用于找到全局最優(yōu)值的頻率調(diào)諧系統(tǒng)和方法
【專利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本專利申請(qǐng)要求于2012年12月4日提交的標(biāo)題為"能夠找到全局最優(yōu)值的秘密 頻率調(diào)諧算法"、并被轉(zhuǎn)讓給本申請(qǐng)的受讓人的臨時(shí)申請(qǐng)No. 61/733397的優(yōu)先權(quán)，并且由此 通過(guò)引用的方式將該臨時(shí)申請(qǐng)明確地并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明總體上設(shè)及用于等離子體處理應(yīng)用的電源，并且更具體地設(shè)及用于頻率調(diào) 諧電源的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0004] RF發(fā)生器中的頻率調(diào)諧通常用于減小反射功率。在圖1中示出了典型的裝置。通 常情況下（但并不總是），匹配網(wǎng)絡(luò)的一些類型用于將負(fù)載與發(fā)生器匹配。通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò) (發(fā)生器的內(nèi)部或如圖1所示的外部）的正確設(shè)計(jì)，可W在發(fā)生器能夠產(chǎn)生的頻率范圍內(nèi)的 一些頻率下將負(fù)載的阻抗轉(zhuǎn)換為接近于發(fā)生器的期望負(fù)載阻抗的值（在RF輸出連接器處， 通常為50Q;或在發(fā)生器內(nèi)部的有源設(shè)備處，通常為一些低復(fù)數(shù)阻抗，例如；8+j3Q)。負(fù)載 阻抗與期望阻抗的接近程度的量度可W采用多種形式，但其通常被表示為反射系數(shù)：
[0005]
[0006] 其中P為阻抗Z相對(duì)于期望阻抗Z。的反射系數(shù)，并且X t表示X的共輛復(fù)數(shù)。反 射系數(shù)IPI的大小是表示阻抗Z與期望阻抗Z。的接近程度的非常方便的方式。Z和Z。兩 者通常都為復(fù)數(shù)。
[0007] 頻率調(diào)諧算法和方法試圖找到最優(yōu)的操作頻率。最優(yōu)性通常被定義為反射系數(shù)的 大小相對(duì)于期望阻抗最小時(shí)的頻率。其它的量度可W是最小反射功率、最大輸送功率、穩(wěn)定 操作等等。在非時(shí)變線性負(fù)載上，許多算法都可W很好地工作，而在時(shí)變和/或非線性負(fù)載 上則需要特殊的技術(shù)來(lái)確保調(diào)諧算法的可靠操作。
[000引假設(shè)最優(yōu)操作頻率是負(fù)載反射系數(shù)大小處于其最小值時(shí)的頻率，要注意的是，受 控變量（頻率）與誤差之間的關(guān)系通常不是單調(diào)的，并且此外，最優(yōu)操作點(diǎn)通常位于增益 ([誤差變化]/[頻率變化])為0的點(diǎn)。為增加挑戰(zhàn)，還可能存在局部最小值，任何控制算 法都可W陷于該局部最小值。圖2A在頂部顯示了負(fù)載反射系數(shù)圖（史密斯圓圖）上的負(fù) 載反射系數(shù)的曲線圖，并且圖2B顯示了被用作作為頻率的函數(shù)的誤差的負(fù)載反射系數(shù)的 大小。該曲線圖利用f。處的局部最小值來(lái)說(shuō)明上述問(wèn)題，f。處的局部最小值通過(guò)fg周圍的 高負(fù)載反射系數(shù)區(qū)域和（情況總是如此）全局最優(yōu)頻率fb處的誤差函數(shù)的零斜率來(lái)與fb 處的全局最優(yōu)值分開(kāi)。
[0009] 關(guān)于等離子體負(fù)載的兩個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是；負(fù)載的非線性性質(zhì)（負(fù)載阻抗是功率電 平的函數(shù)）W及負(fù)載阻抗隨時(shí)間變化（例如，由于化學(xué)成分、壓力、氣溫等隨時(shí)間變化）。等 離子體（或類似等離子體的）負(fù)載所特有的另一問(wèn)題是；如果至等離子體的輸送功率在足 夠長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)下降至低于一些值，則等離子體可能焰滅。因此頻率調(diào)諧算法不能停留在不 能長(zhǎng)時(shí)間輸送足夠的功率或者等離子體可能焰滅的頻率下。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 在下文中將對(duì)附圖中所示的本公開(kāi)內(nèi)容的說(shuō)明性實(shí)施例進(jìn)行總結(jié)。將在具體實(shí)施 方式部分中對(duì)該些和其它實(shí)施例進(jìn)行更充分地描述。然而，要理解的是，并不是要將本公 開(kāi)內(nèi)容限制為該
