CN117519406B - 一种射频电源功率快速调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种射频电源功率快速调制方法，包括有射频电源系统，所述射频电源系统包括有电源模块、DDS射频信号源模块、射频功率放大模块、相位差检测模块、VI传感器、处理器及ADC采样芯片。本发明采用软硬件结合的方式，先由硬件相位检测模块检测反馈信号电压电流的相位差进行快速初调功率，再由处理器根据采样的数据经软件综合处理运算后细调射频电源输出功率，从而整体提升射频电源系统的性能。

Description

一种射频电源功率快速调制方法

技术领域

本发明涉及射频电源技术领域，尤其涉及一种射频电源功率快速调制方法。

背景技术

在许多领域需要可靠的稳定的射频电源系统，如半导体制造中等离子蚀刻、太阳能光伏产业、医疗美容、科学实验等离子发生等。射频电源系统主要由射频信号源、射频功率放大器、VI传感器及处理器组成，是可以产生特定频率的正弦波电压，具有一定功率的高频交流电源。

功率调制是射频电源系统的核心，在射频系统中，功率调整对于系统的性能和稳定性至关重要。在电源负载变化的情况下，如何快速输出稳定可靠的特定频率的功率，完成最佳的阻抗匹配是该领域一直关注的课题，传统的电源功率调制处理方法通常采用直接采样交流信号V、I,然后对采样数据进行傅里叶变换或混频滤波等软件处理，计算出电压V、电流I的幅值和相位差，得到实际的前向功率、反射功率等，而在此过程中，芯片需要时间进行大量的数据计算，对于处理高频率信号时还需要才用欠采样方法进行数据采样，功率的精度和调节速度都有待提高，且在处理数据的过程中，不进行功率调节。因此，提出一种新型的射频反馈信号处理及功率调整方法，以提高系统的性能和稳定性。

文献号为US2006/0262889A1以及文献号为WO 2021/071555 A1的专利都涉及一种射频电源功率检测信号采样处理方法，射频电源系统主要包括，电源模块，功放驱动模块、功放模块、VI传感器模块、匹配器以及负载.其中V、I传感器输出V、I信号经ADC采样芯片被送给FPGA做混频滤波功率计算等处理得到输出的实际功率(前向功率、反射功率等)，根据实际功率来调节功放驱动模块，进而修正输出功率。该方法都是通过芯片对采样数据进行采样处理进行大量计算而得出功率和相位差，不可避免的存在耗费一定时间后才能进行功率调节弊端，无法进一步更快速的功率调节，从而影响射频电源系统性能提升，为此，提出一种射频电源功率快速调制方法。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术不足，本发明提供了一种射频电源功率快速调制方法，解决了：现有技术中通过芯片对采样数据进行采样处理进行大量计算而得出功率和相位差，不可避免的存在耗费一定时间后才能进行功率调节弊端，无法进一步更快速的功率调节，从而影响射频电源系统性能提升。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种射频电源功率快速调制方法，包括有射频电源系统，所述射频电源系统包括有电源模块、DDS射频信号源模块、射频功率放大模块、相位差检测模块、VI传感器、FPGA处理器及ADC采样芯片。

作为本发明的进一步优选方式，包括如下步骤：

S1.开始：检查链接好进水管和出水管，确认无误后进入下一步；

S2.电源开启：打开电源总开关，观察电源指示灯，电源开启后会进入自检状态，一切正常后进入下一步；

S3、配置功率参数：通电设备正常后，电源通过串口或网口接收外部功率设置命令，配置功率模式、斜坡参数、功率值、频率等相关参数；

S4、启动轨道电输出：轨道电部分是高电压，为功放模块提供电源；

S5、启动功率输出：主控芯片使能允许功率输出；

S6、检测相位差是否超过阀值；

S7、检测相位差变化趋势：首次调节时，记录相位差，当第二次调节时利用二次相位差，判断相位差的变化趋势；

S8、S9根据相位差变化趋势，减小相位差，直到阀值内；

S10、功率调制过程中，实时监测DDS数字合成器的输出频率不能超出预设值，起到保护的作用；

S11、FPGA对采样信号进行数据处理：射频电源系统中FPGA处理器对采样的数据经数字混合器进行混频，让采样信号与正余弦信号相卷积，再经数字滤波器，提取出采样信号的幅值和相位信息，FPGA处理器内部带有DSP核，利用DSP核可对浮点数进行快速计算；利用公式求出射频电源的输出的实际功率，其中部分公式如下：

