在這邊可以看到電源線上面會有許多的驅動晶片，而每顆驅動晶片內部的方塊圖如下圖 6 所 示包含了解碼、拴鎖，以及控制電路。車用電子電源線通訊顧名思義則是訊號是由電源上傳遞，
在這邊傳送的訊號為每次 32 位元。每顆晶片在電源線上都它有自己的位址，所以每次收到資料時 都必須做一次解碼的動作，觀察是否要動作。圖中可看到驅動晶片的輸出有四組訊號，每一組訊 號分別給 P 及 N 型的功率電晶體來推動馬達，LED 或降壓電路如圖 6 所示。
圖6. 可程式化車用功率積體電路示意圖
圖7. 四組開關推動馬達、LED 及降壓電路
on time control t0~t4
close or open loop m
Number of Bit Command
PWM control d0~d7
b0~b7 Data
on time control t0~t4
close or open loop m
Number of Bit Command
圖8. 整合馬達、LED 及降壓電路
圖9. 數位脈波寬度調變電路採用 Σ∆ 調變
4.2
數位直流數位直流數位直流數位直流-直流降壓電路設計直流降壓電路設計直流降壓電路設計 直流降壓電路設計整個數位降壓電路如圖 10 所示，它是由功率區塊、誤差類比數位轉換器、數位補償器、Σ∆ 數 位脈波寬度調變電路及死區時間(Dead Time)所組成。我們先制定整個數位降壓電路的規格如表 2 所示，在車用電子裡面所蓄電池提供的電壓為 12V，故輸入 Vin 為 12V，而輸出電壓 Vout(t)為較 常用到的 1.5~9V，抽載的電流定在 0~2A。在車用電子裡面系統切換頻率大概為 100~500kHz，配 合 FPGA 板子所提供的最高時脈除頻下來，其切換頻率 FSW 為 390.625kHz。這邊輸出的漣波大 小設計在小於 1.5 V 的 6%，故 ∆Vo 大約為 100mV。式子(1)所示，故誤差類比數位轉換器的 ∆Vq 經由編碼為 58.6 mV , ∆Vq 則是類比數位轉換器的最低位元解析度，Kdiv 則是輸出的衰減器，
∆Vout 則是輸出上能容忍的漣波大小。接下來則是決定數位脈波寬度調變的解析度，為了避免輸 出有 LCO，由式子(2)可以知道，通常設計都小於 3~6 倍，∆d 為數位脈波寬度調變的解析度，故 這邊設計數位脈波寬度調變的解析度為 9 位元。
q div vout
V K V
∆ ≥ g∆ (1)
in div q
d V k V
∆ g g < ∆ (2)
圖10. 直流-直流降壓電路系統方塊圖 Double pole frequency
kHz EADC quantization step
mV
△ 100
△
△△Vo Output voltage ripple
kHz Double pole frequency
kHz EADC quantization step
mV
△ 100
△
△△Vo Output voltage ripple
kHz
圖11. (a)誤差類比數位轉換器編碼(b) 誤差類比數位轉換器輸入與輸出對應圖
4.4
數位正比積分微分補償器數位正比積分微分補償器數位正比積分微分補償器數位正比積分微分補償器設計數位正比積分微分補償器[6-9]上，可知數位降壓電路系統裡之數位補償器在整體系統裡 的功能等同於類比的補償器。圖 12 為降壓電路各個區塊的轉移函式。下式(3)所示 T(s)為降壓電 路系統的開迴路轉移函式，Kdiv 為衰減器的增益，Kead 為類比數位轉換器的增益，Kdpwm 為數 位脈波寬度調變器的增益，Gvc(s)為功率區塊得轉移函式。一開始設計先將各個區塊連續時間的 系統或數位訊號處理的書上提到可以使用雙線性轉移(Bilinear Transform)及尤拉規則(Eular’s Rule) 達到 z 平面上轉移函式。這邊使用雙線性轉移如下式(6)所示為 s 平面映射到 z 平面上，Td 為取樣 時間，在 z 平面的單位圓內等同於是 s 平面的左半平面。接下來將式子(6)帶入 Gc(s)得到 Gc(z)如 下式(7)所示，最後將 Gc(z)反 z 轉換得到式子(8)。
