用於高級頻率調諧的方法和設備的製作方法

2023-05-25 23:45:46 2

專利名稱：用於高級頻率調諧的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及電發生器。具體而言，但並非作為限制，本發明涉及用於調諧 (調節)所述發生器工作頻率的方法和設備。
背景技術：
功率發生器通常被設計為匹配到特定負載阻抗，典型為50歐姆，中時有最佳性 能。工作到接近設計值的負載阻抗中通常會獲得最高的輸出功率能力以及對發生器內部部 件的最低應力。典型地，但並非始終這樣，使用一些類型的匹配網絡將負載匹配到發生器。 通過匹配網絡(發生器內部或外部)的正確設計，有可能在發生器能夠產生的頻率範圍中 的一些頻率下將負載阻抗變換成接近期望負載阻抗的值。

發明內容
本發明的示範性實施例在附圖中示出並在下文得到概述。在具體實施方式
部分中 更充分地描述了這些和其他實施例。不過，要理解，並沒有意圖來將本發明限制到
發明內容
或具體實施方式
中所述的形式。本領域的技術人員可以認識到有很多修改、等價變化和備 選構造落在如權利要求所表達的本發明精神和範圍之內。本發明的很多實施例提供了一種響應於耦合到發生器的非線性和/或時變負載 的負載阻抗變化迅速調諧發生器(例如，RF發生器)工作頻率的方法和設備。—個示例性實施例包括一種頻率調諧方法，該方法包括計算負載反射係數，然後 基於計算的負載反射係數與一個或多個先前計算的負載反射係數相比的相對大小調節發 生器的工作頻率。另一個示例性實施例包括一種頻率調諧方法，該方法包括計算負載反射係數，然 後基於計算的負載反射係數與一個或多個先前計算的負載反射係數相比的相對大小調節 頻率步長。又一個示例性實施例包括一種在相對於耦合到發生器的時變負載的變化的迅速 時間範圍中計算負載反射係數(或其他度量)的方法。這裡更詳細地描述了這些和其他實施例。


在結合附圖參考以下具體實施方式
和所附權利要求時，本發明的各種目的和優 點，以及對其更透徹的理解將是顯而易見的，並更容易得到理解，附圖中圖1是系統級方框圖，示出了可以實現本發明的實施例的系統；
圖2是負載反射係數作為圖1所示系統頻率的函數的總體行為的圖示(史密斯圓 圖)；圖3是誤差(這裡簡單地是反射係數大小)作為對應於圖2的頻率的函數的圖 示；圖4是示出了可以結合圖1所示系統實施的功能部件的方框圖；圖5是在誤差為頻率單調函數的情況下誤差和頻率作為時間函數的圖示；

圖6是在根據本發明實施例的方法有利的情況下誤差和頻率作為時間函數的圖 示；圖7是針對時間不變(線性或非線性的)負載誤差函數作為頻率函數的圖示；圖8是針對時變(線性或非線性的)負載另一誤差函數作為頻率函數的圖示；圖9是根據所披露頻率調諧方法的又一示例性實施例發現期望頻率的方法的流 程圖；圖10是根據所披露頻率調諧方法的又一示例性實施例發現期望頻率的方法的流 程圖；圖11和12是示出了結合暴露於噪聲的實施例執行的示範性方法的模擬的曲線 圖；圖13和14是示出了結合無噪聲的實施例執行的示範性方法的模擬的曲線圖；圖15和16是示出了結合無噪聲的實施例執行的另一示範性方法的模擬的曲線 圖；圖17和18是示出了在存在噪聲時調諧的穩定化方法失敗的曲線圖；圖19、20和21是圖解示出了根據所披露頻率調諧方法一個或多個實施例的脈衝 頻率間調諧的曲線圖；圖22圖解示出了示範性頻率調諧方法，該方法使用具有最大持續時間時隙T的小 百分比時間來搜索全局最佳頻率。
