基于FP0-C14 PLC的自動阻抗匹配器的研制

王登偉 ，夏 洋

(1.中國科學院微電子研究所，北京100029；2.中國科學院微電子器件與集成技術重點實驗室，北京100029)

等離子體射頻電源廣泛應用于等離子體刻蝕、射頻濺射、RIE、ICP、PECVD等領域。由于負載（通常為等離子真空設備）的阻抗是隨工藝參數變化的，有必要采用自動控制的方式進行匹配，使系統中的電路處于匹配狀態。如此則可避免反射的發生，提高電源效能，保證系統的穩定性，實現等離子體電源的最大功率傳輸[1]。但是，目前阻抗匹配器大都是工作在人工模式，不能夠及時跟蹤負載的動態變化，本文設計并實現了一種利用PLC實現自動阻抗匹配的方案。

1 自動阻抗匹配原理

射頻電源的輸出阻抗通常與傳輸電纜的特征阻抗Z0相同，即50Ω。負載的阻抗可表示為：

式中：R為負載阻抗的實部，通常為2～5Ω之間，X為負載阻抗的虛部，較多情況為負數，即容性負載較常見。只有通過加入匹配網絡，才能實現負載阻抗與電纜的特征阻抗匹配，使得射頻電源的輸出功率全部加到負載上，無反射功率或者反射功率很小[2]。常用的匹配網絡有L形、T形、π形以及由它們組合而成的多級混合網絡，也有用雙調諧耦合回路構成的匹配網絡[3]。本方案采用改進型的L形匹配網絡，如圖1所示。它是一種在手動匹配器中被廣泛采用而且結構簡單的匹配網絡。其中，可調電容C1只與負載阻抗的實部有關，而C2與負載阻抗的實部和虛部都有關系。在電感L為定值時，可調電容C1和C2只要分別滿足一定取值范圍，就可使得改進型匹配網絡對等離子體真空設備進行阻抗匹配[4]。

圖1 匹配器功能圖

阻抗匹配良好時，應該滿足條件：

式中，矢量U表示傳輸線上的電壓，矢量I表示傳輸線上的電流。因為Z0=50Ω，不難看出，此時電壓信號與電流信號的相位差覫為零，他們幅度的比值A為50。如果想實現阻抗的自動匹配，PLC可以通過兩個電機分別控制調節可變電容C1和C2的轉向來改變覫、A，因為覫、A與電機轉動方向之間存在特定的關系，PLC可根據采集到的覫、A數據控制C1和C2的轉動方向，當覫=0、A=50時，阻抗匹配良好。在本系統中，采用了鑒相鑒幅的自動匹配方法。

2 系統的硬件設計

自動阻抗匹配器共分主控模塊、功率取樣模塊、鑒相鑒幅模塊、電容器的調整和檢測模塊等四個模塊，見圖2。

圖2 匹配器結構框圖

2.1 主控模塊

以微處理器為基礎的通用工業自動控制裝置可編程控制器PLC具有體積小、功能強、程序設計簡單、維護方便、可靠性高等優點[5]。本系統選用松下公司FP0-C14 PLC，它有8個輸入觸點、6個輸出觸點。觸摸屏選用的是GT01型可編程智能操作面板，界面十分友好。PLC實時采集到的數據，通過GT01觸摸屏以趨勢圖、棒圖等動態圖表圖形和文字、數字的形式顯示，用來監控前向功率Pf、反射功率 Pr、自偏壓、電容 C1位置、電容 C2位置、相位、幅度。簡單、易用、功能強、性能穩定。在計算機上完成對PLC的控制編程和對觸摸屏進行人機界面組態編程后，用傳輸數據線將控制及組態軟件下載到PLC控制器和觸摸屏中，為設備運行做好控制準備。當整個系統的現場電氣連接調試完畢進入運行時，通過觸摸屏與PLC之間RS232C傳輸線的實時通訊功能可對設備進行實時監控。

整個控制系統分為自動和手動兩種控制方式，可根據實際工作需要選擇自動控制或手動調試控制。

電源系統采用了專用電源模塊，分別提供24V、＋12 V、-12 V和5 V。

2.2 功率取樣模塊

該模塊包括前向功率Pf的采集和反射功率Pr的采集。雙向耦合器可以同時對兩個相反方向傳輸的功率信號取樣，取樣得到的微弱信號通過兩個不同的采樣端口分別經A/D轉換，傳到主控模塊。本模塊功率采集數據的分辨率達1/1024。

2.3 鑒相鑒幅模塊

鑒相鑒幅方法是通過檢測信號的幅值和相位判斷反射系數。最終通過調節可變電容，改變阻抗，實現把負載阻抗良好地匹配到傳輸線的特征阻抗50Ω。

本系統中采用了調諧檢波器。它的兩個輸出信號f1、f2分別和覫、A相關。PLC控制轉動C1和C2過程中同時采集f1、f2數據。PLC根據采集到的 f1、f2數據控制電容 C1、C2的轉動方向，當 f1、f2均為零時，代表覫=0、A=50，此時阻抗自動匹配良好。

