一种射频电源的制作方法

本发明涉及射频电源技术领域，特别是涉及一种射频电源。

背景技术：

射频电源一般应用于等离子清洗及普通工业镀膜等应用领域。考虑到射频电源的负载为游离的等离子体，其功率需求也随时发生变化，为了满足负载的功率需求，在对射频电源的输出电源调整的过程中，涉及到对射频电源的输出电压和射频电流的采集，现有技术中在对射频电源的输出电压和射频电流进行采集时，采样电路中的一些器件例如运放等在采样电路所处的环境温度发生变化时，其静态工作点也会发生变化，从而使得运放的输出端电压偏离原始值而上下漂动，造成采样信号的失真，降低了射频电源的输出电源的精度，延长了射频电源的输出电源的调整时间。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种射频电源，提高了射频交流电的采集精度，也提高了射频电源的输出电源的精度，减少了射频电源的输出电源的调整时间。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种射频电源，包括：

用于将交流电转换为射频直流电的整流模块；

分别与所述整流模块及负载连接、用于根据第一处理器的控制对所述射频直流电进行逆变、功率调整及阻抗匹配，得到射频交流电并输出至负载的功率调整及阻抗匹配模块；

与所述功率调整及阻抗匹配模块的输出端连接、用于将自身所处环境温度保持在预设温度范围内并采集所述射频交流电的恒温采样电路；

分别与所述功率调整及阻抗匹配模块及所述恒温采样电路连接的所述第一处理器，用于根据所述射频交流电控制所述功率调整及阻抗匹配模块。

优选地，所述恒温采样电路包括：

用于采集射频交流电压的电压采样模块；

用于采集射频交流电流的电流采样模块；

用于采集自身所处环境温度的温度传感器；

加热模块和制冷模块；

分别与所述电压采样模块、所述电流采样模、所述温度传感器、所述加热模块和所述制冷模块连接的第二处理器，用于通过控制所述加热模块和所述制冷模块将所述环境温度保持在预设温度范围内并输出所述射频交流电压和所述射频交流电流。

