TWI902781B - 具有電力回收之輸入阻抗網路 - Google Patents

Abstract

本發明揭示輸入阻抗網路及相關聯方法。一種輸入阻抗網路包含：一電源端子對，其經組態以耦合至一電源；一經回收電力端子對，其經組態以耦合至一電槽；一傳輸線，其耦合至該電源端子對，該傳輸線包含 M個區段；及 N個箝位電路。該 N個箝位電路中之每一者經組態以對該 M個區段中之一者中的電壓或電流中之至少一者進行箝位，且一電力回收電路耦合至該 N個箝位電路，以使經回收能量能夠施加至該經回收電力端子對。

Description

具有電力回收之輸入阻抗網路

本發明所揭示之具體實例大體上係關於電力，且更具體言之，係關於輸入阻抗網路。

根據35 U.S.C.§119之優先權主張

本專利申請案主張2020年4月13日申請之名為「具有電力回收之輸入阻抗網路(Input Impedance Network with Power Recovery)」之臨時申請案第63/009,049號的優先權，且該臨時申請案讓渡給其受讓人並特此以引用之方式明確地併入本文中。

設計電源以將電力遞送至已知負載(例如50Ω)中係相對容易的。在電漿負載之背景中，電漿負載阻抗可基於外加電力、氣體性質等而改變。因此，將電力施加至電漿負載(例如以點燃並維持電漿)之發電機(例如RF發電機)需要將電力遞送至不同阻抗中。

另外，因為歸因於進入電漿系統之電力改變而改變電漿阻抗，所以可導致發電機-電漿系統不穩定性。此外，由其他來源對電漿負載進行之調變會造成大量電力反射回於發電機處。此導致發電機必須被顯著地餘裕設計以處理此問題。

一態樣可被特徵界定為一種輸入阻抗網路，其包含：一電源端子對，其經組態以耦合至一電源；一經回收電力端子對，其經組態以耦合至一電槽；一傳輸線，其耦合至該電源端子對，該傳輸線包含M個區段；及N個箝位電路，其經組態以對該M個區段中之一者中的電壓或電流中之至少一者進行箝位。該輸入阻抗網路亦包含耦合至該N個箝位電路之一電力回收電路，該電力回收電路使用自該些箝位電路回收之能量以將電力施加至該經回收電力端子對。

另一態樣可被特徵界定為一種電力系統，其包含一電源及耦合至該電源之一輸入阻抗網路。該輸入阻抗網路包含：一傳輸線，其包含M個區段；及一分佈式箝位電路，其經組態以對該M個區段中之N者中的電壓或電流中之至少一者進行箝位。該電力系統亦包括一電力回收電路以使用自該分佈式箝位電路回收之能量而將電力施加至一電槽。

又一態樣可被特徵界定為一種電力系統，其包含一電源及耦合至該電源之一輸入阻抗網路。該輸入阻抗網路包含：用於向該電源提供一實質上恆定阻抗之構件；及一電力回收電路，其耦合至該電源以使用自該用於提供一實質上恆定阻抗之構件回收之能量而將電力施加至一電槽。

100:低損耗輸入阻抗網路

1000:低損耗輸入阻抗網路

1008:負載端子對

102:電源端子對

104:電源

106:經回收電力端子對

108:負載端子對

110:負載

112:匹配網路

114:電漿腔室

116:電漿

1412:顯示器

1420:非揮發性記憶體

1422:匯流排

1424:隨機存取記憶體

1426:處理部分

1427:場可程式閘陣列

1428:收發器組件

200:低損耗輸入阻抗網路

204:發電機

210:負載

220:反相器

300:低損耗輸入阻抗網路

304:發電機

326:直流(DC)匯流排

328:直流(DC)供應器

330:RF功率放大器/功率放大器

400:低損耗輸入阻抗網路

402:電源端子對

406:經回收電力端子對

408:負載端子對

432:電壓箝位電路/箝位電路

434:電流箝位電路/箝位電路

440:電流振幅量測電路

442:電壓振幅量測電路

444:電力回收電路

540:電流振幅量測電路

542:電壓振幅量測電路

700:低損耗輸入阻抗網路

732:電壓箝位電路

734:電流箝位電路

800:低損耗輸入阻抗網路

802:電源端子對

804:循環器

806:經回收電力端子對

900:低損耗輸入阻抗網路

B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8:電源

BI2、BI3、BI4、BI5、BI6、BI7、BI8、BI9:電源

D1、D2、D3、D4:二極體

D9、D10、D11、D12:頂部二極體

D17、D18、D19、D20:底部二極體

Isense:所感測電流

L1、L2、L3、L4:電感器

t_d1、t_d2、t_dM:電延遲

V1:電源

Vsense:電位差

Z₀₁、Z₀₂、Z_0M:特性阻抗

[圖1A]為描繪包括輸入阻抗網路之電力系統的方塊圖；[圖1B]為描繪電力系統的方塊圖，其中圖1A中所描繪之負載包含匹配網路及在電漿腔室中之電漿；[圖2]為描繪一系統的方塊圖，其中輸入阻抗網路回收電力且將電力經由反相器施加至發電機；[圖3]為描繪一系統的方塊圖，其中輸入阻抗網路回收電力且將 電力施加至發電機之DC匯流排。