具體實施例方式現在參考附圖，其中在所有幾幅圖中利用相同的附圖標記指示類似元件。常常使用發生器(例如，RF發生器)中的頻率調諧來減小反射功率，由此獲得高 效率的運行。參考圖1，示出了典型發生器系統100的方框圖。發生器102電耦合至負載 106。典型地，但並非始終這樣，使用一些類型的匹配網絡104將負載匹配到發生器。通過 匹配網絡(如圖1所示，在發生器內部或外部)的正確設計，有可能在發生器能夠產生的頻 率範圍中的一些頻率下將負載阻抗變換成接近期望負載阻抗的值(在輸出連接器處典型 地為50 Ω，或者在發生器內部的有源器件處，典型地是一些低復阻抗，例如8+j3 Ω )。負載阻抗與期望阻抗有多接近的度量可以採取很多形式，但通常將其表達為反射 係數
Z-Z0廣=兄其中ρ是阻抗Z相對於期望阻抗Ztl的反射係數。反射係數的大小(| P |)是表 示阻抗Z與期望阻抗Ztl有多接近的非常方便方式。Z和Ztl —般都是複數。
頻 率調諧方法和算法試圖找到最佳或期望的工作頻率。可以將優化點定義為反射 係數相對於期望阻抗的大小最小的頻率，但可以為此使用其他度量。這樣的其他度量例如 包括最小反射功率或最大傳送功率。在時間不變的線性負載上，很多調諧方法將很好地工作。但在時變和/或非線性 負載上，已經發現需要特殊技術來確保調諧算法的可靠運行。隨著負載阻抗發生變化(例 如，因為提供給負載的功率、氣體化學性質、壓力等變化)，常常需要動態調諧發生器以在對 應於發生器耦合的時變和/或非線性負載的動力學的時段內工作在當前對應於期望(例如 最佳)頻率的頻率。在控制問題的語境中，將誤差視為不期望(例如，非最佳)工作狀態的指示是有用 的。在經典控制理論中，理論上能夠將誤差控制到零，但在頻率調諧方法中這是非常稀有的 情況。假設期望的工作頻率是負載反射係數處於或基本接近其最小值的頻率，要指出的 是，控制變量(頻率)和誤差之間的關係未必是單調的。此外，最佳工作點位於增益(被定 義為誤差的變化除以頻率的變化)為零的點。更困難的是，局部最小值可能存在於控制方法可能失效的區域中。作為示例性範 例，圖2示出了負載反射係數曲線圖(史密斯圓圖)上的負載反射係數繪圖，圖3示出了作 為頻率的函數被用作誤差的負載反射係數的對應大小。在一些特殊情況下，已知關於負載的先驗信息，能夠做出布置使誤差函數是頻率 的單調函數，從而可以使用簡單的線性控制器。例如，在2002年10月29日授予Chen等人 的題為 「Pulsed RF Power Delivery for Plasma Processing，，的美國專利 No. 6，472，822 中披露了這樣的系統。參考圖5，這是示出了兩者均單調的誤差和頻率的曲線圖。由於頻率和誤差之間的 非單調關係，很少適用這種線性控制，除非在有關於負載的先驗信息適用的那些特殊情況 下。已經發現等離子體負載有兩個普遍的問題(1)因為等離子體負載阻抗是功率電 平的函數，所以負載具有非線性性質；(2)因為非線性等離子體負載的化學性質、壓力、溫 度和其他物理特性變化，負載阻抗隨時間變化。另一個只有等離子體(或類等離子體)負 載才有的問題是，如果向等離子體傳送的功率在足夠長時間內降到最小值以下，等離子體 可能會熄滅。於是，不能很長時間應用向等離子體負載傳送不足功率的頻率，否則等離子體 將熄滅。如果等離子體負載隨著時間變化，已知的調諧技術常常不能令人滿意並帶來問 題，圖7和8有助於例示。例如參考圖7，假設誤差，例如作為頻率函數的負載反射係數的 大小是保持固定的。在這種情況下，工作在頻率fo和時間、，隨後在頻率和時間、的頻 率調諧算法將正確地判定是工作地更好頻率，並將繼續調諧到更高頻率，直到實現f。ptimal 處的最小誤差。不過，在圖8中，誤差，例如作為頻率函數的負載反射係數的大小是隨著時間變化 的。在這種情況下，工作在頻率&和時間、，隨後工作在頻率和時間、的典型頻率調諧 算法將不正確地判定是工作的更差頻率，並將調諧離開最佳頻率。這個不正確的結果是 因為誤差函數自身已隨時間變化。
