中高功率可调频的数字电源系统的制作方法

1.本技术涉及数字电源技术领域，尤其涉及一种中高功率可调频的数字电源系统。


背景技术：

2.电浆是一种带有电子、正负电荷、中性的气体分子和自由基所组成，是继物质三态理论(固态、气态、液态)后的另一物质状态(或称第四态)。所谓电浆在正常情形下呈电中性，又称为“等离子体”，即取其带正电荷的离子数目与带负电荷的电子数目相等的意思。长期以来，如半导体以及光电等电子信息产业，电浆已普及以及广泛的应用到各种元件的制造中，例如，电脑芯片、内存、硬盘、晶体管、光盘、液晶显示器、等离子显示器等，例如，将电浆技术应用到改质、磊晶、蚀刻、溅镀以及辅助化学气相沉积镀膜等，尤其是涉及精密光学、重要感测元件以及生医材料的表面处理等，均需要依赖电浆技术，所以电浆技术的开发对这些产业的发展具有相当的影响。
3.一般在电浆制程中，是在接近真空的腔体中注入低气压气体并对气体施予电压，由气体压力、电压以及电流的适当匹配可使气体分子形成电浆状态，由于半导体镀膜必须考虑到均匀性与稳定度，故一般对气体的电压与电流的控制是控制气体在辉光放电(glow discharge)的反应区间，使气体分子的电子获得足够能量以致提高气体分子的离子化程度(degree of ionization)，而形成电浆(plasma)状态。
4.然而，对于半导体制程而言，维持电浆的电源供应的稳定性与对气体的控制一样重要，一般的电浆反应设备由于电源供应模组、控制界面、马达、气体控制部分都是个别配置的，各自有各自的独立布线以及独立电源，不仅建置成本高且占用体积大。
5.为此，如何设计出一种中高功率可调频的数字电源系统，乃为本技术发明人所研究的重要课题。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供一种中高功率可调频的数字电源系统，其所提供的高压输出可作为电浆电源供应器的高压使用。
7.为达成上述目的，本技术实施例所提出的中高功率可调频的数字电源系统，其包含开关切换电路、输出取样电路以及微控制器；该开关切换电路具有多个开关，该开关切换电路用于接收交流输入电源，且转换该交流输入电源为输出电源；该输出取样电路用于接收该输出电源的输出电压与输出电流；该微控制器用于接收该输出电压与该输出电流，且根据该输出电压与该输出电流计算的功率信息产生多个控制信号，以对应地控制该多个开关导通与截止的切换。
8.在一种实施方式中，该微控制器包含模数转换单元、功率运算单元以及控制信号产生单元；该模数转换单元用于接收该输出电压与该输出电流，且转换该输出电压与该输出电流为数字电压信号与数字电流信号；该功率运算单元耦接该模数转换单元，用于接收该数字电压信号与该数字电流信号，且根据该数字电压信号与该数字电流信号计算该功率
信息；该控制信号产生单元耦接该功率运算单元，用于接收该功率信息，且根据该功率信息产生该等控制信号。
9.在一种实施方式中，中高功率可调频的数字电源系统还包含升压变压器；该升压变压器电性耦接该开关切换电路，用于接收该输出电源，且对该输出电源升压以提供交流输出电源。
10.在一种实施方式中，中高功率可调频的数字电源系统还包含驱动电路；该驱动电路电性耦接该微控制器与该开关切换电路，用于接收该多个控制信号，且转换该多个控制信号为多个驱动信号，进而对应地驱动该等开关。
11.在一种实施方式中，中高功率可调频的数字电源系统还包含输入取样电路；该输入取样电路，用于接收该交流输入电源的输入电压。
12.在一种实施方式中，该微控制器用于通过移相全桥方式控制该多个开关导通与截止的切换。
13.在一种实施方式中，该微控制器根据该输入电压的大小，提供输入过电压保护或输入欠电压保护。
14.在一种实施方式中，该微控制器用于根据该输出电压的大小，提供输出过电压保护或输出欠电压保护。
15.在一种实施方式中，该微控制器用于根据该输出电流的大小，提供输出过电流保护。
16.在一种实施例方式中，该交流输出电源作为电浆电源供应器的高压使用。
17.在一种实施例方式中，该数字电源系统的输出功率为1200瓦特。