优选地，所述加热模块包括：

控制端与所述第二处理器连接的第一开关；

加热器件及第一电源，所述加热器件、第一电源及所述第一开关构成串联回路。

优选地，所述制冷模块包括：

控制端与所述第二处理器连接的第二开关；

制冷器件及第二电源，所述制冷器件、所述第二电源及所述第二开关构成串联回路。

优选地，所述电压采样模块包括：

用于采集射频交流电压的电压传感器；

与所述电压传感器连接的低通滤波器，用于滤除所述射频交流电压中的频率超过1/2采样频率的高频分量；

与所述低通滤波器连接的衰减器，用于将滤波后的射频交流电衰减至单转双模块的输入信号处理范围内；

与所述衰减器连接的所述单转双模块，用于将衰减后的射频交流信号由单端信号转换为差模信号；

分别与所述单转双模块及所述第二处理器连接的adc，用于将所述差模信号由模拟量转换为数字量。

优选地，所述电流采样模块包括：

用于采集射频交流电流的电流传感器；

与所述电流传感器连接的低通滤波器，用于滤除所述射频交流电流中的频率超过1/2采样频率的高频分量；

与所述低通滤波器连接的衰减器，用于将滤波后的射频交流电衰减至单转双模块的输入信号处理范围内；

与所述衰减器连接的所述单转双模块，用于将衰减后的射频交流信号由单端信号转换为差模信号；

分别与所述单转双模块及所述第二处理器连接的adc，用于将所述差模信号由模拟量转换为数字量。

优选地，所述整流模块为pfc整流模块。

优选地，所述功率调整及阻抗匹配模块包括dc/dc软开关全桥电路、高频射频功率电路、高频驱动电路及与所述第一处理器连接的辅助电源；

所述dc/dc软开关全桥电路与所述整流模块连接，用于对所述射频直流电进行降压；

所述高频射频功率电路包括：

第一电感，所述第一电感的第一端与所述dc/dc软开关全桥电路的输出正端连接；

第三开关，所述第三开关的第一端与所述第一电感的第二端连接，第二端与所述dc/dc软开关全桥电路的输出负端连接；

与所述第三开关的第一端连接的z转换器，用于将经过逆变及功率调整后的射频交流电的阻抗由2ω转换为12.5ω；

与所述z转换器连接的lumped-wilkinson转换器，用于将所述射频交流电的阻抗由12.5ω转换为50ω；

所述高频驱动电路包括：

第二电感，所述第二电感的第一端与所述辅助电源的输出正端连接；

第四开关，所述第四开关的第一端与所述第二电感的第二端连接，第二端与所述辅助电源的输出负端连接，控制端与所述第一处理器连接；

输入端与所述第四开关的第一端连接，输出端与所述第三开关的控制端连接的lc谐振电路，用于将所述辅助电源的输出电压转换为高频驱动信号并输出至所述第三开关；

所述第一处理器用于通过控制所述dc/dc软开关全桥电路、所述第一开开关、所述辅助电源以对所述第三开关的第一端输出的射频交流电进行功率调整，且所述射频交流电的频率与所述高频驱动信号的频率相等，阻抗为2ω。

优选地，所述射频电源还包括:

与所述功率调整及阻抗匹配模块连接的滤波电路，用于对所述射频交流电进行高次谐波滤除处理。

本发明提供了一种射频电源，该射频电源中，在对功率调整及阻抗匹配模块输出的射频交流电进行采集时，充分考虑到环境温度对采样的影响，从而设置了恒温采样电路，恒温采样电路将其所处的环境温度保持在预设温度范围内，并采集射频交流电，以便后续根据该射频交流电调整输出至负载的射频交流电，从而尽量减小甚至避免了环境温度对射频交流电的影响，提高了射频交流电的采集精度，也提高了射频电源的输出电源的精度，减少了射频电源的输出电源的调整时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种射频电源的结构示意图；

图2为本发明提供的一种恒温采样电路的结构示意图；

图3为本发明提供的一种功率调整及阻抗匹配模块的结构示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种射频电源，提高了射频交流电的采集精度，也提高了射频电源的输出电源的精度，减少了射频电源的输出电源的调整时间。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明提供的一种射频电源的结构示意图，该射频电源包括：

用于将交流电转换为射频直流电的整流模块1；

考虑到射频电源的负载的功率需求可能是随时变化的，因此需要对射频电源的主电源输出的交流电进行功率调整，首先将整流模块1输出的交流电转换为射频直流电。

作为一种优选地实施例，整流模块1为pfc(powerfactorcorrection，功率因数校正)整流模块1。

考虑到现有技术中通常选用emi(electromagneticcompatibility，电磁兼容性)整流电路对交流电进行整流，但emi整流电路的损耗高，降低了整机效率。本实施例选用pfc整流模块1对交流电进行整流，其能够矫正功率因数，提高功率因数，通常可达98％以上，降低整流过程的损耗，而且整流输出后直流电压纹波小。当然，这里的整流模块1还可以为其他类型的整流模块1，本申请在此不作特别的限定。

分别与整流模块1及负载连接、用于根据第一处理器4的控制对射频直流电进行逆变、功率调整及阻抗匹配，得到射频交流电并输出至负载的功率调整及阻抗匹配模块2；

功率调整及阻抗匹配模块2在接收到射频直流电后，会根据第一处理器4的控制对射频直流电进行逆变处理，以将射频直流电转换为射频交流电；还会对射频交流电进行功率调整(调整后的射频交流电的功率通常比射频直流电的功率大很多)，以满足负载的动态功率需求；还会对射频交流电进行阻抗匹配，以使射频交流电的阻抗满足射频电源的阻抗要求。

与功率调整及阻抗匹配模块2的输出端连接、用于将自身所处环境温度保持在预设温度范围内并采集射频交流电的恒温采样电路3；

为实现对功率调整及阻抗匹配模块2的控制，需要对输出至负载的射频交流电进行采集，现有技术中的采样电路的采集精度容易受到环境温度的影响，从而造成采样信号的失真。

本申请中，采样电路为恒温采样电路3，其会将自身所处环境温度保持在预设温度范围内后再进行射频交流电的采集，从而保证了射频交流电的采集精度。具体地，在环境温度升高时，恒温采样电路3会对环境温度进行降温，以将环境温度调整至预设温度范围内，在环境温度降低时，恒温采样电路3会对环境温度进行升温，以将环境温度调整至预设温度范围内。

