基于FP0-C14 PLC的自动阻抗匹配器的研制

王登伟 ，夏 洋

(1.中国科学院微电子研究所，北京100029；2.中国科学院微电子器件与集成技术重点实验室，北京100029)

等离子体射频电源广泛应用于等离子体刻蚀、射频溅射、RIE、ICP、PECVD等领域。由于负载（通常为等离子真空设备）的阻抗是随工艺参数变化的，有必要采用自动控制的方式进行匹配，使系统中的电路处于匹配状态。如此则可避免反射的发生，提高电源效能，保证系统的稳定性，实现等离子体电源的最大功率传输[1]。但是，目前阻抗匹配器大都是工作在人工模式，不能够及时跟踪负载的动态变化，本文设计并实现了一种利用PLC实现自动阻抗匹配的方案。

1 自动阻抗匹配原理

射频电源的输出阻抗通常与传输电缆的特征阻抗Z0相同，即50Ω。负载的阻抗可表示为：

式中：R为负载阻抗的实部，通常为2～5Ω之间，X为负载阻抗的虚部，较多情况为负数，即容性负载较常见。只有通过加入匹配网络，才能实现负载阻抗与电缆的特征阻抗匹配，使得射频电源的输出功率全部加到负载上，无反射功率或者反射功率很小[2]。常用的匹配网络有L形、T形、π形以及由它们组合而成的多级混合网络，也有用双调谐耦合回路构成的匹配网络[3]。本方案采用改进型的L形匹配网络，如图1所示。它是一种在手动匹配器中被广泛采用而且结构简单的匹配网络。其中，可调电容C1只与负载阻抗的实部有关，而C2与负载阻抗的实部和虚部都有关系。在电感L为定值时，可调电容C1和C2只要分别满足一定取值范围，就可使得改进型匹配网络对等离子体真空设备进行阻抗匹配[4]。

图1 匹配器功能图

阻抗匹配良好时，应该满足条件：

式中，矢量U表示传输线上的电压，矢量I表示传输线上的电流。因为Z0=50Ω，不难看出，此时电压信号与电流信号的相位差覫为零，他们幅度的比值A为50。如果想实现阻抗的自动匹配，PLC可以通过两个电机分别控制调节可变电容C1和C2的转向来改变覫、A，因为覫、A与电机转动方向之间存在特定的关系，PLC可根据采集到的覫、A数据控制C1和C2的转动方向，当覫=0、A=50时，阻抗匹配良好。在本系统中，采用了鉴相鉴幅的自动匹配方法。

2 系统的硬件设计

自动阻抗匹配器共分主控模块、功率取样模块、鉴相鉴幅模块、电容器的调整和检测模块等四个模块，见图2。

图2 匹配器结构框图

2.1 主控模块

以微处理器为基础的通用工业自动控制装置可编程控制器PLC具有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便、可靠性高等优点[5]。本系统选用松下公司FP0-C14 PLC，它有8个输入触点、6个输出触点。触摸屏选用的是GT01型可编程智能操作面板，界面十分友好。PLC实时采集到的数据，通过GT01触摸屏以趋势图、棒图等动态图表图形和文字、数字的形式显示，用来监控前向功率Pf、反射功率 Pr、自偏压、电容 C1位置、电容 C2位置、相位、幅度。简单、易用、功能强、性能稳定。在计算机上完成对PLC的控制编程和对触摸屏进行人机界面组态编程后，用传输数据线将控制及组态软件下载到PLC控制器和触摸屏中，为设备运行做好控制准备。当整个系统的现场电气连接调试完毕进入运行时，通过触摸屏与PLC之间RS232C传输线的实时通讯功能可对设备进行实时监控。

整个控制系统分为自动和手动两种控制方式，可根据实际工作需要选择自动控制或手动调试控制。

电源系统采用了专用电源模块，分别提供24V、＋12 V、-12 V和5 V。

2.2 功率取样模块

该模块包括前向功率Pf的采集和反射功率Pr的采集。双向耦合器可以同时对两个相反方向传输的功率信号取样，取样得到的微弱信号通过两个不同的采样端口分别经A/D转换，传到主控模块。本模块功率采集数据的分辨率达1/1024。

