CN111026228B - 一种射频电源的过功率保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种射频电源的过功率保护电路，包括控制模块和功率输出模块，所述控制模块包括指令信号电压控制电路和状态控制信号平稳切换电路；所述指令信号电压控制电路包括产生指令信号的功率放大三极管，通过限制功率放大三极管的基极电压和集电极电压来控制其发射极最大输出电压；状态控制信号平稳切换电路利用二极管的单向导通和压降构建输出赋值电路，保证其电压处于时刻输出和控制状态下，且输入信号平稳；功率输出模块包括射频功率元件，对射频功率元件加以直流偏置电压，通过控制直流偏置电压从而控制射频功率元件最大输出功率。本发明能够使射频电源开机启动的一瞬间以及正常工作状态平稳输出功率，避免出现过功率及瞬间大功率现象。

Description

一种射频电源的过功率保护电路

技术领域

本发明属于射频电源技术领域，具体涉及一种射频电源的过功率保护电路。

背景技术

射频电源是一种特殊电源，广泛应用于等离子行业，相对于普通电源，其具有频率高的特点，一般工作频率均在MHz以上。射频电源的核心是功率放大模块，一些市面上的射频电源在开机输出功率的一瞬间，其输出功率会达到其标定最大输出功率的120％甚至更高，存在极大的安全隐患，对设备内部电路的承受能力以及外接设备的承受能力都是很大的考验，长时间工作在该状态下，容易造成设备损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种射频电源的过功率保护电路，能够使射频电源开机启动的一瞬间以及正常工作状态平稳输出功率，避免出现过功率及瞬间大功率现象。

本发明提供了如下的技术方案：

一种射频电源的过功率保护电路，包括控制模块和功率输出模块，所述控制模块包括指令信号电压控制电路和状态控制信号平稳切换电路；所述指令信号电压控制电路包括产生指令信号的功率放大三极管，所述功率放大三极管的基极电压和集电极电压均为可调电压，通过限制所述功率放大三极管的基极电压和集电极电压来控制其发射极最大输出电压；所述状态控制信号平稳切换电路利用二极管的单向导通和压降构建输出赋值电路，所述输出赋值电路连接所述功率放大三极管的基极保证其电压处于时刻输出和控制状态下，且输入信号平稳；所述功率输出模块包括射频功率元件，所述功率输出模块接收来自控制模块的指令信号到所述射频功率元件，并对所述射频功率元件加以直流偏置电压，所述直流偏置电压为可调电压，通过控制所述直流偏置电压从而控制所述射频功率元件最大输出功率。

优选的，所述功率放大三极管的集电极连接有DC-DC可调电源模块，所述DC-DC可调电源模块连接有可调电位器，通过调节所述可调电位器的阻值大小改变所述DC-DC可调电源模块为所述功率放大三极管的集电极提供的电压大小。

优选的，所述功率放大三极管的基极连接有运算放大器，所述运算放大器连接有DC-DC可调电源模块，所述DC-DC可调电源模块连接有可调电位器，通过调节所述可调电位器的阻值大小改变所述DC-DC可调电源模块为所述运算放大器的供电电压大小，从而控制所述运算放大器为所述功率放大三极管的基极提供电压的电压大小。

优选的，所述输出赋值电路包括串接在所述功率放大三极管基极处的单向二极管D9、单向二极管D10、单向二极管D11、单向二极管D12、电阻R36和电阻R37，射频电源处于未输出功率的工作状态时，单向二极管D10、单向二极管D11和接地构成的电路赋予电阻R37和单向二极管D9处的电压大小，电阻R37和单向二极管D9处的电压为单向二极管D10与单向二极管D11压降之和，该点电压经过单向二极管D9，所述功率放大三极管基极处电压为单向二极管D10和单向二极管D11压降之和减去单向二极管D9压降；当从未输出功率的工作状态进入输出功率的工作状态时，运算放大器输出电压通过电阻R36给到所述功率放大三极管基极，此时当该电压小于单向二极管D10和单向二极管D11压降之和减去单向二极管D9压降时，基极电压和为输出功率的工作状态的基极电压相同，当该电压小于单向二极管D10和单向二极管D11压降之和减去单向二极管D9二极管压降时，所述功率放大三极管基极电压即为该电压。