此外，在提供給負載的功率(例如，RF功率)是脈動的時，頻率調諧變得更有問 題。由於負載的非線性性質以及該阻抗匹配網絡採用的較高品質因數(存儲的能量與每個 周期(例如RF周期)提供的能量之比，常表示為「Q」)，在所施加脈衝(例如，RF脈衝)的 最初幾個微秒期間，負載阻抗變化非常迅速。首先參考圖4，它是示出了示範性實施例功能部件的方框圖，可以結合圖1所示的 實施例實施該實施例。應當認識到，這些部件的圖示布置是邏輯性的，並非意在成為真實的 硬體圖。於是，在實際實施時可以組合或進一步分隔部件。此外，按照本說明書，每個個體 部件的構造，可以包括硬體、固件、軟體及其組合，是本領域技術人員公知的。配置圖4所示控制器的若干變化以(例如，通過執行這裡進一步所述的控制方法) 適應誤差和頻率間存在非單調關係的情況(例如，在不知道關於負載的先驗信息時)。圖4 所示的誤差函數在很多變化中表示不期望的操作，在很多實施例中表示非最佳操作。本發明的若干實施例實現了跟上時變負載所需的速度。在很多實施例中，解決方 案是有兩重性的。首先是極快除法的開發，該方法能夠以比傳統使用的顯著快(快達一千 倍)的速度計算負載反射係數。這些實施例中的解決方案的第二部分是，如果誤差逐步減 小，允許頻率步長增大，如果誤差逐步增大，則減小頻率步長(或保持恆定)。結合到一起， 解決了跟上時變負載的問題。不過，當然想到了可以結合上述方案的第二部分使用這裡披 露的特定快速除法的替代方案(如果足夠快的話)。 圖9示出了流程圖900，示出了根據本發明的頻率調諧方法的一個實施例，該方法 可以至少部分地由圖4所示的控制器執行。該方法通常，但並非始終在加電時開始於方框 902。接下來，在方框904，該方法迅速計算負載反射係數(例如，利用極快除法，該方法能夠 以比傳統使用的顯著快(快達一千倍)的速度計算負載反射係數)。在這種語境中，計算可 以在微秒量級上(取決於具體實施方式
)，相對於負載隨時間的變化速率這是迅速的，負載 變化速率通常在毫秒量級。儘管這裡描述了用於獲得負載反射係數的具體方法，但顯然可 以想到計算負載反射係數的其他方法。在分支906，該方法判斷誤差是否相對於先前計算的誤差(或多個誤差)減小了。 本領域的技術人員將容易認識到，相對於先前計算的誤差比較當前計算的誤差的替換方法 (例如整體求平均值)也在本實施例的範圍之內。如果當前的誤差相對於先前計算的誤差 (或多個誤差)減小了，那麼，如方框908中反映的，增大(調節頻率的)頻率步長。另一方 面，如果當前誤差相對於先前計算的誤差(或多個誤差)未減小，那麼方法分支到方框910， 在此減小或(保持在當前值)頻率步長。最後，該方法進行到方框912，在此(基於適用的 步長)設置新的頻率，該方法再次循環一次。這裡披露的快速除法利用了反射係數是大小介於0和1之間的複數這一事實。獨 立處理反射係數的實部和虛部，確定從分子和分母的符號獲得的結果的符號，或者在僅計 算反射係數大小時(或，更典型地，通過使反射功率除以正向功率計算反射係數大小的平 方時)，問題簡化為計算兩個正實數之比。在已知答案必須介於0和1之間時，允許迭代解， 無需執行相乘運算。注意，在具體應用中，在需要這種計算時，可以假設分母永遠不為零，因 為分母一般正比於正向功率的平方根，在運算期間始終不為零。