[圖4]為描繪輸入阻抗網路之實例的圖解；[圖5]為描繪電流振幅量測電路之實例的示意圖；[圖6]為描繪電壓振幅量測電路之實例的示意圖；[圖7]為描繪輸入阻抗電路之態樣的示意圖；[圖8]為描繪包含結合循環器而耦合利用之輸入阻抗網路之系統的圖解；[圖9]為描繪包含結合循環器而利用之輸入阻抗網路之另一系統的圖解；[圖10]為描繪另一輸入阻抗網路的示意圖；[圖11A至圖11F]為描繪輸入阻抗網路之另一實例的示意圖；[圖12]為描繪具有電阻性負載的圖11之電路之操作態樣的史密斯圖及圖形，對於該些電阻性負載，負載電阻小於集總元件等效傳輸線區段之特性阻抗之實部；[圖13]為描繪具有電阻性負載的圖11中之電路之操作態樣的史密斯圖及圖形，對於該些電阻性負載，負載電阻大於集總元件等效傳輸線區段之特性阻抗之實部；[圖14]為描繪具有電抗性負載的圖11中之電路之操作態樣的史密斯圖及圖形，對於該些電抗性負載，負載電抗為正；[圖15]為描繪具有電抗性負載的圖11中之電路之操作態樣的史密斯圖及圖形，對於該些電抗性負載，負載電抗為負；[圖16]為描繪具有電阻性負載的圖11中之電路之操作態樣的史密斯圖及圖形，對於該些電阻性負載，針對用於電壓及電流箝位之兩個不同位準，負載電阻小於集總元件等效傳輸線區段之特性阻抗之實部； [圖17]為描繪具有電阻性負載的圖11中之電路之操作態樣的史密斯圖及圖形，對於該些電阻性負載，針對用於電壓及電流箝位之兩個不同位準，負載電阻大於集總元件等效傳輸線區段之特性阻抗之實部；[圖18]為描繪具有電抗性負載的圖11中之電路之操作態樣的史密斯圖及圖形，對於該些電抗性負載，針對用於電壓及電流箝位之兩個不同位準，負載電抗為正；[圖19]為描繪具有電抗性負載的圖11中之電路之操作態樣的史密斯圖及圖形，對於該些電抗性負載，針對用於電壓及電流箝位之兩個不同位準，負載電抗為負；[圖20A及圖20B]為描繪電力回收電路之實例的示意圖；[圖21]包括描繪當待箝位電壓小於箝位電壓時圖20之電力回收電路之功率、電壓及電流的圖形；[圖22]包括描繪當待箝位電壓大於箝位電壓時圖20之電力回收電路之功率、電壓及電流的圖形；[圖23A及圖23B]為描繪電力回收電路之另一實例的示意圖；[圖24]包括描繪當待箝位電流小於箝位電流時圖23之電力回收電路之功率、電壓及電流的圖形；[圖25]包括描繪當待箝位電流大於箝位電流時圖23之電力回收電路之功率、電壓及電流的圖形；且[圖26]為描繪可結合本文中所揭示之具體實例而利用之計算組件之實例的方塊圖。

藉由將循環器置放於發電機與電漿之間，可解決或顯著地減少上 文所列出之所有問題。然而，處於低頻率(例如低於60MHz)之循環器係龐大的、昂貴的且通常難以構造。另外，當使用循環器時，所反射電力典型地作為熱而在傾卸負載中耗散。

勞倫茲互易表明，為了構造具有循環器之性質的電路，需要非等向性介質(諸如經受直流(DC)磁場或電漿之鐵氧體)，需要非線性組件，及/或需要時變組件。

已提出具有類循環器性質的完全由等向性介質構成(且因此含有非線性或時變組件)之各種電路，但此等電路不適合於低頻率高電力應用，在該些應用中，大量入射電力自負載反射回。

在本文中所描述之許多電路變化當中，本揭示內容描述一類具有類循環器性質之電路，其中電源看見幾乎恆定阻抗，而不管負載阻抗，且其中回收遞送至電路而未遞送至負載之實質上所有電力。本揭示內容中之詞語「例示性」在本文中用於意謂「充當實例、例項或說明」。本文中被描述為「例示性」之任何具體實例未必被認作比其他具體實例較佳或有利。

為了更好地理解本文中所描述之各種電路，有幫助的是理解用傳輸線將來自電源之電力耦合至負載的問題。若傳輸線為連接於RF電力源與負載之間的無損傳輸線(或其集總元件等效物)，且若負載阻抗與傳輸線之特性阻抗匹配，則沿著線之電壓及電流之振幅係恆定的。但若負載阻抗不同於傳輸線之特性阻抗，則駐波沿著傳輸線之長度形成且電壓及電流之振幅沿著傳輸線之長度改變。

申請人已發現，若長度為四分之一波長(在外加電力之頻率下)之傳輸線被劃分成區段，分佈式電壓箝位電路在每一區段之界面處包括將峰值電壓量值箝位至在傳輸線之電源側處產生之電壓之振幅的電壓箝，則基本上解決了上文所描述之問題之一部分--其限制條件為使用足夠數目個區段。更具 體言之，若負載阻抗係電阻性的且大於傳輸線之特性阻抗之實部，則此類分佈式電壓箝位電路向發電機提供幾乎恆定阻抗。(有損傳輸線之特性阻抗可為複數的，但對於低損耗傳輸線，實部通常顯著地大於虛部之量值且虛部通常可被忽略。)在此情況下自電壓箝獲取之電力實質上等於由電源供應而未遞送至負載之電力之部分，因此，在此意義上，分佈式電壓箝位電路係實質上無損的。若傳輸線在例如負載側上開路，則分佈式電壓箝位電路可向電源提供實質上等於傳輸線之特性阻抗的阻抗。類似地，若負載係電阻性的且小於傳輸線之特性阻抗之實部，則長度為半波長之傳輸線向發電機提供幾乎恆定阻抗。若長度為半波長之線在例如負載側上短路，則分佈式電壓箝位電路可向電源提供實質上等於傳輸線之特性阻抗的阻抗。

然而，若例如線之長度為四分之一波長，負載係電阻性的且負載電阻小於傳輸線之特性阻抗之實部，則分佈式電壓箝位電路停止以相同方式起作用。更具體言之，電壓振幅將在電源處最大，且在沿著傳輸線之其他處較小。在此情況下，上文所描述之分佈式電壓箝位電路實質上不起任何作用，且由電源所見之阻抗等於由傳輸線變換之負載阻抗。類似地，若負載係電阻性的且負載電阻大於傳輸線之特性阻抗之實部，則長度為半波長之電壓箝位傳輸線未能向電源提供實質上恆定阻抗。在此情況下，電壓在傳輸線之電源及負載端處最高，且電壓箝位電路實質上不起任何作用。