2.4 電容器的調整和檢測模塊

自動調整模式下，PLC根據當前的相位和幅度的數值控制電機的正轉或反轉，電機的轉動調節可改變真空電容器C1、C2的數值，實現阻抗匹配控制。同時，通過齒輪帶動旋轉電位器。PLC通過檢測電位器上的電壓即可得到電容器的當前位置，將位置檢測值作為反饋量，構成電容位置調節的閉環控制系統。在程序中需對檢測到的位置信號進行多點平均濾波。

手動調整模式下，采用了編碼開關和數字電位器MAX5128ELA，實現按檔逐級調整可調C1、C2，提高了精確度，簡化了操作。

3 軟件控制系統

系統軟件主要包括PLC控制軟件和觸摸屏組態軟件兩部分。

PLC軟件用來完成整個設備的全部控制任務，其設計思想基于盡量簡化硬件，以軟件代替硬件，增強系統穩定性和抗干擾性。松下FP0-C14 PLC采用FPWIN GR編程軟件，用梯形圖進行編程。首先對硬件進行初始化，然后采集、處理數據，并在GT01觸摸屏上顯示出來，圖3為設備PLC控制程序流程框圖。

圖3 PLC控制程序流程框圖

其中，入射功率、反射功率的數字化過程是非線性的，根據最小二乘法原則，使用二次曲線擬合散點連線，得到逼近解析表達式。散點連線見圖4。通過編程、現場調試，修正二次項系數，再次調試修正，直至逼近實際功率數值。

GT01型觸摸屏采用GTWIN組態軟件進行編程。觸摸屏共設置了4頁顯示內容，可顯示入射功率、反射功率、自偏壓、C1位置、C2位置、幅度、和相位等數據。將PLC控制軟件和觸摸屏組態軟件下載后，上電啟動，系統即可運行。

圖4 實測值與二次擬合曲線

4 仿真結果及實驗結果

4.1 仿真結果

采用的改進型L阻抗匹配網絡模型見圖5。其中，接地電容為C1，負載串聯的電容為C2，負載ZL可在（2.7～50）Ω±j(0～70)Ω 范圍內變化，模型中，ZL取 30Ω-j45Ω。

圖5 阻抗匹配網絡模型

阻抗匹配網絡仿真步驟如下：

①設定特征阻抗Z0=50Ω＋j0Ω，輸入信號頻率為13.56 MHz；

②令負載ZL=30Ω-j45Ω，在匹配網絡電路的Sm ith圓圖上確定起始點1；

③在ZL上串隔直電容C2，得到點2；

④再在C2上串聯電感L，得到點3；

⑤最后再并聯電容C1，得到點4。

通過適當調整C1、C2，應使點4位于50Ω＋j0Ω匹配點，此時阻抗匹配良好。若點4不能精確位于該點，則應微調各元件參數。圖6為阻抗匹配網絡電路的Sm ith圓圖。

5.2 現場實驗

通過樣機與等離子設備采用SE-3型太陽能電池刻蝕機、SY-I型1 kW射頻電源的現場調試，結果顯示：改變流量，使得氣壓在5～90 Pa之間變化時，自動阻抗匹配器能自動跟蹤負載阻抗的變化。當功率在1 kW范圍內變化時，自動阻抗匹配器也能自動跟蹤。

圖6 阻抗匹配網絡電路的Smith圓圖

匹配良好時，反射系數不大于0.2%，此時反射功率幾乎為零，說明了匹配器可以把負載的阻抗匹配在傳輸線特征阻抗50Ω＋j0Ω匹配點附近，與仿真結果是一致的。

6 總結

PLC作為控制模塊，編程快捷、維護方便和抗干擾性強。采用鑒相鑒幅方法，構建自動阻抗匹配的閉環控制系統，實現對動態變化阻抗的實時跟蹤，與SE-3太陽能刻蝕機聯機調試的成功和計算機仿真均證明了該設計方案的可行性和有效性，具有較高的應用價值。

[1]Navigator DigitalMatching Networksbrochure[EB/OL].Advanced Energy Industries，Inc.2008.

[2]Harvey James Beaudry.ImpedanceMatching Network fo Plasma-generating Apparatus[P].Fremont，Calif.1969.7.

[3]何振亞，高頻阻抗匹配網絡設計[M]，北京:人民郵電出版社，1956.

[4]ImpedanceMatching[EB/OL].Advanced EnergyIndustries，Inc.2006.

[5]張素枝.基于PLC控制技術的電容測試分選機[J].電子工業專用設備.2009，10(177):46-4