18.借由本技术实施例所提出的中高功率可调频的数字电源系统，其所提供的高压输出可作为电浆电源供应器的高压使用。
19.为了能更进一步了解本技术为达成预定目的所采取的技术手段及有益效果，请参阅以下有关本技术的详细说明与附图，相信本技术的目的、特征与特点，当可由此得以深入且具体的了解，然而附图仅提供参考与说明用，并非用来对本技术实施例加以限制。
附图说明
20.图1是本技术实施例中高功率可调频的数字电源系统的结构框图。
21.图2是本技术实施例中高功率可调频的数字电源系统的电路图。
22.图3是本技术实施例中高功率可调频的数字电源系统的输入取样电路与输出取样电路的电路图。
23.图4是本技术实施例中高功率可调频的数字电源系统的微控制器的第一部分的电路图。
24.图5是本技术实施例中高功率可调频的数字电源系统的微控制器的第二部分的电路图。
25.附图标记说明：
26.ac_in-交流输入电源
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ac_out-交流输出电源
27.10-电磁干扰滤波器
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20-整流滤波电路
28.30-开关切换电路
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40-升压变压器
29.50-输入取样电路
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60-输出取样电路
30.70-微控制器
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71-模数转换单元
31.72-功率运算单元
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73-控制信号产生单元
32.80-驱动电路
具体实施方式
33.关于本技术的技术内容及详细说明，配合附图说明如下。
34.请参见图1所示，为本技术实施例中高功率可调频的数字电源系统的结构框图。该中高功率可调频的数字电源系统用以接收交流输入电源ac_in，且通过转换该交流输入电源ac_in输出交流输出电源ac_out。该中高功率可调频的数字电源系统包含电磁干扰滤波器10、整流滤波电路20、开关切换电路30、升压变压器40、输入取样电路50、输出取样电路60、微控制器70以及驱动电路80。
35.配合参见图2，为本技术实施例中高功率可调频的数字电源系统的电路图。该电磁干扰滤波器(emi filter)10接收该交流输入电源ac_in，用以抑制(滤除)从交流电源在线引入该交流输入电源ac_in的外部电磁干扰。如图2所示，该电磁干扰滤波器10可由电感(l1)与电容(c1、cy1和cy2)所组成。该整流滤波电路20电性耦接该电磁干扰滤波器10，其具有整流与滤波功能，通过图2所示的二极管电桥(bd1)用以对经该电磁干扰滤波器10输出的该交流输入电源ac_in进行全波整流，并且通过图2所示的电感(l5)与电容(c75)对经整流后的该交流输入电源ac_in进行滤波。
36.该开关切换电路30电性耦接该整流滤波电路20，如图2所示，其包含第一开关(q1)、第二开关(q2)、第三开关(q3)以及第四开关(q4)，通过对第一开关(q1)至第四开关(q4)进行控制，例如以移相全桥(phase shifted full bridge，psfb)的控制架构，控制第一开关(q1)至第四开关(q4)导通与截止的切换，使该开关切换电路30输出欲控制的输出电压与输出电流。具体地，如图2所示，以第一开关(q1)至第四开关(q4)为金属氧化物半导体场效晶体管(mosfet)为例，该驱动电路80包含两个门驱动芯片(gate driver ic)，分别为第一门驱动芯片(u1)与第二门驱动芯片(u2)。