2.3 鉴相鉴幅模块

鉴相鉴幅方法是通过检测信号的幅值和相位判断反射系数。最终通过调节可变电容，改变阻抗，实现把负载阻抗良好地匹配到传输线的特征阻抗50Ω。

本系统中采用了调谐检波器。它的两个输出信号f1、f2分别和覫、A相关。PLC控制转动C1和C2过程中同时采集f1、f2数据。PLC根据采集到的 f1、f2数据控制电容 C1、C2的转动方向，当 f1、f2均为零时，代表覫=0、A=50，此时阻抗自动匹配良好。

2.4 电容器的调整和检测模块

自动调整模式下，PLC根据当前的相位和幅度的数值控制电机的正转或反转，电机的转动调节可改变真空电容器C1、C2的数值，实现阻抗匹配控制。同时，通过齿轮带动旋转电位器。PLC通过检测电位器上的电压即可得到电容器的当前位置，将位置检测值作为反馈量，构成电容位置调节的闭环控制系统。在程序中需对检测到的位置信号进行多点平均滤波。

手动调整模式下，采用了编码开关和数字电位器MAX5128ELA，实现按档逐级调整可调C1、C2，提高了精确度，简化了操作。

3 软件控制系统

系统软件主要包括PLC控制软件和触摸屏组态软件两部分。

PLC软件用来完成整个设备的全部控制任务，其设计思想基于尽量简化硬件，以软件代替硬件，增强系统稳定性和抗干扰性。松下FP0-C14 PLC采用FPWIN GR编程软件，用梯形图进行编程。首先对硬件进行初始化，然后采集、处理数据，并在GT01触摸屏上显示出来，图3为设备PLC控制程序流程框图。

图3 PLC控制程序流程框图

其中，入射功率、反射功率的数字化过程是非线性的，根据最小二乘法原则，使用二次曲线拟合散点连线，得到逼近解析表达式。散点连线见图4。通过编程、现场调试，修正二次项系数，再次调试修正，直至逼近实际功率数值。

GT01型触摸屏采用GTWIN组态软件进行编程。触摸屏共设置了4页显示内容，可显示入射功率、反射功率、自偏压、C1位置、C2位置、幅度、和相位等数据。将PLC控制软件和触摸屏组态软件下载后，上电启动，系统即可运行。

图4 实测值与二次拟合曲线

4 仿真结果及实验结果

4.1 仿真结果

采用的改进型L阻抗匹配网络模型见图5。其中，接地电容为C1，负载串联的电容为C2，负载ZL可在（2.7～50）Ω±j(0～70)Ω 范围内变化，模型中，ZL取 30Ω-j45Ω。

图5 阻抗匹配网络模型

阻抗匹配网络仿真步骤如下：

①设定特征阻抗Z0=50Ω＋j0Ω，输入信号频率为13.56 MHz；

②令负载ZL=30Ω-j45Ω，在匹配网络电路的Sm ith圆图上确定起始点1；

③在ZL上串隔直电容C2，得到点2；

④再在C2上串联电感L，得到点3；

⑤最后再并联电容C1，得到点4。

通过适当调整C1、C2，应使点4位于50Ω＋j0Ω匹配点，此时阻抗匹配良好。若点4不能精确位于该点，则应微调各元件参数。图6为阻抗匹配网络电路的Sm ith圆图。

5.2 现场实验

通过样机与等离子设备采用SE-3型太阳能电池刻蚀机、SY-I型1 kW射频电源的现场调试，结果显示：改变流量，使得气压在5～90 Pa之间变化时，自动阻抗匹配器能自动跟踪负载阻抗的变化。当功率在1 kW范围内变化时，自动阻抗匹配器也能自动跟踪。

图6 阻抗匹配网络电路的Smith圆图

匹配良好时，反射系数不大于0.2%，此时反射功率几乎为零，说明了匹配器可以把负载的阻抗匹配在传输线特征阻抗50Ω＋j0Ω匹配点附近，与仿真结果是一致的。

6 总结

PLC作为控制模块，编程快捷、维护方便和抗干扰性强。采用鉴相鉴幅方法，构建自动阻抗匹配的闭环控制系统，实现对动态变化阻抗的实时跟踪，与SE-3太阳能刻蚀机联机调试的成功和计算机仿真均证明了该设计方案的可行性和有效性，具有较高的应用价值。

[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]何振亚，高频阻抗匹配网络设计[M]，北京:人民邮电出版社，1956.

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

[5]张素枝.基于PLC控制技术的电容测试分选机[J].电子工业专用设备.2009，10(177):46-4