可以通過記為R = N/D來理解快速除法，其中R是要計算的比值，N為分子，D為分 母。要計算的比值R與N = RXD相同。以定點運算進行計算，因此分配冪2，例如2n，表示比值1。利用這種分配，得到 2nXD = RXD其中N、R和D為整數。可以將2nXN的計算作為N的二進位表示的左移位運算而 經濟地執行(相對於計算資源而言)。該計算通過計算R是低、中和高估計值開始。初始低估計值只不過是0，初始高估 計值2"表示比例1，初始中估計值為2(n_D。同時，分別將乘積RXD的低、中和高估計值計算 為Odfo-1) XD和2nXD。注意，可以再次將該乘積的中估計值和高估計值分別作為D的二進 制表示左移位n-1和η而加以高效率計算。通過將乘積的中估計值與需要值2ηΧΝ加以比較來重複計算。如果中估計值大於 2ηΧΝ，那麼中估計值變為新的高估計值；否則中估計值變為新的低估計值。將新的中估計 值計算為新的低估計值和高估計值之和的一半。這一計算是作為和隨後右移而執行的，同 樣使用了非計算密集型數值處理技術。通過維持額外的分數比特，可以避免捨入誤差。在η次迭代之後，在高低估計值之間的差異消失直到它們在定點運算中間隔1時， 完成計算。然後可以使用中估計值選擇更低或更高的估計值，其更加接近。本領域的技術人員將認識到，可以通過很多方式，包括，但不限於硬體、固件和軟 件來實現這裡公開的快速除法。使用這種高速而有計算效率的除法，反射係數(或其大小)可以由頻率調諧方法 以充分高精確度加以使用並在用於正向和反射信號的新值出現之後的不到一微秒之內可 用，允許進行非常快的調諧。例如，在使用比值的8-比特估計值和64MHz的時鐘時，在125 納秒內計算出該比值。典型地，等離子體負載的有噪聲性質將最大頻率更新速率限制在幾 個微秒，因此這種方法在足夠時間內提供了所需計算以提供快速和有效的頻率調諧能力。結合若干實施例執行的本發明頻率調諧方法的很多變化與傳統使用的逐步二分 (step-halving)算法不同之處在於，在其沿期望方向前進時(由減小的誤差探測到)，該方 法允許頻率階躍增大。這個特徵允許這些方法精確得多地追隨時變負載。儘管這些方法可 能會不穩定，但可以在方向變化之後固定數量的步驟之後允許步長增加來提高穩定性(以 複雜方式根據下述逐步增大和逐步減小增益，通常為2到4個步驟)。不過，這種不穩定性 採取了極限周期的形式，消除這一極限周期不是調諧方法自身正確運行必需的。下面論述 相對於穩定頻率調諧方法的噪聲考慮。為了便於進一步描述這裡所述的頻率調諧方法，定義以下變量fstart為起始頻率；fmin為最小頻率；fmax為最大頻率；fstepmin為最小頻率步長； fstepmax為最大頻率步長；gu為逐步增加增益；gd為逐步減小增益；fstepstot為起始頻率階躍； fstep為頻率階躍；％為先前誤差；e為當前誤差。圖10示出了流程圖1000，示出了所公開頻率調諧方法的另一變化。在方框1002， 在一開始為發生器系統100加電時，或如果啟用頻率調諧時，該方法開始。在方框1004，該 方法將頻率設置為，頻率階躍設置為fstepst t。在方框1006，該方法一直等候到打開RF。在等離子體系統上，常常需要延遲開始頻率調諧方法，直到等離子體點火。在方框 1008和1010中示出了這種延遲的很多可能實施之一。在方框1012，該方法測量誤差並向 先前誤差％分配實測誤差，並啟動調諧計時器。接下來，在方框1014，通過啟動頻率階躍
