一种真空镀膜脉冲偏压膜电源的电弧检测器

摘要

本发明属于自动控制技术和电力电子技术领域，具体涉及一种真空镀膜脉冲偏压膜电源的电弧检测器。当电源输出高频脉冲时，该电弧检测器通过不断采样电源输出脉冲占空比内的电感电流值，并计算出电感电流变化斜率，这样在电弧产生的初期，电弧电流开始爬升，该控制器就已侦测到电弧，然后迅速的关断电源的输出能量，减小电弧能量。由于该电弧检测器采用直接采样电感电流并快速计算电流变化率的方法，能在电弧电流爬升的初期检测到电弧的发生，能更快的关断电源输出，从而能更有效的抑制住电弧能量并灭掉电弧，提高了镀膜质量、产品成品率和生产效率。

说明书

技术领域

本发明属于自动控制技术和电力电子技术领域，具体涉及一种真空镀膜脉冲偏压膜电源的电弧检测器。

背景技术

真空镀膜技术领域大量需要脉冲偏压沉积薄膜技术，真空镀膜用脉冲偏压电源的负载为等离子体，这种负载极易产生电弧现象，电弧对镀膜工艺产生有负面的影响，影响镀膜质量，甚至打坏工件。传统的电弧判断方法是检测电弧电流或电弧电压来判断负载产生电弧现象，电弧电流判断阀值设定的愈低，则能愈早判断出电弧，另外，电弧电压判断阀值设定的愈高，则能愈早判断出电弧。但等离子体负载并不稳定，电源输出电流有波动，因此，又不能把阀值设置太低，否则误判电弧，保护过于灵敏，真空镀膜工艺不能正常进行。对于同一种真空镀膜用脉冲偏压电源的使用，不同镀膜工艺和同一种镀膜工艺的不同工艺段，脉冲偏压电源的输出电流不同，所以根据电弧电流判断阀值来检测电弧发生的过程存在很大的问题：要求工作人员根据不同工艺阶段负载电流的大小来改变电弧电流判断阀值的设定值，但电弧电流判断阀值设定的比较高的情况下，当电源负载拉弧时，电弧电流爬升到电弧电流判断阀值才能检测到电弧，电弧电流的峰值就比较大，电弧能量就高，将损伤镀膜工件，对镀膜工艺质量将会产生致命的影响。另外，不同镀膜工艺和同一种镀膜工艺的不同工艺段，偏压电源的输出电压不同，电弧电压判断阀值设定也要跟随着变化，使镀膜时对偏压电源的操作复杂。由于电源与负载之间的引线和负载存在感性和容性分布参数，脉冲偏压电源输出的脉冲前沿有振荡，电弧电压判断阀值设定高了，检测过于灵敏误判为电弧，电源误关断输出，影响镀膜工艺。电弧电压判断阀值设定过低了，低于弧压，又检测不到电弧。脉冲偏压电源输出几十伏的低压沉积薄膜时，镀膜电压与弧压接近，电弧电压判断阀值与前两者之间都比较靠近，镀膜电压、电弧电压判断阀值和弧压区分边界不明显，采用电弧电压判断电弧的方法这时也不能准确的判断出电弧。一台具有快速、准确检测电弧和不需要人为干预电源电弧管理措施的真空镀膜电源对镀膜工艺有着至关重要的影响。另外，为了减少电弧放电的不利影响，希望在电弧电流爬升的初期就能自动的判断出电弧，以便尽早的关断电源输出能量，减轻已发生的电弧的危害。

发明内容

本发明的目的在于提供一种真空镀膜脉冲偏压电源的电弧检测器，当电源输出高频脉冲时，该电弧检测器通过不断采样电源输出脉冲占空比内的电感电流值，并计算出电感电流变化斜率，这样在电弧产生的初期，电弧电流开始爬升，该控制器就已侦测到电弧，然后迅速的关断电源的输出能量，减小电弧能量。

本发明的技术方案如下：

一种真空镀膜脉冲偏压膜电源的电弧检测器，包括电弧抑制电路、电流互感器LEM、ADC采用电路和可编程逻辑器件，可编程逻辑器件的内部电路包括多脉冲使能电路、第一寄存器、第二寄存器、减法器、除法器、斜率比较电路、PWM脉冲形成电路和SPI串口寄存器；