【發(fā)明內(nèi)容】
或【具體實(shí)施方式】中所述的形式。本領(lǐng)域技術(shù)人員可W認(rèn)識(shí)到，如 權(quán)利要求書(shū)中所述，存在落入本公開(kāi)內(nèi)容的精神和范圍內(nèi)的許多修改、等同物、W及替換結(jié) 構(gòu)。
[0011] 根據(jù)一方面，提供了用于對(duì)發(fā)生器進(jìn)行調(diào)諧的方法。方法包括；將由發(fā)生器施加的 功率的頻率設(shè)定為當(dāng)前最佳頻率；W及感測(cè)由發(fā)生器施加的功率的特性。然后基于功率的 特性來(lái)確定當(dāng)前最佳誤差，并且功率的頻率在主要時(shí)間段內(nèi)保持在當(dāng)前最佳頻率。將功率 的頻率改變?yōu)樘綔y(cè)頻率，并且功率的頻率在小于主要時(shí)間段的探測(cè)時(shí)間段內(nèi)保持在探測(cè)頻 率。如果探測(cè)頻率下的誤差小于當(dāng)前最佳頻率下的誤差，則將當(dāng)前最佳頻率設(shè)定為探測(cè)頻 率。
[0012] 根據(jù)另一方面，提供了發(fā)生器。發(fā)生器可W包括用于響應(yīng)于頻率控制信號(hào)而產(chǎn)生 頻率的可控信號(hào)發(fā)生器、W及用于在所產(chǎn)生的頻率下產(chǎn)生功率的功率放大器。發(fā)生器的輸 出線路禪合至功率放大器，并且傳感器禪合至功率放大器W提供指示給予功率放大器的阻 抗的輸出信號(hào)?？刂破黜憫?yīng)于來(lái)自傳感器的輸出信號(hào)而向可控信號(hào)發(fā)生器提供頻率控制信 號(hào)，并且控制器包括處理器和非暫態(tài)有形計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，該存儲(chǔ)介質(zhì)利用用于調(diào)整 頻率控制信號(hào)的處理器可讀指令來(lái)進(jìn)行編碼。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1是示出通過(guò)匹配網(wǎng)絡(luò)將功率輸送至負(fù)載的發(fā)生器的系統(tǒng)示意圖；
[0014] 圖2描繪了作為頻率的函數(shù)的負(fù)載反射系數(shù)的一般行為；
[0015]圖3描繪了覆有典型RF發(fā)生器的開(kāi)環(huán)恒功率等值線的作為頻率的函數(shù)的負(fù)載反 射系數(shù)的一般行為；
[0016] 圖4描繪了覆有具有匹配源阻抗的典型RF發(fā)生器的開(kāi)環(huán)恒功率等值線的作為頻 率的函數(shù)的負(fù)載反射系數(shù)的一般行為；
[0017] 圖5是描繪了結(jié)合本文中所公開(kāi)的實(shí)施例可W遍歷的示例性方法的流程圖；
[0018] 圖6包括描繪了結(jié)合參考圖5所述的方法可W探測(cè)的示例性頻率和相應(yīng)的誤差值 的曲線圖；
[0019] 圖7是描繪發(fā)生器的實(shí)施例的示圖；
[0020] 圖8是描繪圖7中所示的平衡放大器的示例性實(shí)施例的示圖；
[0021] 圖9是描繪可W用于實(shí)現(xiàn)圖7中所描繪的控制器的控制系統(tǒng)的示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 詞語(yǔ)"示例性"在本文中用于表示"用作示例、實(shí)例或說(shuō)明"。本文中被描述為"示 例性"的任何實(shí)施例不一定被解釋為相對(duì)于其它實(shí)施例是優(yōu)選的或有利的。