繼續負載係電阻性的且負載電阻小於傳輸線之特性阻抗之實部的長度為四分之一波長之傳輸線的情況，電流在傳輸線之電源端處最小且在沿著傳輸線之長度之其他處較高。在此情況下，可藉由將沿著線之長度之電流限於線之電源側處之電流來抑制沿著線之長度之駐波。舉例而言，傳輸線可被劃分成區段，且可使用在每一區段之界面處包括電流箝之分佈式電流箝位電路。每一電流箝可將峰值電流量值箝位至傳輸線之電源側處之電流之振幅。有益 地，在許多實施方案中，不需要在傳輸線之電源端處進行任何操作。

若組合分佈式電壓箝技術及分佈式電流箝技術兩者(通常被稱為分佈式箝位電路)，則電源所見之阻抗可限於自線之特性阻抗之極小偏移，而不管負載阻抗。且另外，本文中所揭示之若干箝位電路使由電源遞送而未遞送至負載之任何電力能夠自箝位電路被回收，從而得到實質上無損電路。

除了向RF電力源(例如RF發電機之功率放大器(PA))提供幾乎恆定阻抗以外，隨負載反射係數量值而變(當電源遞送恆定電力時)的遞送至負載之電力之分率非常接近於(1-x)，其中x為負載反射係數量值。對於約0.5之x值，此匹配半導體應用中所使用之工業發電機所需的標準電力概況。對於低x值，至負載之電力立即減小而非保持近似恆定，直至x為約0.2。此可藉由將電壓及電流箝位為稍微高於電路之電源側處之值來矯正，但此確實允許由電源所見之阻抗之更多改變。

本文中所描述之許多而非所有電路變化之態樣為用於提供以下兩者之能力：對電力(例如RF電力)源之實質上恆定阻抗，及針對由電源遞送而未遞送至負載之電力之實質分率之電力回收。在電路由無損組件(例如具有零電壓降之二極體、無損開關及無損被動組件)構成且使用無限數目個傳輸線區段之理想情況下，該些電路實際上係無損的且向電源提供實質上恆定阻抗。在現實世界中，回收由電源遞送而未遞送至負載之電力之實質部分而非全部，且由電源所見之阻抗在負載阻抗改變之情況下稍微改變。在下文中，此處所描述之類型之電路被稱為低損耗輸入阻抗網路(LLIIN)。

首先參考圖1A及圖1B，展示包含可利用LLIIN 100之若干實施方案之電力系統的例示性環境。如所展示，LLIIN 100包括：電源端子對102，其經組態以耦合至電源104；經回收電力端子對106，其經組態以耦合至電槽(圖1A及圖1B中未展示)；及負載端子對108，其可耦合至負載110。應認識到，LLIIN 100 可作為與電源104、負載110及電槽相異的、分離的裝置被製造及銷售。亦經考慮，LLIIN 100可任選地與電源及電槽整合以形成如本文中進一步所論述之單式裝置。如圖1B中所展示，負載110可包括匹配網路112，其耦合至經組態以容納電漿116之電漿腔室114。

LLIIN 100之許多變體操作以向電源104提供幾乎恆定負載阻抗，同時將電力施加至經回收電力端子對106以使能量能夠被回收(例如起作用)，此與作為熱而耗散(例如經由傾卸電阻器)相對。LLIIN 100之一些變體允許由電源104所見之阻抗變化，同時保護電源免於諸如高電壓及/或高電流條件之有破壞性的電力條件，且在此等變體中，亦可回收電力並將其施加至經回收電力端子對106。

LLIIN 100可包括被劃分成M個區段之傳輸線，且分佈式電壓箝位電路及/或分佈式電流箝位電路可對每一區段之界面處之電壓及/或電流進行箝位。在許多實施方案中，傳輸線之全長為施加至傳輸線之電力的四分之一波長或半波長。若電源104能夠提供一系列頻率(且因此提供一系列波長)，則傳輸線之全長可為由電源104施加之電力之最低頻率的至少四分之一波長。傳輸線之劃分之區段可為相等長度，但此並非必需的，且在一些實施方案中，每一區段之長度不相同。

若利用分佈式電壓箝位電路，則在許多實施方案中，可將每一區段處之電壓箝位至由電源施加之電壓。但亦經考慮，可將每一區段處之電壓箝位至固定電壓。若利用分佈式電流箝位電路，則在許多實施方案中，可將每一區段處之電流箝位至由電源提供之電流位準。但亦經考慮，可將每一區段處之電流箝位至固定電流。

電源104通常為可例如由為較大系統之部分的發電機或循環器之隔離埠實現的電源。當由發電機實現時，發電機可能夠施加一系列頻率。在許 多實施方案中，發電機可施加具有大於100kHz之頻率的電力，且在另外其他實施方案中，LLIIN在小於100MHz之頻率下特別有用，其中循環器難以實施。但亦經考慮，可利用在低得多之頻率(諸如5KHz)或高得多之頻率(諸如5GHz)下操作的發電機。

在一些應用中，LLIIN 100根本不耦合至負載(例如藉由在LLIIN內部使負載端子對短路來移除負載端子對)。在諸如參考圖2、圖3及圖4所描述之其他應用中，LLIIN可耦合至固定或動態、非線性負載，例如電漿負載(如圖1B中所展示)。

參考圖2，展示LLIIN 200(其可用於實現LLIIN 100)，其經定位以將來自電源之電力耦合至負載210，其中電源為發電機204。有益地，LLIIN 200亦使能夠以實質上無損方式將電力自發電機204施加至負載210。更具體言之，未有效地施加至負載210的來自發電機204之電力由LLIIN 200回收。在圖2中所描繪之實施方案中，未施加至負載210之電力被回收為施加至反相器220之直流(DC)電力，該反相器又將DC電力轉換成施加至耦合至發電機204之AC輸入之AC幹線的AC電力。在圖2中，反相器220被描繪為分離的組件，但反相器220可被包括為LLIIN 200之部分(例如與LLIIN 200在同一殼體及/或同一電路板內)。