负载功率：Pload＝Vmax*Imax*cosθ；

前向功率：Pfwd＝Pload+Pref；

输出阻抗：|Z|＝Vmax/Imax；Z＝|Z|*cosθ+j*|Z|*sinθ；

反射系数：Γ＝(Z_-Z0)/(Z+Z0)；

反射功率：Pref＝Pload*|Γ|*|Γ|/(1-|Γ|*|Γ|)；

S12、PID功率调节。

作为本发明的进一步优选方式，步骤S12中，PID功率调节是一种常规有效的调节方式，使用增量式PID，简化后公式为：

u(k)＝Kp(e(k)-e(k-1))+Ki*e(k)+Kd(e(k))-2e(k-1)+e(k-2))，其中Kp为调节的比例常数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，预设的功率与实际检测的功率做差值，使用比例系数乘以误差值得到比例控制量，使用积分系数乘以误差值累积得到积分项积分控制量，将比例、积分和微分控制量相加得到总控制量，FPGA根据总总控制量即功率调节DDS数字合成器调节幅值以及微调频率，当功率差值接近或等于零时停止PID调节。

作为本发明的进一步优选方式，所述射频电源系统，功率调制时还需要实时监测个电源模块、功放模块的的电压、电流、水温以及其它各模块温度，以起到实时保护的作用。

(三)有益效果

本发明提供了一种射频电源功率快速调制方法。具备以下有益效果：

本发明的射频电源系统功率调制时控制芯片FPGA首先收到相位差检测模块信息，将相位差作为闭环反馈信号，根据相位差的差值大小来调整射频电源系统输出频率和功率，当相位差缩小到一定阀值下，控制芯片即FPGA停止调节DDS数字信号合成器频率，然后当另一路ADC采样芯片的数据经FPGA混频、滤波等处理后由电压、电流的幅值和相位差得到实际输出功率，再根据检测的实际输出功率经PID调节射频电源系统的输出功率。

本发明射频电源功率调制方法，克服了传统调制方法的缺点，尤其解决了控制芯片处理采样信号过程中，无法进一步调节输出功率，已实现快速的阻抗匹配效果。

本发明在高频负载多变的射频系统中，因相位检测模块采用过零检测电路在一个周期内即可以快速准确地检测出信号的相位差，并且对负载效应不敏感，从而进一步提高了系统输出功率的稳定性。

附图说明

图1为本发明的射频电源系统原理框架示意图；

图2为本发明相位差检测模块的原理示意图；

图3为本发明的相位差检测模块的功能示意图；

图4为本发明的方法工作流程示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

请参阅图1-4，一种射频电源功率快速调制方法，

本发明的目的在于，克服现有射频电源功率调制方法存在的不足，提供一种射频电源快速功率调制方法，采用软硬件结合的方式，先由硬件相位检测模块检测反馈信号电压电流的相位差进行快速初调功率，再由处理器根据采样的数据经软件综合处理运算后细调射频电源输出功率，从而整体提升射频电源系统的性能。

射频电源是供应射频信号的电源系统，本射频电源系统主要有电源模块、DDS射频信号源模块、射频功率放大模块、相位差检测模块，VI传感器以及FPGA处理器和ADC采样芯片构成。

电源模块：电源模块是射频电源的动力源，负责将交流电源转换为直流电源。它通常包括整流器、滤波器和稳压器等电路，用于提供稳定的直流电压输出。

射频信号源模块：射频信号源模块是产生射频信号的核心组件。它使用基准源来产生稳定的频率，射频信号源模块通常具有可以根据需要对信号进行幅度调制、频率调制或相位调制等处理，其中DDS直接数字频率合成器便是一种射频发生器，DDS能根据处理器的命令实现动态的调频、调幅。

射频功率放大器：射频放大器将调制后的射频信号经过射频放大器进行功率放大，从而射频信号的功率增加到所需的水平。其功率放大能力取决于应用的要求，可以使用单级或多级放大器来实现不同功率级别的输出。

相位差检测模块：相位差检测模块实时接收传感器反馈信号V、I，反馈信号经相位差检测模块便可得出

VI传感器：是一种用于监测射频电源的电压与电流的传感器，通常使用变压器、霍尔效应传感器或电流互感器等技术原理来实现电压和电流的测量。测量到的电压和电流信号会反馈给处理器，以实现对射频电源输出功率的实时调节和保护，从而确保射频信号的质量和稳定性。它对于射频设备的正常运行和保护具有重要作用，有了它才可以提供更可靠和高质量的射频信号输出。

处理器：处理器用于监测和控制射频电源系统的各种参数，例如控制DDS实现快速的动态调频，监控系统电流、电压、温度等。它对电源的运行状态进行控制和监测，并采取适当的措施来保护电源系统免受故障或损坏。