各该门驱动芯片具有内部电气隔离，以该第一门驱动芯片(u1)为例，其输入侧(左侧)为非隔离侧，通过vcc_5v所供电，其输出侧(右侧)为隔离侧，通过vdd_iso_12v所供电。该输入侧接收该微控制器70所提供的脉冲宽度调制信号(pwma，pwmb)，并且该第一门驱动芯片(u1)根据该脉冲宽度调制信号(pwma，pwmb)产生第一门驱动信号(q1_gate)与第二门驱动信号(q2_gate)，进而分别控制该第一开关(q1)与该第二开关(q2)导通与截止的切换。同样地，该第二门驱动芯片(u2)的输入侧接收该微控制器70所提供的脉冲宽度调制信号(pwmc，pwmd)，并且该第二门驱动芯片(u2)根据该脉冲宽度调制信号(pwmc，pwmd)产生第三门驱动信号(q3_gate)与第四门驱动信号(q4_gate)，进而分别控制该第三开关(q3)与该第四开关(q4)导通与截止的切换。
37.如图所示的变压器(t1)电性耦接该开关切换电路30，并且将该开关切换电路30所产生的该输出电压升压，例如，以该交流输入电源ac_in为220伏特为例，所转换成的该输出电压约为300伏特，再经由该升压变压器40的初级侧与次级侧的线圈匝数比设计，可将300伏特的电压升高至10千伏特的该交流输出电源ac_out，以提供适当的供电需求，例如，可作为电浆电源供应器(plasma power supply)的高压使用。
38.该输入取样电路50电性耦接该整流滤波电路20，用以测量该交流输入电源ac_in的电压大小。如图3所示，该输入取样电路50具有内部电气隔离的第三集成电路(u3)，其输入侧(左侧)为隔离侧，通过vcc_iso1_5v所供电；其输出侧(右侧)为非隔离侧，通过vcc_5v所供电。该输入取样电路50的输入侧通过引脚(vin)接收该交流输入电源ac_in，并且测量该交流输入电源ac_in的大小，例如220伏特，进一步地通过其输出侧的增益电路(以u4为主体的电阻、电容网络)，将该交流输入电源ac_in转换为介于0～5伏特的测量电压(m_vin)，并且再传送至该微控制器70。
39.该输出取样电路60电性耦接该开关切换电路30，用以测量该输出电压与输出电流的大小。如图3所示，该输出取样电路60具有内部电气隔离的第五集成电路(u5)，其输入侧(左侧)为隔离侧，通过vcc_iso_5v所供电；其输出侧(右侧)为非隔离侧，通过vcc_5v所供电。该输出取样电路60的输入侧通过引脚(vout)接收该输出电压，并且测量该输出电压的大小，例如300伏特，进一步地通过其输出侧的增益电路(以u6为主体的电阻、电容网络)，将该输出电压转换为介于0～5伏特的测量电压(m_vout)，并且再传送至该微控制器70。
40.再者，对于输出电流的测量，在本实施例中，可以霍尔传感器(hall sensor)测量输出电流，所测量出来的输出电流大小被转换为介于0～5伏特的测量电流(m_iin)，并且再传送至该微控制器70。此外，如图3所示，以u7为主体的电阻、电容网络接收从霍尔传感器所提供的测量电流(m_iin)，并且转换该测量电流(m_iin)产生信号(nmi_det)，可用以作为过电流(over current protection，ocp)中断的硬件保护，换言之，若输出电流过大，可根据对应的该测量电流(m_iin)经转换所得到的信号(nmi_det)，提供过电流保护，借此通过监控输出电流提供其过电流保护。
41.如图1所示，该微控制器70可包含模数转换单元71、功率运算单元72以及控制信号产生单元73。在本实施例中，该微控制器70可为具有100个引脚的32位微控制器rx62t_lqfp100，然不以此为限制本技术实施例。该微控制器(rx62t_lqfp100)以图4与图5的u11a与u11b呈现。该微控制器70的模数转换单元71接收介于0～5伏特的测量电压(m_vin)，如图4的引脚90所接收，该模拟数字转换单元71接收介于0～5伏特的测量电压(m_vout)，如图4的引脚89所接收，该模拟数字转换单元71接收介于0～5伏特的测量电流(m_iin)，如图4的引脚91所接收。以输入电压(即测量电压(m_vin))为例，该模拟数字转换单元71将0～5伏特的测量电压(m_vin)转换为16位的二进制数字信号。同样地，该模拟数字转换单元71将0～5伏特的测量电压(m_vout)以及0～5伏特的测量电流(m_iin)分别转换为16位的二进制数字信号。