本申请对于这里的预设温度范围不作特别的限定，其可以通过恒温采样电路3中的采样器件的适温范围来进行确定，本申请在此不作特别的限定。

分别与功率调整及阻抗匹配模块2及恒温采样电路3连接的第一处理器4，用于根据射频交流电控制功率调整及阻抗匹配模块2。

具体地，本申请考虑到，在负载的需求功率发生变化时，负载的输入端的射频交流电也会发生变化，基于此，第一处理器4在接收到采集的射频交流电后，便可以根据采集的射频交流电去对功率调整及阻抗匹配模块2进行控制，以调整输出至负载的射频交流电，满足负载的功率需求。

此外，这里的第一处理器4可以但不仅限为dsp(digitalsignalprocessing，信号数字化处理)处理器，与cpu相比，dsp处理器的电路处理能力更强，速度更快，能够确保射频电源有高达10khz的闭环快速调节。

综上，本发明提供的射频电源，在对功率调整及阻抗匹配模块2输出的射频交流电进行采集时，充分考虑到环境温度对采样的影响，从而设置了恒温采样电路3，恒温采样电路3将其所处的环境温度保持在预设温度范围内，并采集射频交流电，以便后续根据该射频交流电调整输出至负载的射频交流电，从而尽量减小甚至避免了环境温度对射频交流电的影响，提高了射频交流电的采集精度，也提高了射频电源的输出电源的精度，减少了射频电源的输出电源的调整时间。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选地实施例，恒温采样电路3包括：

用于采集射频交流电压的电压采样模块31；

用于采集射频交流电流的电流采样模块32；

用于采集自身所处环境温度的温度传感器33；

加热模块34和制冷模块35；

分别与电压采样模块31、电流采样模、温度传感器33、加热模块34和制冷模块35连接的第二处理器36，用于通过控制加热模块34和制冷模块35将环境温度保持在预设温度范围内并输出射频交流电压和射频交流电流。

具体地，请参照图2，图2为本发明提供的一种恒温采样电路的结构示意图。

恒温采样电路3包括电压采样模块31、电流采样模块32、温度传感器33、加热模块34、制冷模块35及第二处理器36，电压采样模块31用于采集射频交流电压，电流采样模块32用来采集射频交流电流，温度传感器33用来采集第二处理器36自身所处的环境温度，第二处理器36在接收到温度传感器33采集的环境温度后，判断环境温度是否在预设温度范围内，如果环境温度小于预设温度范围的下限阈值，则说明此时环境温度较低，第二处理器36控制加热模块34进行加热，以将温度提升至预设温度范围内，如果环境温度大于预设温度范围的上限阈值，则说明此时环境温度较高，第二处理器36控制制冷模块35进行制冷，以将温度降低至预设温度范围内，通过该种方式便可将环境温度保持在预设温度范围内，从而减小环境温度对电压采样模块31和电流采样模块32的影响，提高了射频交流电的采集精度，也提高了射频电源的输出电源的精度，减少了射频电源的输出电源的调整时间。在将环境温度保持在预设温度范围内时，第二处理器36输出射频交流电压和射频交流电流至第一处理器4。

这里的温度传感器33可以为热电偶传感器或者热电阻传感器或者为其他类型的温度传感器33，本申请在此不作特别的限定。此外，这里的第二处理器36可以但不仅限为fpga(fieldprogrammablegatearray，现场可编程逻辑门阵列)，fpga具有处理速度快，可编程的优点。

作为一种优选地实施例，加热模块34包括：

控制端与第二处理器36连接的第一开关；

加热器件及第一电源，加热器件、第一电源及第一开关构成串联回路。

在第二处理器36判定环境温度小于预设温度范围的下限阈值时，则说明此时环境温度较低，第二处理器36控制加热模块34进行加热，具体地，第二处理器36控制第一开关闭合，此时加热器件得电，产生热量，进而提高恒温采样电路3所处的环境温度。在判定环境温度升高至预设温度范围时，控制第一开关断开，停止加热。这里的加热器件可以但不仅限为电阻丝，第一开关可以但不仅限为mos管。本实施例提供的加热模块34在实现对环境温度升温的基础上，结构简单且成本低。

