C8051F500 微波电源控制器的研制

微波等离子体技术具有极其广阔的应用领域，如等离子体增强化学气相沉积、等离子体表面处理以
及等离子体刻蚀等。微波电源作为微波等离子体设备的核心，是激发与维持微波等离子体的动力。它
的输出功率直接决定了等离子体的各项参数，影响到工艺效果。所以，为了取得良好的工艺效果与稳定性，需要设计控制器保证微波电源稳定可靠的工作。鉴于此，本文基于嵌入式技术，以 C8051F500 为控制核心，引入数字化与光信号化的测控电路设计微波电源控制器，该控制器包括供电电源部分与测控部分，通过优化的硬件电路，辅以合适的抗干扰措施，保证了微波电源在控制器作用下可靠工作。

   1 .总体结构

   微波电源控制器包括远程控制与手操器控制两种模式: 手操器模式下借助微波电源面板旋钮调节电源，该模式用于突发状况、远控失效时使用，确保设备的可操作性; 远程模式下通过上位机调节电源，该模式是微波电源的工作模式。微波电源控制器结构如图 1 所示。硬件资源包括: ① 两路隔离的模拟量采样电路; ② 一路隔离的模拟量输出; ③ 一路继电器输出; ④ 一路隔离的 CAN 接口 ( 考虑到未来接入到其他低温等离子设备系统) ; ⑤ 一路模式切换电路; ⑥ 一路微波电源工作状态反馈电路; ⑦ 一 个Ｒ232 /ＲS485 接 口 ( 上 位 机 控 制 接口) ; ⑧ 供电电路等。

   2 硬件设计

   2. 1 供电电路

   微波电源控制器需要 3 部分隔离供电: CAN 接口供电、C8051F500 及其外围电路供电，光耦隔离另一端电路供电; 为了保证 CAN 接口可靠性，该部分单独提供，不从供电电路取电; 微波电源整流桥输出提供了 + 12 V、 － 6 V 和 + 5 V 三路电源，其中 + 12 V 与 － 6 V 为光耦隔离另一端电路供电。供电电路主要提供给 C8051F500 及其外围电路，如图 2 所示。关键在于变压器的设计，需要考虑裕量问题，计算所有器件工作时消耗的总功率，再按照 1. 5 倍 ～ 2 倍选择变压器和电源转换器的功率。单片机及相关运放电路功耗如下: ( 1) C8051F500 典型功耗 18. 5 mA，即 0. 093 W; ( 2) max232 功耗最大 842 mW; ( 3) TLP521 － 1 功耗 0. 3 W，3 个总共 0. 9 W; ( 4) 运放功耗最大 525 mW，6 个总共 3. 15 W; ( 5) max5481最大功耗 727 mW; ( 6) JＲC21F005 功耗 0. 2 W ～ 0. 45 W; ( 7) HCN201 最大功耗 700 mW; ( 8) 高速光隔 PS1921: 0. 06 W 全部工作时最大功耗 6 292 mW，这是极限值。其中 1、2、3、5、6、8 部分是 5 V 供电，功耗 3 072 mW; 4、7 部分是 15 V 供电，功耗3 850 mW。VCC 提供给单片机及相关 IC 芯片，功耗3 072 mW，保留一定余量，取 4 W，再加上 7805 上损耗的压降，总功率约 6. 4 W，第一路 7 W 的功率是完全足够了; － 15V' ～ + 15V'提供给外围运放电路，总功耗 3 850 mW，保留一定余量，取 5 W，再加上 7815 上的压降损耗，总功率约需 6 W; 因为增加了一路微波电源供电输出信号，需要单独提供一个直流电压值控制固态继电器 通 断，在电路中增加隔离的 DC /DC ( DCP021515 ) ，产 生 一 路 与 VCC、GND， + 15V'、－ 15V'隔离的直流电压 15 V、15 VGND，通过它来控制固态继电器通断达到控制微波电源启停的效果，加上这部分功率，第二路 8 W 就可以满足功率需求。

    2. 2 模拟量采样

   需要采样微波电源实时输出的电压与电流: + VF 与 + IF。 + VF 代表实时输出电压采样信号，它由－ VF反向 1 倍放大得到的，而 － VF是负高压 HIV 经过 ＲＲ10、ＲＲ9 分压得到的，如图 3 所示。 － VF = HIV × ＲＲ10 / ( ＲＲ10 + ＲＲ9) 。 + IF 代表实时输出电流采样信号是电阻 ＲＲ8 两端的压降 ( 对 GNDA) ，可以根据电阻 ＲＲ8 估算 + IF 的最大值: 由 P = ( U^2) /Ｒ 得到 U = sqr( P × Ｒ) 。

