電流與電導設定點的規定的電壓輸出時，確保電源104的正常工作和控制器116穩定性。
圖2示出根據本發明示例性實施例的控制電源的方法。方法200可用諸如圖1的系統100的電源控制系統實施。方法200可由操作員或受控制器116指揮而自動地重複(步驟224)或中止(步驟228)。方法200的每次重複被定義為該方法的迭代。在圖2的示例方法中，測量了四個誤差信號(步驟204)V_PWR_LIMIT、I_PWR_LIMIT，P_ERROR和G_PWR_LIMIT。舉例說，誤差信號可以分別是圖1的誤差信號144、148、140和152。
從四個誤差信號(V_PWR_LIMIT、I_PWR_LIMIT，P_ERROR和G_PWR_LIMIT)中選出最小誤差信號。本例中，選擇標準選擇最小誤差信號，但其它實施例可使用另一種選擇標準。
在步驟212，對Error_N指定一個等於步驟208所選最小誤差信號的值。控制器(諸如圖1的控制器116)內控制算法的諸參數值，用下列公式計算(步驟216)導數＝DTerm×[Error_N-Error_N3+(Error_N1-Error_N2)](1)積分＝ITerm×Error_N+Integral_N1 (2)比例＝PTerm×Error_N (3)例如，對於電源104和控制器116開始工作前確定的「比例加積分加導數(PID)」控制算法，DTerm、ITerm和PTerm都是控制器常數。「Error_N1」等於方法200要立即迭代前的誤差信號「Error_N」，「Error_N2」等於方法200要立即迭代前的誤差信號「Error_N1」，「Error_N3」等於方法200要立即迭代前的誤差信號「Error_N2」。系統啟動時，因步驟208還未選出誤差(步驟208)，故誤差「Error_N1」、「Error_N2」與「Error_N3」均為零。在其它實施例中，例如操作員可對某些或所有的誤差(Error_N1、Error_N2與Error_N3)規定一初值。Integral_N1等於方法200要立即迭代前的積分值。系統啟動時，因步驟216仍未確定值(步驟216)，故積分值為零。其它實施例中，例如操作員可以規定一個積分初值。
用下面的方程式計算(步驟216)驅動信號，諸如圖1的輸出信號112驅動＝比例+積分+導數 (4)然後把輸出信號112供給電源104，以期望的方式控制電源104工作。然後Error_N3被指定(遞增)為等於Error_N2的值，Error_N2被指定為等於Error_N1的值，Error_N1被指定為等於Error_N的值(步驟220)。再重複(步驟224)或中止(步驟228)每一步驟(步驟204、208、212、216與220)。在有些實施例中，例如控制器根據在方法200特定迭代期間被選為最小值的那個誤差信號，構成不同的控制器常數DTerm、ITerm與PTerm。
作為示例，圖3的圖示示出了本發明一實施例的電源的工作區302。按照本發明，諸如圖1的系統100的系統調整電源工作，對電源諸工作參數(分別為功率、電壓、電流與電導)規定設定點(工作極限304、308、312與316)。極限304把電源輸出限為等於12,500瓦特的最大功率，極限308把電源輸出限為等於800伏特的最大電壓，極限312把電流輸出限為等於25安培的最大電流，極限316把電源輸出限為等於0.1Mhos(也稱為西門子)的最大電導。本例中，電源沿工作區302(由極限304、308、312與316限定)周邊工作。在其它實施例中，用戶可以設置新的工作區，並能有效地改變電源沿其工作的周邊，例如用戶通過改變極限304、308、312與316中的一個或多個，可在原來的工作區內設置新的工作區。
如前所述，圖1系統100的最小誤差信號122被控制器116接收，而控制器116計算適合控制電源104輸出的輸出信號120，以此方式，最小誤差信號122被用來調節電源104的工作。再舉一例，若電壓誤差信號144被確定為最小誤差信號122，則電源104正工作於工作區302中接近工作極限308的位置。若不是這樣，則電流誤差信號148被定為最小誤差信號122，電源104正工作於工作區302中靠近工作極限312的位置。以此方式，例如由於負載108的電學特性變化而造成電源104工作位置(即受功率、電壓、電流與電導的特定值支配)變化，系統將選擇具有最小值的誤差信號。
在圖4所示的另一實施例中，控制電源104工作的系統400包含模擬電路，用於產生功率誤差信號140、電壓誤差信號144和電流誤差信號148。運放(Op-amp)電路408a根據功率設定點124和功率信號158產生功率誤差信號140。與前述情況一樣，功率信號158是電流信號162與電壓信號160的數學乘積。運放電路408b根據電流設定點132和電流信號162產生電流誤差信號148，運放電路408c根據電壓設定點128和功率信號160產生電壓誤差信號144。
本例中，誤差信號144和148未被歸一化成具有等於功率誤差信號140測量單位的測量單位(例如瓦特)，因此，為確保控制器116在系統400操作期間穩定，要單獨地調節運放電路的環路增益。在有些實施例中，在對電壓誤差信號144和電流誤差信號148不作歸一化處理時，控制器116諸係數(比如PID控制器的係數DTerm、ITerm和PTerm)取決於提供給控制器116的誤差信號而不同。
配置二極體404a，404b和404c，以使選出最小誤差信號(即誤差140、144和148的最小值)並提供給控制器116。然後如前所述，控制器116根據該最小誤差信號執行PID控制器。接著，控制器116把信號120輸出給電源104，後者再向諸如複合阻抗負載的負載提供電源輸出信號112。
作為示例，對於1歐姆的負載108而言，電源輸出112為1伏1安，功率輸出為1瓦特。若「功率設定點」為100W，I_Sense×V_Sense等於1W，則U1運放正輸入佔主導地位，把U1輸出(誤差信號140)驅向正電源軌(positiverail)。若電源輸出112為1伏，「電壓設定點」為5伏，則U3運放正輸入佔主導地位，把U3輸出(誤差信號144)驅向正電源軌。若電源輸出112為1安而「電流設定點」為1A，U2運放的正負輸入相等，運放輸出(誤差信號148)將為零以下一個二極體(二極體D2)壓降。在信號122導致零伏。因最小誤差信號是誤差信號148，二極體D2(404b)是正向偏置的唯一二極體，從而將電流誤差148提供給控制器116。