如圖3中所展示，LLIIN 300(其可用於實現LLIIN 100)可經組態以將DC電力施加至DC匯流排326，該DC匯流排將來自DC供應器328(在發電機304內)之DC電力耦合至功率放大器(例如發電機304內之RF功率放大器330)。在操作中，LLIIN 300將經回收電力轉換成橫越DC匯流排326施加之位準。圖3中所描繪之LLIIN 300可與圖2中之LLIIN 200相同，除了由圖2中之LLIIN 200輸出之經回收DC電力無需施加至一DC電壓位準，該DC電壓位準匹配於橫越DC匯流排326施加之電壓位準。在圖2及圖3中所描繪之實施方案中，LLIIN 200、300包括將電源(被實施為發電機)耦合至負載之傳輸線。

參考圖4，展示例示性LLIIN，其可經實施以實現圖2及圖3中所描繪之LLIIN 200、300。如所展示，LLIIN 400包括傳輸線，該傳輸線包括經組態以耦合至電源之電源端子對402，及經組態以耦合至負載之負載端子對408。

如所描繪，傳輸線被分割成M個區段，其中M等於二或更大，且M個區段中之每一者由電壓箝位電路432進行電壓箝位並由電流箝位電路434進行電流箝位。傳輸線由特性阻抗(Z₀₁至Z_0M)及電延遲(t_d1至t_dM)進行特徵界定。電長度與在頻率f下的RF電力之電延遲相關，使得四分之一波長之電長度對應於等於RF電力之週期(1/f)之四分之一的延遲。總體而言，存在M個電壓箝位電路432(形成分佈式電壓箝位電路)及M個電流箝位電路434(形成分佈式電流箝位電路)。在一些應用中，可存在比電流箝位電路更多的電壓箝位電路，或比電壓箝位電路432更多的電流箝位電路434。電流振幅量測電路440沿著發電機側(電源端子對側)上之傳輸線之導體中之一者定位，且電壓振幅量測電路442橫越電源端子對402定位。替代地，電壓及電流之振幅可經由基於耦合器或VI為基礎之量測系統而獲得，而非使用電流振幅量測電路440及電壓振幅量測電路442。在一些應用中，電流箝位電路434將每一區段中之峰值電流量值箝位至等於如由電流振幅量測電路440所量測的傳輸線之發電機側處的電流之振幅，或等於與該振幅成比例之某一值的電流位準。在一些應用中，電壓箝位電路432將每一區段中之峰值電壓量值箝位至等於如由電壓振幅量測電路所量測的傳輸線之發電機側處的電壓之振幅，或等於與該振幅成比例之某一值的電壓位準。傳輸線可為例如同軸傳輸線或等效集總電路之區段。

M個區段中之每一者可為相等長度，使得每一區段之阻抗及延遲可相同。但經考慮，每一區段之阻抗及延遲無需相同。在許多實施方案中，M個區段之總延遲大於或等於發電機之最低頻率之週期的四分之一。

區段中之每一者之長度可經調適以適合於由發電機施加之電力 之頻率。在例示性實施方案中，已發現，八(M=8)個區段產生LLIIN 400之可接受效能，其中每一區段之電延遲等於外加電力之週期的1/32(針對外加電力之週期之四分之一的總延遲)或外加電力之週期的1/16(針對外加電力之週期之一半的總延遲)。所要阻抗可為50歐姆，但經考慮，每一區段可能需要其他阻抗值。

在操作中，電流振幅量測電路440提供指示傳輸線之電源側處之電流位準的輸出，且電壓振幅量測電路442提供指示橫越傳輸線之電源側處之電源端子對之電壓位準的輸出。回應於經量測電流及電壓，電流箝位電路434中之每一者可經控制以將M個區段之間的界面處之電流位準箝位至傳輸線之電源側處之電流位準，且電壓箝位電路432中之每一者可經控制以將橫越M個區段中之每一者之電壓位準箝位至橫越傳輸線之電源側處之電源端子對402之電壓位準。

當以此方式操作時，LLIIN 400將發電機所見之阻抗限於自傳輸線之特性阻抗之極小偏移，而不管負載阻抗，且此外，可用電力回收電路444自箝位電路432、434回收由發電機遞送而未遞送至負載之電力。電力回收電路444耦合至M個箝位電路，且電力回收電路444經組態以使用自箝位電路回收之能量以將電力施加至經回收電力端子對406。

參考圖5，展示可用於實現圖4中所描繪之電流振幅量測電路440之例示性電流振幅量測電路540。如所展示，電流振幅量測電路可包含用於所感測電流Isense之電流路徑，包含完全二極體電橋之節點之間的電阻性元件及電感性元件之串聯配置。且圖6為可用於實現圖4中所描繪之電壓振幅量測電路442之例示性電壓振幅量測電路542。如所展示，橫越平行於電阻性元件配置之電容器設置電位差Vsense，且電容器及電阻性元件之並聯組合定位於二極體電橋之兩個節點之間。

圖7描繪可用於實施圖4中所描繪之LLIIN 400之LLIIN 700的一部分。詳言之，圖7描繪用於電流箝位電路734及電壓箝位電路732之特定實施方 案。如所展示，每一電流箝位電路734包括在經由電力回收電路444饋送之完全二極體電橋之節點之間的電流路徑IclampM，其使通過每一電流箝位電路734之電流能夠被控制。且每一電壓箝位電路732包括定位於完全二極體電橋之節點之間的電容器，以使電壓VclampM能夠由電力回收電路444控制。因此，可控制M個區段中之每一者之電壓。更具體言之，傳輸線之區段之電壓振幅為電壓VclampM加上兩個二極體電壓降。

參考圖8，展示LLIIN 800，其中LLIIN 800之電源端子對802耦合至循環器804，以替換將典型地耦合至循環器804之傾卸埠(隔離埠)之傾卸電阻器。通常將在傾卸電阻器中作為熱而耗散之電力，代替地被回收為LLIIN 800之經回收電力端子對806處之DC電力且饋送至反相器220，該反相器又將DC電力轉換成施加至AC幹線之AC電力。DC至AC反相器亦可為LLIIN 800之部分。