將當前頻率變化。在方框1018處測量新頻率處的誤差。在方框1020，將誤差e與先前誤差e(l進行比較。如果在方框1020中判定誤差e小於或等於先前誤差％，那麼方法前進到方框 1022，其中將頻率階躍fstep乘以逐步增加增益gu。如果頻率階躍的大小大於最大頻率步長
，然後在方框1022將頻率階躍大小變為最大頻率階躍fstepmax。在方框1024，將頻率改 變頻率階躍fstep，並限於最小頻率和最大頻率[fmin，fmax]之間的範圍。如果在方框1020中判定誤差e大於先前誤差％，那麼方法前進到方框1026，其中 通過當前步長減一半將頻率改變，即，未完成的上一階躍的一半。在方框1028，將頻率階躍
乘以負gd。在方框1030，如果頻率階躍的大小小於最小頻率步長，fstepmin，然後將頻率 階躍大小變為最小頻率步長fstepmin。在方框1032，先前誤差％被分配當前誤差e的值。在方框1034和1036，處理正在 進行調諧時關閉RF的情況。在方框1038，將誤差與下閾值比較。如果誤差小於閾值，該方法 進入由方框1042、1044、1046和1052形成的循環並將保持在這種狀態下，直到在方框1042 中探測到誤差超過上閾值或在方框1046中探測到關閉RF。另一方面，如果在方框1038中 判定誤差大於下閾值，方法進行到方框1040，在此判斷是否超過了調諧時間。如果未超過調 諧時間，允許發生器在新頻率下工作，直到如方框1018中所示獲得誤差e的新測量值。在 新頻率上花費的時間是負載和測量系統特性的函數，但一般大約為10微秒。如果在方框1040中判定超過了調諧時間，在方框1042中判斷誤差是否小於上閾 值。如果誤差小於上閾值，該方法進入由方框1042、1044、1046和1052形成的循環並將保持 在這種狀態下，直到在方框1042中探測到誤差超過上閾值或在方框1046中探測到關閉RF。 如果在方框1042中判定已經超過調諧時間且誤差大於上閾值，啟動調諧計時器的失效，允 許該方法繼續嘗試調諧到上閾值，直到在方框1054中判定超過這一調諧時間的失效。如果 該方法未能調諧，宣布有誤差並可以根據用戶設置關閉RF。通過用於開始和停止調諧方法的條件擴充了圖10所示的示範性方法。例如，如在 分支1038和1042所示，通常設置針對誤差的下目標和上目標以及實現下目標的時間。然 後，該調諧方法將試圖在分配的時間內達到下目標，如果其達到下目標，方法停止，如方框 1038所示。如果超過了分配的時間，如果誤差小於上目標該方法停止，如方框1042所示。 一旦停止了該方法，通常在超過上目標時重新開始。如果該方法未能到達上或下目標，可以 向系統控制器發出誤差和警報。還可以如下進一步擴充該方法在第一次打開功率(例如，RF功率)時進行初始 頻率掃頻，以在開始頻率調諧方法之前以某種程度的精確性找到最佳工作點。一般沿兩個 方向都執行掃頻，因為點火或未能點火的效果可能掩蔽真實的最小值。例如，等離子體可以 一個頻率進行點火，但一旦點火，等離子體就可以工作在不同的更高最佳頻率。如果從低到 高地掃頻頻率，將找到最佳頻率，但如果從高到低掃頻就不會找到，因為在探查更高的最佳 頻率時等離子體將不會被點火。進一步的改進包括獨立於搜索期望工作頻率搜索期望的點火頻率。有時期望點火 頻率對應於等離子體未點火時負載反射係數最小化處的頻率。不能點火等離子體的非常低 功率下的掃頻能夠判定在這種條件下的最好點火頻率，這是常常發生的。進一步的改進包括用於特定系統和過程的分段點(waypoint)。這種分段點可以包 括點火的啟動頻率，停留在點火頻率的時間，然後是具有開始常規頻率調諧方法之前停留在該頻率(甚至更多頻率、持續時間點)的時間的第二頻率。