优选的，所述射频功率元件与其供电电压之间设有分压电路，所述分压电路设有可调电位器，将供电电压通过所述可调电位器进行可调分压从而使所述射频功率元件直流偏置电压可调，从而控制所述射频功率元件最大输出。

优选的，所述射频功率元件的偏置电压调节时，所述射频功率元件工作在起振状态，即在最小输出情况下，所述射频功率元件也能输出波形，输出电压幅值大于等于所述射频功率元件的最小起振电压幅值。

本发明的有益效果是：通过三重电路控制，层层保险，对最大输出与瞬间输出做出多种条件限制，即使部分电路失效，其余电路也可完成控制要求；相比于原有常见的射频电源，其输出瞬间没有尖峰，是为平缓上升的曲线；最大输出功率得到控制，即使工作在最大输出功率情况，也不会对设备造成损害，均在设备承受范围内。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明控制模块指令信号电压控制电路示意图；

图2是本发明控制模块状态控制信号平稳切换电路示意图；

图3是本发明功率模块最大功率控制电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种射频电源的过功率保护电路的控制模块，功率输出模块的信号来源于控制模块，首先便是控制该指令信号，指令信号由一个功率放大三极管Q1产生，3为发射极电压，为控制该点电压，采取集电极，基极电压可调的方式来控制发射极最大输出电压。集电极电压由DC-DC可调电源模块产生，可以通过调节图1中可调电位器W12的阻值大小改变其电压大小，可调范围0-13.5V。基极电压分为两种状态，一种是为工作状态，一种是输出状态；在输出状态下，基极电压由运算放大器U5给出，这里通过控制运算放大器U5的供电电压，来控制运算放大器的输出电压，从而控制功率放大三极管Q1的基极电压。U5供电电压由DC-DC可调电源模块U10产生，可以通过调节图1中可调电位器W11的阻值大小改变其电压大小，通过控制功率放大三极管Q1的基极电压和集电极电压，其发射极电压也从而得到控制。

如图2所示，射频电源有输出功率的工作状态和正常未输出功率的工作状态。处于未输出功率的工作状态时，由D10、D11和GND构成的电路给出了R37和D9处的电压大小，GND为0电压，D10、D11为单向二极管，压降确定，那么R37和D9处的电压为D10、D11二极管压降之和，该点电压经过D9二极管，那么Q1基极处电压为D10、D11二极管压降之和减去D9二极管压降。当从未输出功率的工作状态进入输出功率的工作状态时，U5输出电压通过R36给到Q1基极，此时当该电压小于D10、D11二极管压降之和减去D9二极管压降时，基极电压和为输出功率的工作状态的基极电压相同，当该电压小于D10、D11二极管压降之和减去D9二极管压降时，Q1基极电压即为该电压。该控制电路保证了在状态切换瞬间，基极处电压都处于控制状态下，不会出现电压瞬间跳变为该点最大电压然后慢慢回落至正常工作电压的情况，从而保证了发射极电压不会出现瞬间增大。

如图3所示，电路控制模块给出的指令电压信号通过线缆进入功放模块，即图3的VIN，经过C10再到功率放大模块的Q2，同时有外部的直流偏置电压加在Q2上，共同对Q2的输出起到影响，在此基础上，通过分压电路，将供电电压通过可调电位器RP1进行可调分压，从而使Q2直流偏置电压可调，从而控制Q2最大输出，以此控制最大输出功率。在调节时需要注意，Q2必须工作在起振状态，即在最小输出情况下，Q2也能输出波形，要求输出电压幅值大于等于功率元件Q2的最小起振电压幅值。

进一步的，Q2输出信号经过后续放大器进一步放大与合成，产生输出功率，若最大输出功率偏小，可通过调节上述控制模块和功率输出模块中的电位器，慢慢放宽限制，放大电压，使输出功率达到需要的数值。

如图1-图3所示，一种射频电源的过功率保护电路包括射频电源控制电路的指令信号电压控制，无功率输出待机状态和功率输出状态的状态信号平稳切换，功率放大电路的最大功率控制。利用功率放大三极管的元件特性，通过限制其集电极和基极最大电压的方式，限制其发射极电压。利用二极管的单向导通和压降构建输出赋值电路，并且保证输入信号在一定范围内有效，做到时时刻刻有输出信号，且输出信号为平稳变动。利用射频方法器件的特性，改变其直流偏置电压，从而改变其工作性能和状态，在保证该元件基本性能基础上，使其输出满足***要求，做到稳定输出并且对最大输出做出限制。通过上述三种电路，层层保险，对最大输出与瞬间输出做出多种条件限制，即使部分电路失效，其余电路也可完成控制要求。