如圖9中所展示，LLIIN 900(其可用於實現LLIIN 100)可經組態以將DC電力施加至DC匯流排326，該DC匯流排將來自DC供應器328(在發電機304內)之DC電力耦合至功率放大器330(例如發電機內之RF功率放大器)。在操作中，LLIIN 900將來自循環器804之經回收電力轉換成橫越DC匯流排326施加之位準。圖9中所描繪之LLIIN 900可與圖8中之LLIIN 800相同，除了由圖8中之LLIIN 800輸出之經回收DC電力無需施加一DC電壓位準，該DC電壓位準匹配於橫越DC匯流排施加之電壓位準。

接下來參考圖10，展示可用於實現圖8中之LLIIN 800及圖9中之LLIIN 900的例示性LLIIN 1000。LLIIN 1000類似於LLIIN 400，除了負載端子對1008之端子短路且不使用電流箝位電路。使負載端子對1008之端子短路會向負載端子呈現小於傳輸線之特性阻抗之實部的電阻(0 Q)；因此，若總電延遲等於外加電力之週期之一半，則將每一區段之電壓箝位至在傳輸線之電源側處產生之峰值電壓的分佈式電壓箝位電路向循環器804提供實質上恆定阻抗，而無需 使用電流箝位電路。替代地，負載端子對可開路，且總電延遲等於所使用之外加電力之週期的四分之一。因此，與參考圖4所描述之LLIIN 400相比，圖10之LLIIN 1000更易於實施。

接下來參考圖11A至圖11F，展示用於使用模擬來驗證LLIIN之效能之電路的示意圖。在參考圖11A至圖11F時，同時參考圖12，其描繪具有電阻性負載的圖11A至圖11F之電路的模擬結果，對於該些電阻性負載，負載電阻小於集總元件等效傳輸線區段之特性阻抗之實部。以下表1提供關於圖11A至圖11F中所描繪之電路之操作設定的額外細節。藉由用不同阻抗替換負載(圖11A中之R2)，且計算由電源(圖11中之V1)所見之阻抗，以及計算由電源遞送之電力、遞送至負載之電力及由電壓及電流箝回收之電力(返回到圖11E之B1至B8及圖11B中之BI2至BI9之電力)，獲得圖12中之結果。圖12之左側之史密斯圖展示，即使當負載阻抗沿著史密斯圖之負實軸變化時，由電源所見之阻抗亦改變得極小。圖12之右側之圖表展示，由電源遞送且未遞送至負載之電力被回收為DC電力。圖12之結果係在峰值電壓量值及峰值電流量值分別箝位至電源處之電壓及電流之振幅的情況下獲得的，亦即，電流及電壓(以下表中之參數Iscl及Vscl)均被設定為等於1.0。電源B1至B8及BI2至BI9表示分別由諸如圖20A至圖20B以及圖23A及圖23B中所展示之彼等電路的電路分別向電壓及電流箝提供之恆定電壓及恆定電流。

接下來參考圖13，展示具有電阻性負載的圖11A至圖11F之電路的模擬結果，對於該些電阻性負載，負載電阻大於集總元件等效傳輸線區段之特性阻抗之實部。藉由用不同阻抗替換負載(圖11A中之R2)，且計算由電源(圖11中之V1)所見之阻抗，以及計算由電源遞送之電力、遞送至負載之電力及由電壓及電流箝回收之電力(返回到B1至B8及BI2至BI9之電力)獲得圖13中之結果。圖13之左側之史密斯圖展示，即使當負載阻抗沿著史密斯圖之正實軸變化時，由電源所見之阻抗亦改變得極小。圖13之右側之圖表展示，由電源遞送且未遞送至負載之電力被回收為DC電力。圖13之結果係在峰值電壓量值及峰值電流量值分別箝位至電源處之電壓及電流之振幅的情況下獲得的，亦即，參數Iscl及Vscl均被設定為等於1.0。

接下來參考圖14，展示具有電抗性負載的圖11之電路的模擬結 果，對於該些電抗性負載，負載電抗為正。藉由用不同阻抗替換負載(圖11A中之R2)，且計算由電源(圖11中之V1)所見之阻抗，以及計算由電源遞送之電力、遞送至負載之電力及由電壓及電流箝回收之電力(返回到B1至B8及BI2至BI9之電力)，獲得圖14中之結果。圖14之左側之史密斯圖展示，即使當負載阻抗沿著史密斯圖之正虛軸變化時，由電源所見之阻抗亦改變得極小。圖14之右側之圖表展示，由電源遞送且未遞送至負載之電力被回收為DC電力。圖14之結果係在峰值電壓量值及峰值電流量值分別箝位至電源處之電壓及電流之振幅的情況下獲得的，亦即，參數Iscl及Vscl均被設定為等於1.0。

接下來參考圖15，展示具有電抗性負載的圖11之電路的模擬結果，對於該些電抗性負載，負載電抗為負。藉由用不同阻抗替換負載(圖11中之R2)，且計算由電源(圖11中之V1)所見之阻抗，以及計算由電源遞送之電力、遞送至負載之電力及由電壓及電流箝回收之電力(返回到圖11中之B1至B8及BI2至BI9之電力)，獲得圖15中之結果。圖15之左側之史密斯圖展示，即使當負載阻抗沿著史密斯圖之負虛軸變化時，由電源所見之阻抗亦改變得極小。圖15之右側之圖表展示，由電源遞送且未遞送至負載之電力被回收為DC電力。圖15之結果係在峰值電壓量值及峰值電流量值分別箝位至電源處之電壓及電流之振幅的情況下獲得的，亦即，圖11之示意圖上所展示之參數Iscl及Vscl均被設定為等於1.0。

接下來參考圖16，其為具有電阻性負載的圖11之電路的模擬結果，對於該些電阻性負載，針對用於電壓及電流箝位之兩個不同位準，負載電阻小於集總元件等效傳輸線區段之特性阻抗之實部。圖16之頂部列中之兩個圖形為具有更多一些資料點的圖12中所展示之結果的重複。圖16之底部列中之兩個圖形展示在電路之電源側處分別將峰值電壓及電流量值箝位為電壓及電流之振幅的1.2倍之效應(亦即，圖11之示意圖上所展示之參數Iscl及Vscl均被設定為 等於1.2)。此在某些應用中係合乎期望的，以在負載反射係數量值之值較小之情況下允許較大分率之電源電力進入負載，如圖16之兩個右側圖形之比較所說明。圖16之左側兩個圖形展示，此係以犧牲呈現給電源之阻抗之更多變化為代價而進行。