除了使用點火頻率和持續時間 之外，也可以通過尋找負載反射係數、傳送的正向或反射功率或其組合的突變來探測點火。結合這裡所述的本發明調諧方法的很多變化，出於穩定性的原因，逐步減小增益 gd—般可能小於0.5，0.125為示範性值。通常將逐步增大增益gu設置為2或4。通常將最 小頻率設置得足夠大，使得在比較兩個頻率時，誤差顯著不同，且噪聲不對方法中的決策過 程造成太大影響。正確設置最小的頻率階躍有助於優化該方法。一般這樣設置最大頻率階 躍，使得該方法不會跳過最小值或使等離子體熄滅(對於等離子體負載而言)。變量通常是 預設的，但用戶可以有改變設置以在特定應用中優化方法的能力。針對同時脈衝激發和頻率調諧的一種方案是在開始脈衝時阻抗仍然迅速變化時 丟棄信息，僅利用負載阻抗剛穩定時的信息進行有效控制。這種方法避免了在脈衝之內調 諧的需要，但設法獲得良好的運行平均頻率。為了避免偽信號產生效應，可以使脈衝的上升沿與測量和控制同步。通過從脈衝 開始延遲測量和控制周期的開始，對等離子體型負載進行合理操作是可能的。典型地，丟棄 脈衝開始之後的前10微秒就足以實現合理的結果。一起觀察圖11和12，示出了在有噪聲的情況下所披露的頻率調諧方法的模擬。在 該圖示中，對於前24毫秒，理想的頻率(誤差處於其最小值)為13MHz，之後理想頻率變為 14MHz。在模擬中在每個頻率花費的時間為16微秒。 一起觀察，圖13和14示出了在無噪聲的情況下所披露的頻率調諧方法的模擬，示 出了不穩定的極限周期行為。對於前24毫秒，理想的頻率(誤差處於其最小值)為13MHz， 之後理想的頻率變為14MHz。在模擬中在每個頻率花費的時間為16微秒。一起觀察，圖15和16示出了在無噪聲的情況下所披露的頻率調諧方法的一種變 化的模擬，附加約束是在改變方向之後，在[l/(2Xgd)]階躍之後僅允許增加步長大小，這 提供了穩定性。對於前24毫秒，理想的頻率(誤差處於其最小值)為13MHz，之後理想的頻 率變為14MHz。在模擬中在每個頻率花費的時間為16微秒。一起觀察，圖17和18示出了在有噪聲的情況下所披露的頻率調諧方法的模擬，附 加約束是在改變方向之後，在[l/(2Xgd)]階躍之後僅允許增加步長大小，這提供了穩定性 但導致無法在存在噪聲時進行調諧。對於前24毫秒，理想的頻率(誤差處於其最小值)為 13MHz，之後理想的頻率變為14MHz。在模擬中在每個頻率花費的時間為16微秒。在一些情況下，不可能在脈衝開始時丟棄全部信息，但由於混迭效應的危險，或由 於不夠用的控制帶寬或由於不穩定工作的風險，由於對頻率控制系統提出的高帶寬要求， 不希望使用脈衝內的信息。利用存儲器，能夠設計出與調諧脈衝內控制系統類似性能的系 統，但它是利用對脈衝間信息進行控制的低速穩定控制器實現的。由於可以使脈衝與測量 和控制周期同步，所以能夠使用順序脈衝中的相同時隙以及(比脈衝內控制器)更慢的控 制系統來在脈衝間控制頻率。典型地，控制系統不僅存儲和使用頻率而且還有其他控制參 數，以便例如控制傳送給負載的功率。這樣的其他控制參數可以包括供應給電源裝置的DC 電壓、MOSFET情況下(對於雙極性器件為基極發射器)的柵極偏置電壓和RF驅動電平。在 圖19、20和21中示出了繪示用於高脈衝重複頻率的脈衝間控制的系統的運行的曲線圖。如 果脈衝啟動時間變得非常長，可能更有利的是簡單地忽略來自前幾個時隙的信息，或在脈 衝中一些時間之後切換到脈衝內控制。