作为一种优选地实施例，制冷模块35包括：

控制端与第二处理器36连接的第二开关；

制冷器件及第二电源，制冷器件、第二电源及第二开关构成串联回路。

在第二处理器36判定环境温度高于预设温度范围的上限阈值时，则说明此时环境温度较高，第二处理器36控制制冷模块35进行制冷，具体地，第二处理器36控制第二开关闭合，此时制冷器件得电，进行制冷，进而降低恒温采样电路3所处的环境温度。在判定环境温度降低至预设温度范围时，控制第二开关断开，停止制冷。这里的制冷器件可以但不仅限为风扇，第二开关可以但不仅限为mos管。本实施例提供的制冷模块35在实现对环境温度降温的基础上，结构简单且成本低。

作为一种优选地实施例，电压采样模块31包括：

用于采集射频交流电压的电压传感器；

与电压传感器连接的低通滤波器，用于滤除射频交流电压中的频率超过1/2采样频率的高频分量；

与低通滤波器连接的衰减器，用于将滤波后的射频交流电衰减至单转双模块的输入信号处理范围内；

与衰减器连接的单转双模块，用于将衰减后的射频交流信号由单端信号转换为差模信号；

分别与单转双模块及第二处理器36连接的adc，用于将差模信号由模拟量转换为数字量。

为了进一步提高电压采样模块31采集到的信号精度，本申请中，电压采样模块31包括电压传感器、低通滤波器、衰减器、单转双模块及adc，具体地，电压传感器用来采集射频交流电压，低通滤波器用来将射频交流电压中的高频信号(具体为频率超过1/2采样频率的高频分量)滤除掉，衰减器用来将滤波后的射频交流电压衰减至单转双模块的输入信号处理范围内，单转双模块将衰减后的射频交流电压由单端信号转换为差模信号，以便adc将射频交流电压由模拟量转换为数字量。可见，本申请对采集到的射频交流电压进行低通滤波，且采用数字采集的方式，进一步提高了射频交流电压的采集精度，也提高了射频电源的输出电源的精度。

作为一种优选地实施例，电流采样模块32包括：

用于采集射频交流电流的电流传感器；

与电流传感器连接的低通滤波器，用于滤除射频交流电流中的频率超过1/2采样频率的高频分量；

与低通滤波器连接的衰减器，用于将滤波后的射频交流电衰减至单转双模块的输入信号处理范围内；

与衰减器连接的单转双模块，用于将衰减后的射频交流信号由单端信号转换为差模信号；

分别与单转双模块及第二处理器36连接的adc，用于将差模信号由模拟量转换为数字量。

为了进一步提高电压采样模块31的采集到的信号精度，本申请中，电压采样模块31包括电流传感器、低通滤波器、衰减器、单转双模块及adc，具体地，电流传感器用来采集射频交流电流，低通滤波器用来将射频交流电流中的高频信号(具体为频率超过1/2采样频率的高频分量)滤除掉，衰减器用来将滤波后的射频交流电流衰减至单转双模块的输入信号处理范围内，单转双模块将衰减后的射频交流电流由单端信号转换为差模信号，以便adc将射频交流电流由模拟量转换为数字量。可见，本申请对采集到的射频交流电流进行低通滤波，且采用数字采集的方式，进一步提高了射频交流电流的采集精度，也提高了射频电源的输出电源的精度。