接下來參考圖17，其為具有電阻性負載的圖11之電路的模擬結果，對於該些電阻性負載，針對用於電壓及電流箝位之兩個不同位準，負載電阻大於集總元件等效傳輸線區段之特性阻抗之實部。圖17之頂部列中之兩個圖形為具有更多一些資料點的圖13中所展示之結果的重複。圖17之底部列中之兩個圖形展示在電路之電源側處分別將峰值電壓及電流量值箝位為電壓及電流之振幅的1.2倍之效應(亦即，圖11之示意圖上所展示之參數Iscl及Vscl均被設定為等於1.2)。此在某些應用中係合乎期望的，以在負載反射係數量值之值較小之情況下允許較大分率之電源電力進入負載，如圖17之兩個右側圖形之比較所說明。圖17之左側兩個圖形展示，此係以犧牲呈現給電源之阻抗之更多變化為代價而進行。

接下來參考圖18，展示具有電抗性負載的圖11之電路的模擬結果，對於該些電抗性負載，針對用於電壓及電流箝位之兩個不同位準，負載電抗為正。圖18之頂部列中之兩個圖形為具有更多一些資料點的圖14中所展示之結果的重複。圖18之底部列中之兩個圖形展示在電路之電源側處分別將峰值電壓及電流量值箝位為電壓及電流之振幅的1.2倍之效應(亦即，圖11之示意圖上所展示之參數Iscl及Vscl均被設定為等於1.2)。此在某些應用中係合乎期望的，以在負載反射係數量值之值較小之情況下允許較大分率之電源電力進入負載，如圖18之兩個右側圖形之比較所說明。圖18之左側兩個圖形展示，此係以犧牲呈現給電源之阻抗之更多變化為代價而進行。

接下來參考圖19，其為具有電抗性負載的圖11之電路的模擬結 果，對於該些電抗性負載，針對用於電壓及電流箝位之兩個不同位準，負載電抗為負。圖19之頂部列中之兩個圖形為具有更多一些資料點的圖15中所展示之結果的重複。圖19之底部列中之兩個圖形展示在電路之電源側處分別將峰值電壓及電流量值箝位為電壓及電流之振幅的1.2倍之效應(亦即，圖11之示意圖上所展示之參數Iscl及Vscl均被設定為等於1.2)。此在某些應用中係合乎期望的，以在負載反射係數量值之值較小之情況下允許較大分率之電源電力進入負載，如圖19之兩個右側圖形之比較所說明。圖19之左側兩個圖形展示，此係以犧牲呈現給電源之阻抗之更多變化為代價而進行。

接下來參考圖20，展示用於驗證電壓箝之效能之電路的示意圖，其中至DC電槽之電力回收維持於100V(圖20中之Vdcl)。在操作中，由S5、S6、S7及S8形成之頂部電橋與由S9、S10、S11及S12形成之底部電橋輪流操作。當頂部電橋操作時，其完成首先是S5及S6接通且接著是S7及S8接通之循環。頂部電橋之此操作之結果為橫越由經耦合電感器L3及L4形成之變壓器之繞組產生電壓。在此循環期間，若C2上之電壓大於恆定電壓源Vdcl之電壓，則經由底部二極體D17、D18、D19及D20之整流作用將電力自C2傳送至Vdcl。若C2上之電壓小於恆定電壓源Vdcl之電壓，則在此循環期間無電力在電路之頂部半部與底部半部之間傳送。電路之頂部半部為直接或經由其他電路元件連接至L3之半部。電路之底部半部為直接或經由其他電路元件連接至L4之半部。當底部電橋操作時，其完成首先是S9及S10接通且接著是S11及S12接通之循環。底部電橋之此操作之結果為橫越由經耦合電感器L3及L4形成之變壓器之繞組產生電壓。若C2上之電壓大小於恆定電壓源Vdcl之電壓，則經由頂部二極體D9、D10、D11及D12之整流作用將電力自Vdcl傳送至C2。若C2上之電壓大於恆定電壓源Vdcl之電壓，則在此循環期間無電力在電路之頂部半部與底部半部之間傳送。兩個循環一起維持實質上等於恆壓電壓源Vdcl之電壓的C2上之電壓，其中雙向電力流在 C2與Vdcl之間以便維持此關係。

在圖20中，由S1、S2、S3及S4形成之電橋維持所要箝位電壓減去C5上之兩個二極體電壓降。當C5上之電壓過低時，電橋藉由接通S3及S4進行此操作，且當電壓過高時，電橋藉由接通S1及S2進行此操作。且節點rfl及rf2之間的電壓被箝位至C5上之電壓加上通過二極體D1、D2、D3及D4之兩個電壓降。以下表2提供針對模擬所利用之設定的額外細節。

接下來參考圖21，展示當待箝位電壓(圖20中之Vrf)小於箝位電壓(在此模擬中為50V)時模擬圖20之電路的結果。圖21中之底部圖形展示，當電壓振幅為10V時，通過電壓箝之峰值電流為僅100pA。自底部開始之第二圖形展示電壓箝上之電壓。自底部開始之第三圖形展示，歸因於非理想二極體中之損耗，電壓箝自DC電槽獲取4.5W。頂部圖形展示，自連接至電壓箝之電壓 源幾乎未獲取電力。

接下來參考圖22，展示當待箝位電壓(圖20中之Vrf)大於箝位電壓(在此模擬中為50V)時模擬圖20之電路的結果。圖22中之底部圖形展示，通過電壓箝之峰值電流為10A，以便在電源之1 Q內部電阻(圖20中之Vrf)上達成10V電壓降，且將電壓箝上之峰值電壓箝位至50V。自底部開始之第二圖形展示如所預期而箝位於50V的電壓箝上之電壓。自底部開始之第三圖形展示，電壓箝將117瓦特回收至DC電槽。頂部圖形展示，自連接至電壓箝之電壓源獲取122瓦特。

