一种射频电源采样及控制电路的制作方法

本发明涉及射频采样，具体而言，涉及一种射频电源采样及控制电路。

背景技术：

1、射频电源（rf电源）是可将工频交流电转换为1mhz~30mhz高频交变电能的专用工业供电设备，工业主流频点为13.56mhz，多用于半导体刻蚀、薄膜溅射、等离子体处理、工业射频加热等精密工艺。射频工作过程中负载阻抗极易因工艺变化、打火、介质波动发生突变，会产生大幅反射电压，极易击穿功放核心器件、中断生产，因此必须通过射频采样实时采集入射、反射射频电压/电流信号，精准换算输出功率与反射功率，再依托控制电路构建闭环调控。

2、在相关技术中，射频电源普遍采用高速ad芯片加嵌入式主控的数字化采样控制方案，依靠模数转换与软件pid算法完成功率采集、闭环调控和阶梯波形输出。但是，该方案链路环节多、信号转换延时大，仅能实现毫秒级响应，控制带宽不足百赫兹，难以快速抑制负载突变产生的反射高压；同时数字电路在射频复杂电磁环境下易受杂波干扰，采样数据失真、波形抖动，传统定向耦合器无恒温与校准结构，磁环、电容温漂会长期拉低采样精度，且单环路独立调控架构让稳态功率控制与过载保护割裂，负载失配时易出现功率震荡、只能停机保护功放，另外整套数字化硬件元器件多、电路复杂，设备成本与后期运维压力大；另有少数简易模拟控制方案滤波截止频率偏低，动态响应性能差，同样无法满足等离子、半导体工艺对高速、高精度、连续生产的严苛需求。

技术实现思路

1、本发明旨在解决上述问题中的至少一项。

2、为解决上述问题，本发明提供一种射频电源采样及控制电路，包括定向耦合器采样模块和控制模块，定向耦合器采样模块包括镍锌磁环电流互感器、多级电容分压电压采样网络和采样信号处理单元，镍锌磁环电流互感器和多级电容分压电压采样网络均与采样信号处理单元连接；

3、镍锌磁环电流互感器用于采集射频电源的功放输出主回路的两路差分电流采样信号，多级电容分压电压采样网络用于采集功放输出主回路的射频高压工作电压采样信号，采样信号处理单元用于根据内置电路对两路差分电流采样信号和射频高压工作电压采样信号分别进行相位校准补偿、负载效应消除、高频峰值检波以及低通平滑滤波，得到两路标准差分采样信号，控制模块用于通过给定参考值和两路标准差分采样信号进行对比，通过pi控制进行比例积分调节，并进行交叉限幅互锁，得到控制信号。

4、可选地，采样信号处理单元的内置电路包括相位超前补偿电容、两个处理支路、入射电压差分放大单元和反射电压差分放大单元，相位超前补偿电容的两端分别与两个处理支路的输入端连接，两个处理支路的输出端分别与入射电压差分放大单元和反射电压差分放大单元的输入端连接，入射电压差分放大单元的输出端和反射电压差分放大单元的输出端分别与控制模块的输入端连接，两个处理支路用来接收对应的两路差分电流采样信号和射频高压工作电压采样信号，每个处理支路包括顺次连接的相位滞后校准网络、高频肖特基二极管以及低通平滑滤波网络；

5、相位滞后校准网络包括固定电容、可调相位滞后校准电容以及固定电阻，固定电容、可调相位滞后校准电容以及固定电阻三者的一端相连后接入处理支路，另一端共点接地。

6、可选地，低通平滑滤波网络包括滤波电感、第一调理电阻、第二调理电阻、第三调理电阻、第四调理电阻以及滤波电容，滤波电感、第一调理电阻以及第二调理电阻顺次串联接入处理支路，第三调理电阻的一端和滤波电容的一端连接在第一调理电阻和第二调理电阻之间，第三调理电阻的另一端、滤波电容的另一端和第四调理电阻的一端共点接地；

7、其中一个处理支路的第二调理电阻的输出端与入射电压差分放大单元的第一引脚连接，且第四调理电阻的另一端与入射电压差分放大单元的第二引脚连接；

8、另一个处理支路的第二调理电阻的输出端与反射电压差分放大单元的第一引脚连接，且第四调理电阻的另一端与反射电压差分放大单元的第二引脚连接。

9、可选地，多级电容分压电压采样网络包括第一电容分压电压采样子网络和第二电容分压电压采样子网络，第一电容分压电压采样子网络和第二电容分压电压采样子网络分别与对应的处理支路连接；

10、第一电容分压电压采样子网络包括第一分压电容和第二分压电容，第一分压电容的一端与功放输出主回路连接，另一端连接在对应的高频肖特基二极管和低通平滑滤波网络之间，第二分压电容的一端连接在对应的高频肖特基二极管和低通平滑滤波网络之间，另一端接地；