电弧抑制电路连接到脉冲电源的输出高压脉冲形成单元正向输出端，电弧抑制电路的电感用于抑制电弧电流的最大上升率；

电流互感器LEM套在电弧抑制电路的电感的一端输出线上，用于感应出电感电流的大小，将电感电流转换为隔离后的电压弱电信号；

可编程逻辑器件控制ADC采样电路在电源PWM脉冲驱动信号的占空比时间内采样电流互感器LEM输出的电压信号，并计算出电流的适时斜率，将该适时斜率与电流斜率预设阈值做比较，判断出负载是否产生了电弧，如果产生了电弧就封锁电源PWM脉冲驱动信号，以关断电源的输出高压脉冲形成单元的强电输出脉冲；

电弧抑制电路由一个电感L和至少一只二极管D并联组成，脉冲电源的输出高压脉冲形成单元的正向输出端连接到二极管组件的阴极，二极管的阳极连接到等离子体负载的一端；

电流互感器LEM套在电弧抑制电路的电感的一端输出线上，电流互感器LEM的取样信号输出端并接取样电阻，将电感电流转换为隔离后的电压信号；

电流互感器LEM的输出电阻取样信号连接到ADC采样电路的模拟信号输入端，ADC采样电路可适时采样电流互感器LEM的输出电阻取样信号；

ADC采样电路的并行数据输出信号端口Data、采样使能输入信号端口EN1、片选输入信号端口CS和读数据输入信号端口RD分别连接到可编程逻辑器件的I/O端口，使可编程逻辑器件适时控制ADC采用电路对模拟输入信号进行采样和采样数据读取；

可编程逻辑器件输出I/O端口连接到驱动隔离电路的输入端，驱动隔离电路的输出端连接到脉冲电源的输出高压脉冲形成单元的控制输入端，实现对电源输出脉冲的驱动和封锁控制；

可编程逻辑器件的内部电路包括多脉冲使能电路、两个串联的先进先出寄存器、减法器、除法器、斜率比较电路、PWM脉冲形成电路、和SPI串口寄存器。

一种真空镀膜脉冲偏压膜电源的电弧检测器，所述可编程逻辑器件内部的PWM脉冲形成电路输出脉冲电源的输出高压脉冲形成单元的开关管的驱动信号，该驱动信号的频率范围为20kHz～100kHz，还要输出脉冲电源的输出高压脉冲形成单元的驱动信号的同步信号；该同步信号的脉冲前沿滞后于高压脉冲形成单元的驱动信号前沿500ns～2us，但后沿同步；该同步信号传给可编程逻辑器件的内部的多脉冲使能电路的一输入端，使多脉冲使能电路启动或停止输出多路使能信号；

所述可编程逻辑器件的内部的多脉冲使能电路还包括输出第一、二、三、四、五、六使能输出信号、片选信号CS和读使能信号RD，分别用于使能控制ADC采用电路、第一寄存器、第二寄存器、减法器、除法器和斜率比较电路；

所述可编程逻辑器件的内部的多脉冲使能电路输出第一使能输出信号EN1到ADC采用电路的采样使能输入信号端，第一使能输出信号EN1的频率为1mHz,占空比为50％，以控制ADC采用电路的采样启动和采样周期，第一使能输出信号EN1的下降沿启动ADC采用电路的采样保持功能；

所述可编程逻辑器件的内部的多脉冲使能电路输出的片选信号CS和读使能信号RD分别传输到ADC采用电路片选输入端CS和读使能输入端RD，片选信号CS和读使能信号RD的下降沿滞后于第一使能输出信号的下降沿50ns。

一种真空镀膜脉冲偏压膜电源的电弧检测器，所述第一寄存器的并行数据输入端连接到ADC采用电路的采样数据并行输出端，第一寄存器的并行数据输出端连接到第二寄存器的并行数据输入端。

一种真空镀膜脉冲偏压膜电源的电弧检测器，所述多脉冲使能电路的第二使能输出信号EN2传输到第一寄存器的移位使能输入端，多脉冲使能电路的第三使能输出信号EN3传输到第二寄存器的移位使能输入端；