接下來參考圖23A及圖23B，展示用於驗證電流箝之效能之電路的示意圖，其中至DC電槽之電力回收維持於100V(圖23A中之Vdcl)。在圖23A中，由S5、S6、S7及S8形成之頂部電橋與由S9、S10、S11及S12形成之底部電橋輪流操作。當頂部電橋操作時，其完成首先是S5及S6接通且接著是S7及S8接通之循環。頂部電橋之此操作之結果為橫越由經耦合電感器L3及L4形成之變壓器之繞組產生電壓。在此循環期間，若C2上之電壓大於恆定電壓源Vdcl之電壓，則經由底部二極體D17、D18、D19及D20之整流作用將電力自C2傳送至Vdcl。若C2上之電壓小於恆定電壓源Vdcl之電壓，則在此循環期間無電力在電路之頂部半部與底部半部之間傳送。電路之頂部半部為直接或經由其他電路元件連接至L3之半部。電路之底部半部為直接或經由其他電路元件連接至L4之半部。當底部電橋操作時，其完成首先是S9及S10接通且接著是S11及S12接通之循環。底部電橋之此操作之結果為橫越由經耦合電感器L3及L4形成之變壓器之繞組產生電壓。若C2上之電壓大小於恆定電壓源Vdcl之電壓，則經由頂部二極體D9、D10、D11及D12之整流作用將電力自Vdcl傳送至C2。若C2上之電壓大於恆定電壓源Vdcl之電壓，則在此循環期間無電力在電路之頂部半部與底部半部之間傳送。兩個循環一起維持實質上等於恆壓電壓源Vdcl之電壓的C2上之電壓，其中 雙向電力流在C2與Vdcl之間以便維持此關係。在圖23中，由S1、S2、S3及S4形成之電橋維持通過電感器L1及L2之所要箝位電流。當通過L1之電流過低時，電橋藉由接通S1及S2進行此操作，且當電流過高時，電橋藉由接通S3及S4進行此操作。在圖23中，通過節點rfl及rf2之間的二極體電橋之電流之振幅被箝位至通過L1之電流。

接下來參考圖24，展示當待箝位電流(由圖23中之Vrf供應)小於箝位電流(在此模擬中為5A)時模擬圖23之電路的結果。圖24中之底部圖形展示通過電流箝之峰值電流。自圖24中之底部開始之第二圖形展示，當通過箝之電流為1.8A時，箝上之電壓為僅18mV。自圖24中之底部開始之第三圖形展示，歸因於非理想二極體中之損耗，電流箝自DC電槽獲取7.1W。頂部圖形展示，自連接至電流箝之電源(圖23中之Vrf)幾乎未獲取電力。

接下來參考圖25，展示當待箝位電流(由圖23中之Vrf供應)大於箝位電流(在此模擬中為5A)時模擬圖23之電路的結果。圖22中之底部圖形展示，如所預期而將通過電流箝之峰值電流箝位於5A。自底部開始之第二圖形展示電流箝上之峰值電壓，其為9.5V以便將電流箝位於5A。自底部開始之第三圖形展示，電壓箝將21.2W回收至DC電槽。頂部圖形展示，自連接至電流箝之電壓源獲取29.4W。

所屬技術領域中具有通常知識者將進一步瞭解，結合本文中所揭示之具體實例描述之各種說明性邏輯區塊、模組、電路及演算法步驟可被實施為電子硬體、電腦軟體或兩者之組合。為了清楚地說明硬體與軟體之此可互換性，各種說明性組件、區塊、模組、電路及步驟已在上文大體按其功能性加以描述。將此功能性實施為硬體抑或軟體取決於特定應用及強加於整個系統上之設計約束。所屬技術領域中具有通常知識者可針對每一特定應用以變化之方式實施所描述之功能性，但不應將此類實施決策解譯為導致脫離本發明之範圍。

可用經設計以執行本文中所描述之功能的通用處理器、數位信號處理器(DSP)、特殊應用積體電路(ASIC)、場可程式閘陣列(FPGA)或其他可程式邏輯裝置、離散閘或電晶體邏輯、離散硬體組件或其任何組合來實施或執行結合本文中所揭示之具體實例所描述的各種說明性邏輯區塊、模組及電路。通用處理器可為微處理器，但在替代例中，處理器可為任何習知處理器、控制器、微控制器或狀態機。處理器亦可被實施為計算裝置之組合，例如DSP及微處理器之組合、複數個微處理器、結合DSP核心之一個或多個微處理器，或任何其他此類組態。

參考圖26，展示描繪可用於實現本文中所揭示之阻抗網路之一個或多個態樣之實體組件的方塊圖。如所展示，在此具體實例中，顯示器1412及非揮發性記憶體1420耦合至匯流排1422，該匯流排亦耦合至隨機存取記憶體 (「RAM」)1424、處理部分(其包括N個處理組件)1426、場可程式閘陣列(FPGA)1427，及包括N個收發器之收發器組件1428。儘管圖26中所描繪之組件表示實體組件，但圖26並不意欲為詳細硬體圖；因此，圖26中所描繪之許多組件可藉由共同構造而實現或分佈於額外實體組件當中。此外，經考慮，可利用其他現有及尚待開發之實體組件及架構以實施參考圖26所描述之功能組件。

顯示器1412通常操作以向使用者提供使用者介面，且在若干實施方案中，顯示器1412係由觸控式螢幕顯示器實現。舉例而言，顯示器1412可用於控制本文中所描述之組件並與其互動。一般而言，非揮發性記憶體1420為用於儲存(例如持久地儲存)資料及機器可讀取(例如處理器可執行)碼(包括與實行本文中所描述之方法相關聯的可執行碼)之非暫時性記憶體。在一些具體實例中，舉例而言，非揮發性記憶體1420包括開機載入程式碼、作業系統碼、檔案系統碼及非暫時性處理器可執行碼以促進執行本文中所描述之方法。