作为一种优选地实施例，功率调整及阻抗匹配模块2包括dc/dc软开关全桥电路、高频射频功率电路22、高频驱动电路23及与第一处理器4连接的辅助电源24；

dc/dc软开关全桥电路与整流模块1连接，用于对射频直流电进行降压；

高频射频功率电路22包括：

第一电感l1，第一电感l1的第一端与dc/dc软开关全桥电路的输出正端连接；

第三开关k3，第三开关k3的第一端与第一电感l1的第二端连接，第二端与dc/dc软开关全桥电路的输出负端连接；

与第三开关k3的第一端连接的z转换器221，用于将经过逆变及功率调整后的射频交流电的阻抗由2ω转换为12.5ω；

与z转换器221连接的lumped-wilkinson转换器222，用于将射频交流电的阻抗由12.5ω转换为50ω；

高频驱动电路23包括：

第二电感l2，第二电感l2的第一端与辅助电源24的输出正端连接；

第四开关k4，第四开关k4的第一端与第二电感l2的第二端连接，第二端与辅助电源24的输出负端连接，控制端与第一处理器4连接；

输入端与第四开关k4的第一端连接，输出端与第三开关k3的控制端连接的lc谐振电路，用于将辅助电源24的输出电压转换为高频驱动信号并输出至第三开关k3；

第一处理器4用于通过控制dc/dc软开关全桥电路、第一开开关、辅助电源24以对第三开关k3的第一端输出的射频交流电进行功率调整，且射频交流电的频率与高频驱动信号的频率相等，阻抗为2ω。

请参照图3，图3为本发明提供的一种功率调整及阻抗匹配模块的结构示意图。

该功率调整及阻抗匹配模块2种，第三开关k3和第四开关k4的工作区包括放大区、饱和区和截止区。

具体地，辅助电源24是一个0-24v的可调直流线性电源，带宽是20khz(快速反应，快调)，第一处理器4通过调节辅助电源24的幅值(即高频驱动电路23的输入幅值的大小)以及第四开关k4的导通和关断，使得高频驱动电路23产生一个峰峰值为0-18v变化可调，频率固定为13.56mhz的正弦信号，但考虑到该正弦信号的功率比较小，无法驱动负载，因此，需要高频射频功率电路22进行功率放大。此外，第四开关k4的驱动信号是一个固定频率，固定占空比的驱动信号，具体地，该驱动信号为正常的开关频率k赫兹等级，占空比为50％的方波。

在得到正弦信号后，该正弦信号作为第三开关k3的驱动信号，实现对dc/dc软开关全桥电路的输出电压的功率放大。具体地，dc/dc软开关全桥电路的输出电压作为高频功率射频电路的输入电压，第一处理器4通过对dc/dc软开关全桥电路的控制实现高频射频功率电路22的输入在2-50v之间改变(慢速反应，慢调)。正弦信号在对第三开关k3进行控制时，第三开关k3大部分时间工作在放大区，虽然偶尔工作在饱和区，但对射频电源的输出也没影响，因为此处其要的是快速反应和功率。所以，第三开关k3的工作区出现饱和后的一点波形畸变是没影响的，只要功率达到需求以及阻抗达到需求。

通过正弦信号对第三开关k3的控制使得dc/dc软开关全桥电路输出的射频直流电转换为13.56mhz、大功率的射频交流电且其阻抗为2ω(通过调节射频交流电的电压和电流实现)，然后通过z转换器221将射频交流电的阻抗由2ω转换为12.5ω，再通过lumped-wilkinson转换器222将12.5欧转换为50欧，最终得到负载所需的射频功率。

综上，本申请提供的功率调整及阻抗匹配模块2实现了对射频直流电的精准控制，保证了负载的动态功率需求以及阻抗需求。

此外，本申请采用dc/dc软开关全桥电路，与现有技术中通常采用的dc/dc硬开关全桥电路相比，在对射频直流电进行降压时能够实现零电压导通和关断，降低了开关损耗。

作为一种优选地实施例，射频电源还包括:

与功率调整及阻抗匹配模块2连接的滤波电路，用于对射频交流电进行高次谐波滤除处理。

本申请在功率调整及阻抗匹配模块2之后还设置了滤波电路，用来将射频交流电中的高次谐波滤除，进而进一步提高了输出至负载的射频交流电的纯净，提高了负载的控制精度。

作为一种优选地实施例，还包括与第一处理器4连接的外控接口电路，该外空接口电路能够可以满足devicenet,ethernet，profibus，rs485，rs232，analog等设备的连接。

该外控接口电路能够设置数据的寄存、缓冲逻辑；能够进行信息格式的转换，例如串行和并行的转换；能够协调第一处理器4和外设两者在信息的类型和电平的差异；还具有地址译码和设备选择功能。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。