第二使能输出信号EN2滞后于读使能信号RD的下降沿30ns，第三使能输出信号EN3的下降沿滞后于读使能信号RD的下降沿20ns，以使第一寄存器的数据并行移位到第二寄存器。

一种真空镀膜脉冲偏压膜电源的电弧检测器，所述减法器的第一数据输入端与第一寄存器的一并行数据输出端连接，减法器的第二数据输入端与第二寄存器的并行数据输出端连接；多脉冲使能电路的第四使能输出信号EN4传输到减法器的使能输入端，第四使能输出信号EN4的下降沿滞后于读使能信号RD的下降沿40ns，该下降沿时，减法器执行第二数据减去第一数据，其差值作为减法器的输出数据；

一种真空镀膜脉冲偏压膜电源的电弧检测器，所述除法器的被除数的并行数据输入端连接到减法器的并行数据输出端，除法器的除数固定为1。多脉冲使能电路的第五使能输出信号EN5传输到除法器的使能输入端，第五使能输出信号EN5的下降沿滞后于读使能信号RD的下降沿50ns，该下降沿使能除法运算，除法器的商就为当前电流变化率，并作为除法器的输出。

一种真空镀膜脉冲偏压膜电源的电弧检测器，所述斜率比较电路的正向并行数据输入端连接到除法器的商的并行数据输出端，斜率比较电路的负向并行数据输入端连接到SPI串口寄存器的并行数据输出端，SPI串口寄存器可修改斜率比较电路的负向并行数据；

多脉冲使能电路的第六使能输出信号EN6传输到斜率比较电路的使能输入端,第六使能输出信号EN6的下降沿滞后于读使能信号RD的下降沿60ns，该下降沿使能斜率比较运算，斜率比较电路的正向并行数据大于斜率比较电路的负向并行数据时，斜率比较电路输出高电平信号，否则输出低电平信号。

一种真空镀膜脉冲偏压膜电源的电弧检测器，所述PWM脉冲形成电路的关断使能输入端连接到斜率比较电路的输出端，PWM脉冲形成电路输出的驱动信号连接到驱动隔离电路的输入端，驱动隔离电路的输出端连接到脉冲电源的输出高压脉冲形成单元的输入端；斜率比较电路输出高电平时，PWM脉冲形成电路输出的驱动信号关断，并在关断保护时间后恢复驱动信号。

一种真空镀膜脉冲偏压膜电源的电弧检测器，所述多脉冲使能电路包括周期脉冲信号发生器、延时电路A、延时电路B、延时电路C、延时电路D、延时电路E和延时电路F；

周期脉冲信号发生器将时钟信号CLOCK进行计数分频，输出第一使能输出信号EN1，SEN为周期脉冲信号发生器的同步信号输入端；

第一使能输出信号EN1连接到延时电路A的输入端，延时电路A输出片选信号CS和读使能信号RD；

读使能信号RD连接到延时电路B的输入端，延时电路B输出第三使能输出信号EN3；

第三使能输出信号EN3连接到延时电路C的输入端，延时电路C输出第二使能输出信号EN2；

第二使能输出信号EN2连接到延时电路D的输入端，延时电路D输出第四使能输出信号EN4；

第四使能输出信号EN4连接到延时电路E的输入端，延时电路E输出第五使能输出信号EN5；

第五使能输出信号EN5连接到延时电路F的输入端，延时电路F输出第六使能输出信号EN6。

本发明的有益效果在于：

由于该电弧检测器采用直接采样电感电流并快速计算电流变化率的方法，能在电弧电流爬升的初期检测到电弧的发生，能更快的关断电源输出，从而能更有效的抑制住电弧能量并灭掉电弧，提高了镀膜质量、产品成品率和生产效率。

又由于采用传统的电弧电流判断法和电弧电压判断法检测电弧时，使用者要先评估不同镀膜工艺下负载电流和弧压的适时值，然后适当的设定电弧电流判断的阀值和电弧电压判断法的阀值，阀值设置不合理会造成电弧能量过大或者电源误判电弧产生而频繁关断电源输出，使镀膜工艺质量无法保证。然而采用直接检测电感电流变化率的方法，无需人为的频繁的去设定电弧电流判断的阀值和电弧电压判断法的阀值，提高生产效率；可以克服因人为设定电弧判断阈值设置不准确而导致的电弧检测准确性不高的问题和电弧检测时间不确定的问题。