在不違背本發明如權利要求所述的精神與範圍的情況下，本領域的普通技術人員可作出在此描述的變化、修正與其它實施方案，因此，本發明不受前述的示例性說明限定，而由下列權利要求的精神與範圍限定。
權利要求為
權利要求
1.一種控制電源工作的方法，該方法包括(a)接收與電源工作有關聯的多個誤差信號；(b)確定哪個誤差信號符合至少一個選擇標準；(c)根據符合所述至少一個選擇標準的誤差信號，確定控制器的特性；以及(d)用所述控制器控制電源工作。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括重複步驟(a)、(b)、(c)與(d)的步驟(e)。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，誤差信號各自基於從電壓、電流、功率、電阻與電導構成的組中選擇的電源工作參數。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括對誤差信號歸一化。
5.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，誤差信號用電源工作參數歸一化。
6.如權利要求5所述的方法，其特徵在於，電源工作參數選自電壓、電流、功率、電阻與電導構成的組。
7.如權利要求4所述的方法，其特徵在於，誤差信號被歸一化以穩定控制器。
8.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述控制器執行從比例加積分加導數、比例加積分、比例加導數、狀態空間、模糊邏輯構成的組中選擇的控制算法。。
9.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括將誤差信號變化減到最小。
10.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，最小誤差信號符合選擇標準。
11.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，最大誤差信號符合選擇標準。
12.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，用模擬電路和數位訊號處理器中至少一個確定哪個誤差信號符號選擇標準。
13.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括連續監控多個誤差信號以確定哪個誤差信號符合選擇標準。
14.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，若有一個誤差信號超出規定的閾值，就減小電源的至少一個工作參數的值。
15.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，所述工作參數選自電壓、電流、功率、電阻與電導構成的組。
16.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，包括用電源向複合阻抗負載傳送功率。
17.如權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述複合阻抗負載是功率變換器。
18.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述複合阻抗負載是等離子體腔。
19.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，電源選自DC電源、RF電源與微波電源構成的組。
20.一種控制電源工作的方法，所述方法包括(a)通過比較第一電學參數的測量值與第一電學參數的規定值，確定與電源的工作相關聯的第一誤差信號；(b)通過比較第二電學參數的測量值與第二電學參數的規定值，確定與電源的工作相關聯的第二誤差信號；(c)識別哪一個誤差信號符合選擇標準；以及(d)根據符合選擇標準的誤差信號，確定控制器的特性。
21.一種系統，包括(a)電源；以及(b)輸出命令信號以調整電源工作的控制器，所述控制器根據至少一個誤差信號確定命令信號，所述至少一個誤差信號根據選擇標準選自多個誤差信號。
22.如權利要求21所述的系統，其特徵在於，所述控制器用模擬電路和數位訊號處理器中至少一個構成。
23.如權利要求21所述的系統，其特徵在於，所述控制器調節至少一個電源工作參數。
24.如權利要求23所述的系統，其特徵在於，至少一個工作參數選自電壓、電流、功率、電阻和電導構成的組。
25.如權利要求21所述的系統，其特徵在於，電源向複合阻抗負載傳送功率。
26.如權利要求25所述的系統，其特徵在於，所述複合阻抗負載是功率變換器。
27.如權利要求25所述的系統，其特徵在於，所述複合阻抗負載是等離子體腔。
28.如權利要求21所述的系統，其特徵在於，電源選自DC電源、RF電源和微波電源構成的組。
29.如權利要求21所述的系統，其特徵在於，所述控制器將誤差信號變化減到最小。
30.如權利要求21所述的系統，其特徵在於，所述控制器對誤差信號歸一化。
31.如權利要求30所述的系統，其特徵在於，所述控制器用電源工作參數使誤差信號歸一化。
32.如權利要求31所述的方法，其特徵在於，所述電源工作參數選自電壓、電流、功率、電阻和電導構成的組。
33.如權利要求30所述的方法，其特徵在於，使誤差信號歸一化穩定所述控制器。
34.一種系統，包括(a)電源；(b)確定多個誤差信號中哪一個符合選擇標準的裝置；(c)根據符合選擇標準的誤差信號確定控制器特性的裝置；以及(d)用所述控制器控制電源工作的裝置。
全文摘要
一種控制電源(104)的方法與裝置。系統(100)包括電源(104)和輸出命令信號以調節電源的工作的控制器(116)。控制器根據至少一個誤差信號確定命令信號，所述至少一個誤差信號按選擇標準選自多個誤差信號。
文檔編號H02M1/00GK1839533SQ200480023740
公開日2006年9月27日 申請日期2004年8月18日 優先權日2003年8月18日
發明者S·O·哈奈特, M·D·特雷西, J·N·克萊因 申請人:Mks儀器股份有限公司