一起觀察，圖19、20和21示出了公開的脈衝間頻率調諧。在這種方案中，fa2僅是 ea0> eal和fal的函數(或者，如果在一些加權情況下也考慮到相鄰時隙時，主要是它們的函 數)。類似地，fb2僅僅是(或主要是)eM、ebl和fbl的函數；等等。對於所述方案而言最後一個問題是在局部非最佳最小值處失效。利用有一段固定 時間等離子體能夠以顯著降低的功率工作而不熄滅的事實，能夠以完全不同於當前工作點 的頻率採樣和存儲關於運行的信息。假設如果功率顯著減小足夠短時間T而等離子體將不 會熄滅，該方法通過在99%的時間內以(由頻率調諧方法決定的)最佳頻率工作並利用持 續時間不超過T的時隙中的剩餘時間探測其他頻率的工作而工作。儘管很多變化都是可能的，但以下方法為示範性的和示例性的。考慮在等於99T 的時間內工作於最佳頻率，然後在時間T之內切換到不同頻率。例如，可以將從fmin到fmax 的整個頻率範圍分成16個等間距的頻率&到f15。將整個頻率範圍分成的頻率數量是所採 用的匹配電路的已知品質因數的函數。十六是確保在後續搜索最佳頻率期間不會錯過真正 的最佳點的典型數目。可以通過在持續時間T的時隙中相繼搜索&到f15來開始該方法，以找到粗略的 最佳值。可能需要對該空間搜索幾次，因為功率控制系統不能在時間T之內正確地調節功 率。由於所遇到的典型負載具有非線性性質，有益的是在或接近期望的功率電平下測量負 載反射係數(或該方法使用的其他誤差度量)。通過在每次訪問頻率時存儲控制值和功率 電平，在幾次訪問同一頻率之後可以獲得正確的功率電平。

一旦已經找到粗略最佳值，例如在fk，其中k是從0到15的整數，然後可以使用長 度為τ的時隙開始該方法以找到最佳值。一種選擇是走到f16 = 0. 5 (fH+fk)，規定k > 0， f17 = 0.5(fk+fk+1)JlSk<15。然後，f16、fk和f17之間誤差在最小值的頻率變為新的期 望頻率。再次將新最佳值左右的間隔分成兩部分，並選擇先前的最小值和兩個新測試頻率 中的最小值。在最小頻率恰好是fmin或fmax時，僅產生一個新的頻率。由於每次都將間隔 二分，所以在僅僅幾次迭代中就以充分高的精確度找到了最佳頻率。因為負載一般是時變 的，所以一旦找到最佳頻率，該方法一般必須要再來一遍，以確認條件未變化且未生成新的 全局最佳值。在執行發現全局最佳值的本方法的同時，可以在99T時隙期間運行前述局部調諧 方法以在當前局部最小值處維持運行。在99%的時間內停留在當前最佳頻率確保了傳送給 負載的平均功率實際保持不變。圖22圖解示出了可能與方法相關聯的示範性運行特性，該 方法使用具有最大時隙T的小百分比時間來搜索全局最佳頻率。總之，本發明的若干實施例提供了用於動態調諧包括發生器和非線性和/或時變 負載(例如等離子體)的系統的工作頻率的方法和設備等。本領域的技術人員可以容易認 識到，可以在本發明的實施例、其用途及其構造中做出眾多變化和置換以實現與這裡所述 實施例實現的基本相同的結果。因此，無意將本發明限制到所公開的示範性形式。很多變 化、修改和備選構造落在如權利要求所表達的所公開發明的範圍和精神之內。
權利要求
1.一種用於調諧耦合到時變負載的電發生器的工作頻率的方法，所述方法包括計算所述電發生器的初始工作頻率處的第一誤差，其中所述第一誤差是在基本上短於 所述時變負載變化的時間範圍的時間範圍內計算的； 將所述電發生器的初始工作頻率調節初始步長；計算第二誤差，其中所述第二誤差是在基本上短於所述時變負載變化的時間範圍的時 間範圍內計算的；以及如果第二計算的誤差的大小小於第一計算的誤差的大小，以比所述初始步長大的增大 步長來調節先前調節的所述電發生器的工作頻率。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括如果所述第二計算的誤差的大小大於所述第一 計算的誤差的大小，以比所述初始步長小的減小步長來調節先前調節的所述電發生器的工 作頻率。