附图说明

图1为本发明的硬件系统结构框图；

图2为本发明的多脉冲使能电路原理图。

图中：101、等离子体负载；102、脉冲电源的输出高压脉冲形成单元；103、ADC采用电路；104、驱动隔离电路；105、第一寄存器；106、第二寄存器；107、减法器；108、除法器；109、SPI串口寄存器；110、斜率比较电路；111、PWM脉冲形成电路；112、多脉冲使能电路；113、可编程逻辑器件；

201、周期脉冲信号发生器；202、延时电路A；203、延时电路B；204、延时电路C；205、延时电路D；206、延时电路E；207、延时电路F。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图1所示，本发明实施例提供一种真空镀膜脉冲偏压电源的电弧检测器，包括电弧抑制电路、电流互感器LEM、ADC采用电路103和可编程逻辑器件113，可编程逻辑器件113的内部电路包括多脉冲使能电路112、第一寄存器105、第二寄存器106、减法器107、除法器108、斜率比较电路110、PWM脉冲形成电路111和SPI串口寄存器109。

其中，电弧抑制电路连接到脉冲电源的输出高压脉冲形成单元102正向输出端，电弧抑制电路的电感用于抑制电弧电流的最大上升率。电流互感器LEM套在电弧抑制电路的电感的一端输出线上，用于感应出电感电流的大小，将电感电流转换为隔离后的电压弱电信号。可编程逻辑器件113控制ADC采样电路103在电源PWM脉冲驱动信号的占空比时间内采样电流互感器LEM输出的电压信号，并计算出电流的适时斜率，将该适时斜率与电流斜率预设阈值做比较，判断出负载是否产生了电弧，如果产生了电弧就封锁电源PWM脉冲驱动信号，以关断电源的输出高压脉冲形成单元的强电输出脉冲。

电弧抑制电路由一个电感L和至少一只二极管D并联组成。脉冲电源的输出高压脉冲形成单元102的正向输出端连接到二极管组件的阴极，二极管的阳极连接到等离子体负载101的一端。

电流互感器LEM套在电弧抑制电路的电感的一端输出线上，电流互感器LEM的取样信号输出端并接取样电阻，将电感电流转换为隔离后的电压信号。

电流互感器LEM的输出电阻取样信号连接到ADC采样电路103的模拟信号输入端，ADC采样电路103可适时采样电流互感器LEM的输出电阻取样信号。

ADC采样电路103的并行数据输出信号端口Data、采样使能输入信号端口EN1、片选输入信号端口CS和读数据输入信号端口RD分别连接到可编程逻辑器件113的I/O端口，使可编程逻辑器件113适时控制ADC采用电路103对模拟输入信号进行采样和采样数据读取。

可编程逻辑器件113输出I/O端口连接到驱动隔离电路104的输入端，驱动隔离电路104的输出端连接到脉冲电源的输出高压脉冲形成单元102的控制输入端，实现对电源输出脉冲的驱动和封锁控制。

可编程逻辑器件113的内部电路包括多脉冲使能电路112、两个串联的先进先出寄存器105、106、减法器107、除法器108、斜率比较电路110、PWM脉冲形成电路111、和SPI串口寄存器109。

可编程逻辑器件113内部的PWM脉冲形成电路111输出脉冲电源的输出高压脉冲形成单元102的开关管的驱动信号，该驱动信号的频率范围为20kHz～100kHz，还要输出脉冲电源的输出高压脉冲形成单元102的驱动信号的同步信号。该同步信号的脉冲前沿滞后于高压脉冲形成单元的驱动信号前沿500ns～2us，但后沿同步。该同步信号传给可编程逻辑器件113的内部的多脉冲使能电路112的一输入端，使多脉冲使能电路112启动或停止输出多路使能信号。

可编程逻辑器件113的内部的多脉冲使能电路112还包括输出第一、二、三、四、五、六使能输出信号EN1、EN2、EN3、EN4、EN5、EN6、片选信号CS和读使能信号RD，分别用于使能控制ADC采用电路103、第一寄存器105、第二寄存器106、减法器107、除法器108和斜率比较电路110。