在許多實施方案中，非揮發性記憶體1420係由快閃記憶體(例如NAND或ONENAND記憶體)實現，但經考慮，亦可利用其他記憶體類型。儘管有可能執行來自非揮發性記憶體1420之程式碼，但典型地將非揮發性記憶體中之可執行碼載入至RAM 1424中且由處理部分1426中之N個處理組件中之一者或多者執行。

在操作中，結合RAM 1424之N個處理組件通常可操作以執行儲存於非揮發性記憶體1420中之指令以實現本文中所描述之電力回收電路之功能性。舉例而言，實行本文中所描述之方法的非暫時性處理器可執行指令可持久地儲存於非揮發性記憶體1420中且由結合RAM 1424之N個處理組件執行。所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，處理部分1426可包括視訊處理器、數位信號處理器(DSP)、圖形處理單元(GPU)及其他處理組件。

另外或在替代例中，場可程式閘陣列(FPGA)1427可經組態以 實行本文中所描述之方法之一個或多個態樣。舉例而言，非暫時性FPGA組態指令可持久地儲存於非揮發性記憶體1420中，且由FPGA 1427存取(例如在啟動期間)以組態FPGA 1427。

輸入組件可操作以接收指示電壓及/或電流之信號(例如自電壓振幅量測電路442及/或電流振幅量測電路440)。輸出組件通常操作以提供一個或多個類比或數位信號(例如以促使驅動信號至電力回收電路444之降壓轉換器中的開關)以實行電力回收電路之操作態樣。

所描繪之收發器組件1428包括N個收發器鏈，其可用於經由無線或有線網路與外部裝置(例如外部控制器)通信。N個收發器鏈中之每一者可表示與特定通信方案(例如WiFi、乙太網路、Profibus等)相關聯之收發器。

如本文中所使用，「A、B或C中之至少一者」之敍述意欲意謂「A、B、C或A、B及C之任何組合」。提供所揭示具體實例之先前描述以使任何所屬技術領域中具有通常知識者能夠製作或使用本揭示內容。所屬技術領域中具有通常知識者將顯而易見對此等具體實例之各種修改，且在不脫離本揭示內容之精神或範圍的情況下可將本文中定義之一般原理應用於其他具體實例。因此，本揭示內容並不意欲限於本文中所展示之具體實例，而應符合與本文中所揭示原理及新穎特徵相一致的最廣範圍。

100:低損耗輸入阻抗網路 102:電源端子對 104:電源 106:經回收電力端子對 108:負載端子對 110:負載

Claims (19)

1. 一種阻抗網路，其包含： 傳輸線，其包含複數個區段； 複數個箝位電路，該複數個箝位電路中之每一箝位電路經組態以對該複數個區段中之至少一個區段中的電壓或電流中之至少一者進行箝位；及 電槽，其耦合至該複數個箝位電路中之至少一個箝位電路，其中該電槽包括電源，該電源包含循環器。
2. 如請求項1之阻抗網路，其中該電源包含DC匯流排。
3. 如請求項2之阻抗網路，其更包含耦合至該傳輸線之負載端子對，其中使該負載端子對進行短路。
4. 如請求項1之阻抗網路，其更包含耦合至該傳輸線之負載端子對，其中使該負載端子對進行開路並且經組態有等於外加電力之週期的四分之一的總電延遲。
5. 如請求項1之阻抗網路，其中該複數個箝位電路中之一個或多個箝位電路包括完全二極體電橋，該完全二極體電橋耦合至該複數個區段中之該至少一個區段。
6. 如請求項5之阻抗網路，其中該複數個箝位電路中之至少一個箝位電路包括電流箝位電路，該電流箝位電路包含在該完全二極體電橋的節點之間的電感器，以使流過該電流箝位電路的電流受到控制。
7. 如請求項6之阻抗網路，其中該複數個箝位電路中之至少一個箝位電路包括電壓箝位電路，該電壓箝位電路包含在該完全二極體電橋的該節點之間的電容器，以使在該電壓箝位電路處的電壓受到控制。
8. 一種阻抗網路，其包含： 傳輸線； 電路系統，其經組態以對該傳輸線之複數個區段中的電壓或電流中之至少一者進行箝位； 電路，其耦合至該電路系統以將電力施加至該阻抗網路的端子；及 循環器，其耦合至該端子。
9. 如請求項8之阻抗網路，其更包含耦合至該傳輸線之負載端子對，其中使該負載端子對進行短路。
10. 如請求項8之阻抗網路，其更包含耦合至該傳輸線之負載端子對，其中使該負載端子對進行開路並且經組態有等於外加電力之週期的四分之一的總電延遲。
11. 如請求項8之阻抗網路，其更包含量測電路，該量測電路耦合至該電路系統，其中該量測電路經組態以量測該電壓或電流中之一者。
12. 一種電力系統，其包含： 電源，其包含循環器；及 阻抗網路，其耦合至該電源，其中該阻抗網路包含： 傳輸線，其耦合至該電源； 電路系統，其經組態以對該傳輸線的複數個區段中之電壓或電流中之至少一者進行箝位；及 電路，其耦合至該電路系統以將電力施加至該阻抗網路的端子。
13. 如請求項12之電力系統，其更包含耦合至該傳輸線之負載端子對，其中使該負載端子對進行短路。
14. 如請求項12之電力系統，其中該電源包含發電機。
15. 如請求項14之電力系統，其中該發電機經組態以在小於100 MHz之頻率下操作。
16. 如請求項12之電力系統，其中該電源耦合至該端子。
17. 如請求項16之電力系統，其更包含： 反相器，其耦合於該電路與該電源的AC輸入之間以將經回收DC電力轉換成AC電力，該AC電力被施加至該電源之該AC輸入。
18. 如請求項12之電力系統，其中該電路耦合至該電源之DC匯流排以將經回收DC電力施加至該電源之該DC匯流排。
19. 如請求項12之電力系統，其更包含耦合至該傳輸線之負載端子對，其中使該負載端子對進行開路並且經組態有等於外加電力之週期的四分之一的總電延遲。