11、第二电容分压电压采样子网络包括第三分压电容和第四分压电容，第三分压电容的一端与功放输出主回路连接，另一端连接在对应的高频肖特基二极管和低通平滑滤波网络之间，第四分压电容的一端连接在对应的高频肖特基二极管和低通平滑滤波网络之间，另一端接地。

12、可选地，采样信号处理单元还包括第一负载效应消除隔离电阻和第二负载效应消除隔离电阻，第一负载效应消除隔离电阻并联在第一分压电容两端，第二负载效应消除隔离电阻串联在第三分压电容和第四分压电容之间。

13、可选地，采样信号处理单元还包括第一电压采样分压比调节电容和第二电压采样分压比调节电容，第一电压采样分压比调节电容并联在第二分压电容两端，第二电压采样分压比调节电容并联在第四分压电容两端。

14、可选地，控制模块包括入射电压误差加法器、入射电压pi控制器、入射电压限幅器、反射电压误差加法器、反射电压pi控制器、反射电压限幅器以及双环路交叉限幅单元；

15、入射电压误差加法器、入射电压pi控制器以及入射电压限幅器顺次连接，反射电压误差加法器、反射电压pi控制器以及反射电压限幅器顺次连接，入射电压误差加法器用于接收给定参考值中的入射电压给定值和两路标准差分采样信号中的入射电压反馈值，反射电压误差加法器用于接收给定参考值中的反射电压给定值和两路标准差分采样信号中的反射电压反馈值，入射电压限幅器和反射电压限幅器的输出端均与双环路交叉限幅单元的输入端连接，双环路交叉限幅单元用于输出控制信号，且入射电压限幅器的输出端与反射电压限幅器的输入端连接，反射电压限幅器的输出端与入射电压限幅器输入端连接。

16、可选地，控制模块包括多个高速运算放大器、高速开关管与肖特基二极管。

17、可选地，射频电源采样及控制电路，还包括乘法器单元、dds单元和功放单元，乘法器单元的输入端分别与控制模块和dds单元连接，乘法器单元的输出端与功放单元的输入端连接，功放单元的输出端与定向耦合器采样模块连接。

18、可选地，射频电源采样及控制电路，还包括恒温控制单元，恒温控制单元包括温度检测传感子单元与恒温驱动控制子单元，温度检测传感子单元用于实时采集定向耦合器采样模块的实时工作温度，恒温驱动控制子单元用于根据实时工作温度动态调控温度执行结构工作状态。

19、本发明的射频电源采样及控制电路的有益效果是：

20、采用包含镍锌磁环电流互感器、多级电容分压电压采样网络与采样信号处理单元的定向耦合器采样模块，先通过镍锌磁环电流互感器采集功放输出主回路的两路差分电流采样信号、多级电容分压电压采样网络采集功放输出主回路的射频高压工作电压采样信号，依托镍锌磁环高频磁导率稳定、高频损耗小的特性实现高频段射频电流的高精度耦合采集，同时通过电容分压原理保证电压采样与电流采样的同步对应性，为后续入射、反射信号解算提供准确的原始采样基础；再经采样信号处理单元对两路差分电流采样信号与射频高压工作电压采样信号依次进行相位校准补偿、负载效应消除、高频峰值检波以及低通平滑滤波，其中相位校准补偿可校准电流、电压采样支路间的相位与幅值偏差，保障检波运算时电压、电流信号精准对齐，负载效应消除可隔离采样支路对射频主回路的并联负载抽吸影响，消除采样幅值衰减、相位偏移带来的固有系统误差，提升采样结果的真实性与准确性，高频峰值检波可将高频交变射频信号快速转换为直流模拟信号，低通平滑滤波可滤除信号叠加的高频杂波与纹波干扰，最终输出两路标准差分采样信号，依托差分信号的抗干扰特性抑制复杂射频电磁环境下的共模干扰与信号串扰，保障采样信号传输稳定不失真；最后控制模块将给定参考值与两路标准差分采样信号进行对比，通过pi控制完成比例积分调节并执行交叉限幅互锁后得到控制信号，全程依托纯模拟硬件完成闭环运算，无需ad/da信号转换与数字算法处理，既通过pi调节保证稳态调控无静差、动态响应超调量小，又通过交叉限幅互锁实现入射信号稳态调控与反射信号过载限幅的平滑优先级切换，避免调控切换过程中的功率跳变与震荡，整体控制链路延迟极低，可实现μs级动态响应与百khz级控制带宽，解决了现有数字化采样控制方案响应慢、带宽低，以及传统单环路调控切换不平稳、负载失配时保护滞后的技术问题。