原有的射频电源在输出瞬间会存在一个尖峰脉冲，之后慢慢回落至正常输出波形，长时间工作在该种状态，会导致射频电源寿命减少，更有甚者，射频电源将会直接烧毁。通过该方案调整出来的输出，相比于原有的市面上常见的射频电源，其输出瞬间没有尖峰，是为平缓上升的曲线；最大输出功率得到控制，即使工作在最大输出功率情况，也不会对设备造成损害，均在设备承受范围内。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种射频电源的过功率保护电路，其特征在于，包括控制模块和功率输出模块，所述控制模块包括指令信号电压控制电路和状态控制信号平稳切换电路；所述指令信号电压控制电路包括产生指令信号的功率放大三极管，所述功率放大三极管的基极电压和集电极电压均为可调电压，通过限制所述功率放大三极管的基极电压和集电极电压来控制其发射极最大输出电压；所述状态控制信号平稳切换电路利用二极管的单向导通和压降构建输出赋值电路，所述输出赋值电路连接所述功率放大三极管的基极保证其电压处于时刻输出和控制状态下，且输入信号平稳；所述功率输出模块包括射频功率元件，所述功率输出模块接收来自控制模块的指令信号到所述射频功率元件，并对所述射频功率元件加以直流偏置电压，所述直流偏置电压为可调电压，通过控制所述直流偏置电压从而控制所述射频功率元件最大输出功率；

所述功率放大三极管的集电极连接有DC-DC可调电源模块，所述DC-DC可调电源模块连接有可调电位器，通过调节所述可调电位器的阻值大小改变所述DC-DC可调电源模块为所述功率放大三极管的集电极提供的电压大小。

2.根据权利要求1所述的一种射频电源的过功率保护电路，其特征在于，所述功率放大三极管的基极连接有运算放大器，所述运算放大器连接有DC-DC可调电源模块，所述DC-DC可调电源模块连接有可调电位器，通过调节所述可调电位器的阻值大小改变所述DC-DC可调电源模块为所述运算放大器的供电电压大小，从而控制所述运算放大器为所述功率放大三极管的基极提供电压的电压大小。

3.根据权利要求2所述的一种射频电源的过功率保护电路，其特征在于，所述输出赋值电路包括串接在所述功率放大三极管基极处的单向二极管D9、单向二极管D10、单向二极管D11、单向二极管D12、电阻R36和电阻R37，射频电源处于未输出功率的工作状态时，单向二极管D10、单向二极管D11和接地构成的电路赋予电阻R37和单向二极管D9处的电压大小，电阻R37和单向二极管D9处的电压为单向二极管D10与单向二极管D11压降之和，该点电压经过单向二极管D9，所述功率放大三极管基极处电压为单向二极管D10和单向二极管D11压降之和减去单向二极管D9压降；当从未输出功率的工作状态进入输出功率的工作状态时，运算放大器输出电压通过电阻R36给到所述功率放大三极管基极，此时当该电压小于单向二极管D10和单向二极管D11压降之和减去单向二极管D9压降时，基极电压和为输出功率的工作状态的基极电压相同，当该电压小于单向二极管D10和单向二极管D11压降之和减去单向二极管D9二极管压降时，所述功率放大三极管基极电压即为该电压。

4.根据权利要求1所述的一种射频电源的过功率保护电路，其特征在于，所述射频功率元件与其供电电压之间设有分压电路，所述分压电路设有可调电位器，将供电电压通过所述可调电位器进行可调分压从而使所述射频功率元件直流偏置电压可调，从而控制所述射频功率元件最大输出。

5.根据权利要求4所述的一种射频电源的过功率保护电路，其特征在于，所述射频功率元件的偏置电压调节时，所述射频功率元件工作在起振状态，即在最小输出情况下，所述射频功率元件也能输出波形，输出电压幅值大于等于所述射频功率元件的最小起振电压幅值。

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