可编程逻辑器件113的内部的多脉冲使能电路112输出第一使能输出信号EN1到ADC采用电路103的采样使能输入信号端，第一使能输出信号EN1的频率为1mHz,占空比为50％，以控制ADC采用电路103的采样启动和采样周期，第一使能输出信号EN1的下降沿启动ADC采用电路103的采样保持功能。

可编程逻辑器件113的内部的多脉冲使能电路112输出的片选信号CS和读使能信号RD分别传输到ADC采用电路103片选输入端CS和读使能输入端RD，片选信号CS和读使能信号RD的下降沿滞后于第一使能输出信号的下降沿50ns。

第一寄存器105的并行数据输入端连接到ADC采用电路103的采样数据并行输出端，第一寄存器105的并行数据输出端连接到第二寄存器106的并行数据输入端。

多脉冲使能电路112的第二使能输出信号EN2传输到第一寄存器105的移位使能输入端，多脉冲使能电路112的第三使能输出信号EN3传输到第二寄存器106的移位使能输入端。第二使能输出信号EN2滞后于读使能信号RD的下降沿30ns，第三使能输出信号EN3的下降沿滞后于读使能信号RD的下降沿20ns，以使第一寄存器105的数据并行移位到第二寄存器106。

减法器107的第一数据输入端与第一寄存器105的一并行数据输出端连接，减法器107的第二数据输入端与第二寄存器106的并行数据输出端连接。多脉冲使能电路112的第四使能输出信号EN4传输到减法器107的使能输入端，第四使能输出信号EN4的下降沿滞后于读使能信号RD的下降沿40ns，该下降沿时，减法器107执行第二数据减去第一数据，其差值作为减法器107的输出数据。

除法器108的被除数的并行数据输入端连接到减法器107的并行数据输出端，除法器108的除数固定为1。多脉冲使能电路112的第五使能输出信号EN5传输到除法器108的使能输入端，第五使能输出信号EN5的下降沿滞后于读使能信号RD的下降沿50ns，该下降沿使能除法运算，除法器108的商就为当前电流变化率，并作为除法器108的输出。

斜率比较电路110的正向并行数据输入端连接到除法器108的商的并行数据输出端，斜率比较电路110的负向并行数据输入端连接到SPI串口寄存器109的并行数据输出端，SPI串口寄存器109可修改斜率比较电路110的负向并行数据。

多脉冲使能电路112的第六使能输出信号EN6传输到斜率比较电路110的使能输入端,第六使能输出信号EN6的下降沿滞后于读使能信号RD的下降沿60ns，该下降沿使能斜率比较运算，斜率比较电路110的正向并行数据大于斜率比较电路110的负向并行数据时，斜率比较电路110输出高电平信号，否则输出低电平信号。

PWM脉冲形成电路111的关断使能输入端连接到斜率比较电路110的输出端，PWM脉冲形成电路111输出的驱动信号连接到驱动隔离电路104的输入端，驱动隔离电路104的输出端连接到脉冲电源的输出高压脉冲形成单元102的输入端。斜率比较电路110输出高电平时，PWM脉冲形成电路111输出的驱动信号关断，并在关断保护时间后恢复驱动信号。

多脉冲使能电路112包括周期脉冲信号发生器201、延时电路A202、延时电路B203、延时电路C204、延时电路D205、延时电路E206和延时电路F207。

周期脉冲信号发生器201将时钟信号CLOCK进行计数分频，输出第一使能输出信号EN1，SEN为周期脉冲信号发生器201的同步信号输入端。

第一使能输出信号EN1连接到延时电路A202的输入端，延时电路A202输出片选信号CS和读使能信号RD。

读使能信号RD连接到延时电路B203的输入端，延时电路B203输出第三使能输出信号EN3。

第三使能输出信号EN3连接到延时电路C204的输入端，延时电路C204输出第二使能输出信号EN2。

第二使能输出信号EN2连接到延时电路D205的输入端，延时电路D205输出第四使能输出信号EN4。

第四使能输出信号EN4连接到延时电路E206的输入端，延时电路E206输出第五使能输出信号EN5。

第五使能输出信号EN5连接到延时电路F207的输入端，延时电路F207输出第六使能输出信号EN6。