3.根據權利要求2所述的方法，還包括重複權利要求2所述的方法，直到所述電發生器 在對應於最小誤差的頻率下或在接近對應於最小誤差的頻率下工作。
4.根據權利要求2所述的方法，還包括 判斷計算的誤差是否小於下閾值；如果所述計算的誤差小於所述下閾值則停止； 如果未到達所述下閾值，則判斷是否超過時間限制；重複所述方法，直到已經超過所述時間限制或所述計算的誤差小於所述下閾值；判斷所述計算的誤差大小是否小於上閾值；如果所述計算的誤差大小小於所述上閾值則停止；以及如果所述計算的誤差大小不小於所述上閾值的大小，則重複所述方法，直到所述計算 的誤差小於所述上閾值或已經超過第二時間限制。
5.根據權利要求1所述的方法，其中計算所述第一和第二誤差包括使用快速除法。
6.根據權利要求5所述的方法，其中使用所述快速除法包括利用定點運算計算兩個正 實數的比值。
7.根據權利要求5所述的方法，其中使用所述快速除法還包括 設置比值的初始下估計值；設置所述比值的初始上估計值； 計算所述比值的初始中估計值； 計算所需值；將所述比值的所述初始中估計值與所述所需值進行比較；如果所述初始中估計值大於所述所需值，則將所述比值的新的上估計值設置為所述初 始中估計值，如果所述初始中估計值小於所述所需值，則將所述比值的新的下估計值設置 為所述初始中估計值；以及以預定的迭代次數重複每個動作。
8.根據權利要求6所述的方法，其中所述快速除法還包括使用定點運算來執行計算。
9.根據權利要求1所述的方法，其中所述電發生器為射頻發生器。
10.根據權利要求1所述的方法，其中所述時變負載包括等離子體。
11.根據權利要求1所述的方法，其中所述時變負載包括非線性負載。
12.一種電發生器，包括包括配置成接收主控制信號的控制輸入的引擎，所述主控制信號控制所述電發生器傳 送的輸出功率、輸出電流和輸出電壓中的至少一個，所述引擎被配置成在多個頻率處產生 多個輸出功率以驅動時變阻抗負載；耦合到所述時變阻抗負載和所述引擎的阻抗測量電路，所述阻抗測量電路由此測量所 述時變阻抗負載的阻抗；以及耦合到所述引擎並耦合到所述阻抗測量電路的頻率調諧電路，配置成調節所述電發生 器的工作頻率，所述工作頻率的調節基於所述時變負載的所測量阻抗，其中所述頻率調諧 電路計算在所述發生器的工作頻率處的誤差，且其中所述頻率調諧電路將所述電發生器的 工作頻率調節成更接近最小誤差區域。
13.根據權利要求12所述的電發生器，其中所述頻率調諧電路包括映射對應的最小誤 差區域的查找表，用於多個分立工作頻率的每一個以及用於多個分立測量阻抗的每一個，。
14.根據權利要求12所述的電發生器，其中所述電發生器為射頻發生器。
15.根據權利要求12所述的電發生器，其中所述時變阻抗負載包括等離子體。
16.根據權利要求12所述的電發生器，其中所述時變阻抗負載還包括非線性負載。
全文摘要
描述了一種用於調諧耦合到時變負載的電發生器工作頻率的方法和設備。一個示例性實施例迅速計算在電發生器的當前工作頻率處的誤差(反射係數大小)；以初始步長調節電發生器的頻率；迅速計算第二誤差；以及如果第二誤差的大小小於第一誤差的大小，那麼增大步長，並以增大的步長調節頻率。
文檔編號H05H1/36GK102037789SQ200980118839
公開日2011年4月27日 申請日期2009年3月12日 優先權日2008年3月23日
發明者G·J·萬茲爾, J·羅貝格 申請人:先進能源工業公司