射频电源应用中一般还有单独的匹配器，匹配器是一种用于匹配射频电源和负载之间的阻抗的设备。它的主要作用是确保射频电源能够有效地将能量传输到负载中，以提供最大功率传输和系统效率。

整个系统FPGA作为系统的主控芯片承担数据处理和控制的任务，ADC采样芯片采用高速的14位ADC芯片，FPGA控制DDS数字信号合成器生成可变频率的正弦波驱动功放模块输出特定的功率，特定频率功率经匹配器传输到负载端。

功率调制过程中传感器模块检测传输线中的电压电流信号，反馈的电压电流信号一路经相位差检测模块后传递给控制芯片FPGA，另一路直接送给控制芯片FPGA，控制芯片根据硬件获得的相位差将相位差作为闭环反馈信号，动态调整射频电源系统输出频率和功率，当相位差超过设定的阀值时，FPGA通过DDS修正输出频率，直到相位差小于设定值。同时利用FPGA并行处理特性对采样数据进行混频滤波等处理，根据FPGA运算后电压V、电流I的幅值和相位差，可得前向功率、反射功率等，再根据设定功率与实际功率差进行PID功率调节。

作为射频电源功率调制的进一步说明，系统框图中部件2采用带有DSP核的高性能FPGA.

作为射频电源功率调制进一步说明，系统框图中模块3即DDS直接数字合成器采用高速的可同时调幅和调频的数字合成器.

作为射频电源功率调制进一步说明，系统框图中模块5相位差检测模块中U1采用高速比较器且是双路比较器，以保持电压V、电流I输入后硬件延迟的一致性。

作为射频电源功率调制进一步说明，系统框图中模块6采用高精度的检测传感器。

作为射频电源功率调制进一步说明，系统框图中模块7采用高速的高精度的14ADC采样芯片。

作为射频电源功率调制进一步说明，根据射频电源的运用场景，还需要对射频电源进行功率校准，使用高精度的标准功率源对射频电源进行校准，调整功率控制系统的参数，可进一步提高功率输出的准确性和可靠性。

本发明射频电源功率快速调制方法，依次包括如下步骤：

S1.开始：检查链接好进水管和出水管，确认INTERLOCK已解锁，其中水管是为了给射频电源散热降温用，INTERLOCK功能是用于保护人员和设备的安全使用，确认无误后进入下一步。

S2.电源开启：打开电源总开关，观察电源指示灯，电源开启后会进入自检状态，一切正常后进入下一步。射频电源的工作首先是将电源模块开启，将交流电源转换为稳定的直流电压输出。输出的电压一部分给功放部分提供高电压，一部分是给控制部分提供弱电。

S3、配置功率参数：通电设备正常后，电源通过串口或网口接收外部功率设置命令，配置功率模式、斜坡参数、功率值、频率等相关参数。例如设置成自动调频模式。

S4、启动轨道电输出：轨道电部分是高电压，为功放模块提供电源。

S5、启动功率输出：主控芯片使能允许功率输出。

S6、检测相位差是否超过阀值：如附图2相位差检测模块，其功能示意请见图3，输入传感器检测的反馈信号电压V和电流I是正弦波信号，当2路正弦信号经过附图2中U1即双路过零比较器后，电压大于零时输出高地平，小于零时输出低电平，当电压V、电流I有相位差时，2路信号输出的高低电平会有时差，经附图2中U2异或门时会输出方波信号，方波信号经跟随器U3送给FPGA，FPGA根据信号获得相位差，再根据相位差与预设值比较。超过阀值后进入下一步，若没超过阀值则进入对采样数据经运算后PID调节步骤。

S7、检测相位差变化趋势：首次调节时，记录相位差，当第二次调节时利用二次相位差，判断相位差的变化趋势。

S8、S9根据相位差变化趋势，系统框图中部件2即FPGA处理器及时的调整模块3即DDS数字合成器的输出频率，已减小相位差，直到阀值内。

S10、功率调制过程中，实时监测系统框图中部件3即DDS数字合成器的输出频率不能超出预设值，起到保护的作用。

S11、FPGA对采样信号进行数据处理：系统框图中FPGA处理器对采样的数据经数字混合器进行混频，让采样信号与正余弦信号相卷积，再经数字滤波器，提取出采样信号的幅值和相位信息。统框图中部件2即FPGA处理器内部带有DSP核，利用DSP核可对浮点数进行快速计算，从而提高精度。利用公式可求出射频电源的输出的实际功率，其中部分公式如下：