42.该功率运算单元72耦接该模数转换单元71，且接收该模拟数字转换单元71所输出对应该输出电压的16位的二进制数字信号，以及接收该模数转换单元71所输出对应该输出电流的16位的二进制数字信号。该功率运算单元72根据该输出电压(以16位的数字信号表示)以及该输出电流(以16位的数字信号表示)计算该电源系统的输出功率大小。由于该输出电压大致上为定值(例如300伏特)，因此该电源系统的输出功率大小与该输出电流为正相关的关系，亦即该输出电流越大，该输出功率越大，反之亦然。在本实施例中，该电源系统的输出功率大小约为1200瓦特，可谓为中高功率的电源系统。
43.该控制信号产生单元73耦接该功率运算单元72，且接收该功率运算单元72所运算得到的该输出功率信息。在本实施例中，该控制信号产生单元73可为脉冲宽度调制信号产
生器(pwm signal generator)。该控制信号产生单元73根据该功率运算单元72所提供的该输出功率信息输出对应的脉冲宽度调制信号(pwma)，如图5的引脚56所输出，该控制信号产生单元73输出对应的脉冲宽度调制信号(pwmb)，如图5的引脚53所输出，该控制信号产生单元73输出对应的脉冲宽度调制信号(pwmc)，如图5的引脚55所输出，该控制信号产生单元73输出对应的脉冲宽度调制信号(pwmd)，如图5的引脚52所输出。如图2所示，其中，该脉冲宽度调制信号(pwma，pwmb)可提供至该第一门驱动芯片(u1)，并且该脉冲宽度调制信号(pwmc，pwmd)可提供至该第二门驱动芯片(u2)，使得该第一门驱动芯片(u1)根据该脉冲宽度调变信号(pwma，pwmb)产生该第一门驱动信号(q1_gate)与该第二门驱动信号(q2_gate)，进而可分别地控制该第一开关(q1)与该第二开关(q2)导通与截止的切换；以及该第二门驱动芯片(u2)根据该脉冲宽度调制信号(pwmc，pwmd)产生该第三门驱动信号(q3_gate)与该第四门驱动信号(q4_gate)，进而可分别地控制该第三开关(q3)与该第四开关(q4)导通与截止的切换，借此控制(调整)该电源系统的输出功率大小。
44.再者，该微控制器70可根据所接收到对应该交流输入电源ac_in的测量电压(m_vin)的大小，提供输入电压的过电压保护(over voltage protection，ovp)或者欠电压保护(under voltage protection，uvp)。同样地，该微控制器70可根据所接收到对应该输出电压的测量电压(m_vout)的大小，提供输出电压的过电压保护(over voltage protection，ovp)或者欠电压保护(under voltage protection，uvp)。
45.综上所述，本技术实施例具有以下有益效果：
46.1、通过该升压变压器将电压升高至10千伏特的该交流输出电源，可作为电浆电源供应器的高压使用。
47.2、利用该微控制器的数字处理，可大幅减少模拟电路的设置，可减少其所占用的面积与其所需的成本。
48.3、该微控制器根据该输入电压的大小，可提供输入过电压保护或输入欠电压保护；该微控制器根据该输出电压的大小，可提供输出过电压保护或输出欠电压保护；该微控制器根据该输出电流的大小，提供输出过电流保护。
49.4、可通过外部的频率控制，例如，通过面板上的旋钮或按键的控制，达到可调频的功能。
50.以上所述，仅为本技术的较佳实施例的详细说明与附图，本发明的保护范围并不局限于此，并非用以限制本技术，本发明的保护范围应以权利要求范围为准。对于与本发明保护范围内的发明构思所类似的实施例，皆应包含于本发明的保护范围中，本领域技术人员在本发明的技术领域内，可轻易变化或修改的技术方案皆可涵盖在本发明的保护范围内。