[0023] 本發(fā)明的實(shí)施例解決了在不焰滅等離子體負(fù)載的情況下找到調(diào)諧問(wèn)題的全局最 優(yōu)值的問(wèn)題?？蒞通過(guò)參考圖2A和2B來(lái)理解所述問(wèn)題。從圖2A和2B可W清楚地看到， 如果當(dāng)前頻率處于最小頻率f。與負(fù)載反射系數(shù)為最高時(shí)的頻率fg之間，則捜索負(fù)載反射系 數(shù)的局部最小值的任何算法將向最小頻率f。移動(dòng)。當(dāng)前頻率將向并非期望的操作頻率的 局部最小值移動(dòng)的該種情況非常普遍。具體而言，在等離子體系統(tǒng)中，沒(méi)有點(diǎn)亮（點(diǎn)燃）等 離子體的等離子體室與具有點(diǎn)亮的等離子體的室相比具有很不相同的表現(xiàn)。如果可W點(diǎn)燃 等離子體的頻率在f。與f。之間，則初始頻率將在f。與f。之間。一旦點(diǎn)亮了等離子體，那么 問(wèn)題就變成了如何從f。與fg之間的頻率開(kāi)始找到全局最佳頻率fb。不同于其它負(fù)載，簡(jiǎn)單 地從f。到f1對(duì)頻率進(jìn)行掃描直到找到全局最優(yōu)頻率fb是不能選擇的。問(wèn)題在于當(dāng)頻率在 fg附近時(shí)，幾乎沒(méi)有功率可W被輸送至等離子體并且等離子體將極有可能焰滅。如果等離 子體焰滅，那么將利用具有完全不同特性的未點(diǎn)亮的等離子體繼續(xù)進(jìn)行掃描，并且除非等 離子體W某種方式在fb附近重新點(diǎn)燃，否則不會(huì)找到全局最優(yōu)值fb。即使等離子W某種方 式重新點(diǎn)燃并且因此成功進(jìn)行掃描，在掃描期間允許等離子焰滅該一行為在大多數(shù)應(yīng)用中 也是不可接受的。
[0024] 為了理解所述問(wèn)題，注意，對(duì)頻率進(jìn)行探測(cè)所花的時(shí)間通常不超過(guò)數(shù)十微秒，W免 使等離子體焰滅。如果所探測(cè)的頻率下的負(fù)載反射系數(shù)高并且在該頻率處花費(fèi)了超過(guò)數(shù)十 微秒，則等離子體可能焰滅。與此同時(shí)，將發(fā)生器的功率控制系統(tǒng)調(diào)整至期望的功率電平 所用的時(shí)間通常大約為數(shù)百微秒，因此出于所有實(shí)踐的目的，在至功率放大器的功率控制 輸入處對(duì)負(fù)載的反射系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，所述功率控制輸入與由負(fù)載阻抗所確定的實(shí)際功率相 同。
[0025] 在現(xiàn)有技術(shù)中，已知的是，通過(guò)探測(cè)來(lái)編制頻率和相關(guān)聯(lián)的反射系數(shù)的圖表W找 到最佳操作頻率。由于可能必須對(duì)每個(gè)候選頻率進(jìn)行多次訪問(wèn)直到在期望的功率電平下測(cè) 量到負(fù)載反射系數(shù)，因此該種圖表（例如，如US7, 839, 223中所述，其通過(guò)引用并入本文 中）的編制十分困難。之所W必須在正確的功率電平下測(cè)量負(fù)載反射系數(shù)是由于負(fù)載的非 線性性質(zhì)，并且該能夠通過(guò)參考圖3A和3B來(lái)理解。
[0026] 參考圖3A和3B，如果發(fā)生器在700W、頻率fg下進(jìn)行操作并且利用對(duì)保持在當(dāng)前 設(shè)定的功率放大器的控制來(lái)探測(cè)頻率空間，則發(fā)生器將在頻率f。處找到明顯的最佳反射系 數(shù)。然而，如圖3B所示，實(shí)際最佳操作頻率為fb。更具危害性的是，如果發(fā)生器要將其操作 頻率改變?yōu)閒。，則一旦控制系統(tǒng)將功率調(diào)整回期望的設(shè)定點(diǎn)（大概700W或更高），負(fù)載反 射系數(shù)可能高于原頻率fg處的負(fù)載反射系數(shù)。此外，對(duì)于在fg、7〇〇W下進(jìn)行操作的發(fā)生器， 其意味著；發(fā)生器的設(shè)定點(diǎn)為700W并且當(dāng)將功率施加到不匹配的負(fù)載阻抗中時(shí)發(fā)生器能 夠滿足設(shè)定點(diǎn)；或者發(fā)生器的設(shè)定點(diǎn)高于700W，但發(fā)生器可W僅將700W傳輸至不匹配的負(fù) 載中。在任一情況下，一旦將頻率改變?yōu)閒。，則發(fā)生器可能將僅能夠輸送比f(wàn)g下可W傳輸 的功率小的功率。如果頻率改變?yōu)閒。，該可能導(dǎo)致等離子體焰滅。因此可W得出如下結(jié)論： 對(duì)于典型發(fā)生器，其中對(duì)于至功率放大器的固定控制輸入，向除匹配負(fù)載（通常為50Q)W 外的阻抗輸送最大功率，US7, 839, 223中所述的過(guò)程是可取的。
[0027] 然而，當(dāng)頻率探測(cè)算法與具有與額定負(fù)載阻抗（通常為50 Q)匹配的源阻抗的功 率放大器組合時(shí)