负载功率：Pload＝Vmax*Imax*cosθ；

前向功率：Pfwd＝Pload+Pref；

输出阻抗：|Z|＝Vmax/Imax；Z＝|Z|*cosθ+j*|Z|*sinθ；

反射系数：Γ＝(Z_-Z0)/(Z+Z0)；

反射功率：Pref＝Pload*|Γ|*|Γ|/(1-|Γ|*|Γ|)；

S12、PID功率调节，PID功率调节是一种常规有效的调节方式，此处使用增量式PID，简化后公式为：

u(k)＝Kp(e(k)-e(k-1))+Ki*e(k)+Kd(e(k))-2e(k-1)+e(k-2))，其中Kp为调节的比例常数，Ki为积分系数，Kd为微分系数。预设的功率与实际检测的功率做差值，使用比例系数乘以误差值得到比例控制量，使用积分系数乘以误差值累积得到积分项积分控制量，将比例、积分和微分控制量相加得到总控制量，FPGA根据总总控制量即功率调节DDS数字合成器调节幅值以及微调频率。当功率差值接近或等于零时停止PID调节。

整个射频电源系统，功率调制时还需要实时监测个电源模块、功放模块的的电压、电流、水温以及其它各模块温度等以起到实时保护的作用。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (2)

1.一种射频电源功率快速调制方法，其特征在于：包括有射频电源系统，所述射频电源系统包括有电源模块、DDS射频信号源模块、射频功率放大模块、相位差检测模块、VI传感器、FPGA处理器及ADC采样芯片；

包括如下步骤：

S1、开始：检查连接好进水管和出水管，确认无误后进入下一步；

S2、电源开启：打开电源总开关，观察电源指示灯，电源开启后会进入自检状态，一切正常后进入下一步；

S3、配置功率参数：通电设备正常后，电源通过串口或网口接收外部功率设置命令，配置功率模式、斜坡参数、功率值、频率相关参数；

S4、启动轨道电输出：轨道电部分是高电压，为射频功率放大模块提供电源；

S5、启动功率输出：主控芯片使能允许功率输出；

S6、检测相位差是否超过阀值；相位差检测模块，输入传感器检测的反馈信号电压V和电流I是正弦波信号，当2路正弦信号经过U1即双路过零比较器后，电压大于零时输出高地平，小于零时输出低电平，当电压V、电流I有相位差时，2路信号输出的高低电平会有时差，经U2异或门时会输出方波信号，方波信号经跟随器U3送给FPGA处理器，FPGA处理器根据信号获得相位差，再根据相位差与预设值比较，超过阀值后进入下一步，若没超过阀值则进入对采样数据经运算后PID调节步骤；

S7、检测相位差变化趋势：首次调节时，记录相位差，当第二次调节时利用二次相位差，判断相位差的变化趋势；

S8、S9根据相位差变化趋势，减小相位差，直到阀值内，部件2即FPGA处理器及时的调整模块3即DDS数字合成器的输出频率，已减小相位差，直到阀值内；

S10、功率调制过程中，实时监测DDS数字合成器的输出频率不能超出预设值，起到保护的作用；

S11、FPGA处理器对采样信号进行数据处理：射频电源系统中FPGA处理器对采样的数据经数字混合器进行混频，让采样信号与正余弦信号相卷积，再经数字滤波器，提取出采样信号的幅值和相位信息，FPGA处理器内部带有DSP核，利用DSP核可对浮点数进行快速计算；利用公式求出射频电源的输出的功率，公式包括有：

负载功率：Pload=Vmax*Imax*cosθ；

前向功率：Pfwd=Pload+Pref；

输出阻抗：|Z|=Vmax/Imax;Z=|Z|*cosθ+j*|Z|*sinθ;

反射系数：Γ= (Z-Z0) / (Z + Z0)；

反射功率：Pref=Pload*|Γ|*|Γ|/（1-|Γ|*|Γ|）;

S12、PID功率调节；

步骤S12中，PID功率调节是一种常规有效的调节方式，使用增量式PID，简化后公式为：

u(k) = Kp(e(k) - e(k-1)) + Ki *e(k) + Kd(e(k)) - 2e(k-1) + e(k-2))，其中Kp为调节的比例常数，Ki为积分系数，Kd为微分系数，预设的功率与实际检测的功率做差值，使用比例系数乘以误差值得到比例控制量，使用积分系数乘以误差值累积得到积分项积分控制量，将比例、积分和微分控制量相加得到总控制量，FPGA根据总控制量即功率调节DDS数字合成器调节幅值以及微调频率，当功率差值接近或等于零时停止PID调节。

2.根据权利要求1所述的一种射频电源功率快速调制方法，其特征在于：所述射频电源系统，功率调制时还需要实时监测电源模块、射频功率放大模块的电压、电流、水温以及DDS射频信号源模块、相位差检测模块的温度，以起到实时保护的作用。