   针对上述需求，设计两路隔离的模拟量采样电路实时采样微波电源输出值，组成框图如图 4 所示。以电流采样信号 + IF 为例， + IF 最大值约 10 V，增加电压跟随器，能够起到较好的隔离效果，同时提高输入阻抗，减小负载效应。由于运放采用非对称供电方式 ，使得运放输入输出电压的范围也是非对称的，在 +12 V、 －6 V 非对称供电情况下，OPA277 的输入电压范围 － 4 V ～ 10 V，输出电压范围 － 4. 5 V ～ 10. 5 V，满足 + IF 范围，C8051F500 内部自带 AD 采样电压最大 2. 2 V，结合光隔的性能参数，通过分压电阻将 + IF 分压到 5 V 左右采样效果较好，考虑到负载效应，后面再接一个电压跟随，降低后端电路对前端电路的影响。

   + VF 与 + IF 是来自外界的采样信号，其中容易混杂干扰信号。为了防止干扰信号干扰内部数字采样系统，借助光电隔离，基于光电耦合器件断开输入地与输出地，切断干扰回路，实现对外界干扰信号的抑制。电路如图 5 所示。HCNＲ201 光电耦合器是单发双收型结构，由一个发光二极管 ( LED) 与两个光电二极管 ( PD1，PD2) 组成。其中 PD1 起反馈作用，PD2 起输出作用。当有电流流过 LED 时，该电流称为驱动电流 ( IF ) ，LED 发光，PD1 与 PD2 接收光信号。其中 PD1 吸收一部分光信号，产生控制电流 IPD1，用于调节 IF以补偿 LED 的非线性。PD2 输出电流 IPD2，大小与 LED 发出的光信号成线性关系:，K 的典型值为 1。图 5 中的 Q8、Ｒ21、Ｒ22、Ｒ23、Ｒ28构成 LED 驱动电路，为了防止过大的反向电压对光电耦合器造成损坏，增加了 D14。

   输入输出比例关系由上述电阻值决定。因此，该隔离电路的电压增益只与电阻 ( Ｒ25 + Ｒ26 ) 、Ｒ24 有关，与光耦的电流传输特性无关，从而实现电压信号的光电隔离，提高了系统可靠性。

   2. 3 模式切换启停控制与状态反馈

   微波电源面板提供了手操器旋钮，为了应对调试故障等各种情况，微波电源应具备远控与手操器两种控制模式，其中远控模式借助上位机实现。电路如图 6 所示，the Voltage of the Digital Potentiometer 是由上位机控制的数字电位器输出信号，the Voltage of the Handed Potentiometer 是微波电源面板手操器旋钮输出的信号。P4. 1 引脚输出选择工作模式。当 P4. 1 输出低电平，三极管 Q3 处于截止状态，继电器没有发生切换，此时是手操器模式，微波电源输出控制信号来自 the Voltage of the Handed Potentiometer; 当 P4. 1 输出高电平，三极管 Q3 处于饱和导通状态，继电器发生切换，此时是远控模式，微波电源输出控制信号来自 the Voltage of the Digital Potentiometer，实现了两种控制模式的切换。

  微波电源由 220 V 交流电供电，为了实现可控工作，在供电输入端安装固态继电器。如图 7 所示。启动微波电源，P2. 0 输出低电平，光耦 1、 2 引脚发光，3、4 号引脚导通，P4 输出电压控制固态继电器导通，微波电源启动。电源启动后，整流桥输出 12 V 电压使得光耦 1、2 引脚发光， 3、4 号引脚导通，状态 指 示 Ｒeady 被拉低，通过该信号即可判断微波电源的工作状态。反之，停止微波电源，P2. 0 输出高电平，固态继电器不导通，微波电源停止，此时状态指示 Ｒeady 是高电平。

   2. 4 CAN 总线接口

   考虑到设备的应用拓展性，预留 CAN 总线接口用于连接其他等离子体设备系统，如图 8 所示。CAN 总线接口电路包括 CAN 的总线收发器与隔离电路等，总线收发器主要完成 CAN 的协议通信，提供高速与静音两种模式。根据其 S 引脚的电平进行判断: S 取高电平表示静音模式，此时可以避免因 CAN 控制器的故障导致的网络通信异常; S 取低电平表示高速模式，若 S 引脚没有电气连接，默认是高速模式。隔离电路用于提高电路的可靠性与抗干扰性，避免连接设备的相互影响。