1
當設計出直接形式(Direct Form)如式子，接下來就是將它實現為電路，這邊我們採用查表法 (Look Up Table)如下圖 13 所示所謂的查表法則是說表格裡面已經儲存了所有輸入會發生的可能
( 1)( 2)
[ ] [ 2]
T 2
n n
e n + + k d u n
= g gV g + (9)
4.6 LED
及馬達設計及馬達設計及馬達設計及馬達設計如下圖 15 所示為操作 LED 的基本原理，LED 最主要是則是亮度的控制，這邊可以知道 LED 為電流控制的元件，當流過電流越大 LED 的亮度則會越亮，故可使用脈波寬度調變達到亮度、閃 爍頻率及亮度時間控制。圖 18 (a)及圖 18 (b)分別為使用 P 及 N 功率晶體來驅動 LED，這此論文 當中採用圖 18 (c)，我們可以經由控制指令達到圖 18 (a)及圖 18 (b)的效果。
圖15. LED 操作電路圖
驅動馬達[13]的轉速是取決於它上面的跨壓大小。我們可以使用 H 橋模式下圖 16 所示來達到 正反轉及停止，由於馬達是電壓控制，我們亦可使用脈波寬度調變來調整馬達上的跨壓，進而達 到轉速的控制。
圖16. H 橋驅動馬達
4.7
模擬結果模擬結果模擬結果模擬結果本計劃中使用 Matlab 裡面的 Simulink[14, 15]來建立數位降壓電路的模型並且模擬系統鎖定動
作。模擬驗證數位降壓電路在二階的 Σ∆ 雜訊整形迴路數位脈波寬度調變輸入 Vin 為 12V，觀察 Undershoot recovery time
200mV Overshoot recovery time
200mV Undershoot recovery time
200mV Overshoot recovery time
200mV
圖18. 二階 Σ∆ 負載抽載輸出電壓 3V 模擬圖 (a)輸出負載 iload(t)、電感電流 iL(t)、輸出電壓 Vout(t) 及誤差值 e[n] (b)負載 500mA 時 iL(t)及 Vout(t) (c)負載 1A 時 iL(t)及 Vout(t)
圖19. 二階 Σ∆ 負載抽載輸出電壓 5V 模擬圖 (a)輸出負載 iload(t)、電感電流 iL(t)、輸出電壓 Vout(t) 及誤差值 e[n] (b)負載 500mA 時 iL(t)及 Vout(t) (c)負載 1A 時 iL(t)及 Vout(t)
圖20. 二階 Σ∆ 負載抽載輸出電壓 9V 模擬圖 (a)輸出負載 iload(t)、電感電流 iL(t)、輸出電壓 Vout(t) 及誤差值 e[n] (b)負載 500mA 時 iL(t)及 Vout(t) (c)負載 1A 時 iL(t)及 Vout(t)
4.8 FPGA
驗證結果驗證結果 驗證結果驗證結果整體車用電子的測試環境及硬體方塊圖如下圖 21 所示由控制開關、傳輸端(TX)、車用電源 線、接收端（RX）、可程式車用功率積體電路、馬達、LED 及直流-直流降壓電路，實際測試環 境及硬體架構圖如圖 22 所示。在這邊的可程式車用功率積體電路及接收端（RX）的電路是寫入 在 FPGA Spartan 3E 裡面，傳輸端(TX)的電路則是在 FPGA Spartan 3A 裡面，電源線上的電源則 是 12V，訊號經由電源線由傳輸端傳送到接收端。為了方便測試電路，原本控制指令為 32 位元，
這邊我們利用控制開關其中的 5 位元配合查表法列出 32 種狀態來測試電路如表 4 所示。
圖21. 車用電子電源線通訊及可程式車用功率積體電路示意圖
實際測試環境及硬體架構圖如圖 22 所示。在這邊的可程式車用功率積體電路及接收端的電路 是寫入在 FPGA Spartan 3E 裡面，傳輸端的電路則是在 FPGA Spartan 3A 裡面，電源線上的電源 則是 12V，訊號經由電源線由傳輸端傳送到接收端。
圖22. 實際測試環境及硬體架構圖
如下圖 23 所示為直流-直流降壓電路圖，FPGA 所輸出的訊號為 3V 脈波寬度調變經由電壓準 位移位器 ICL7667(Level Shifter)升為 12V 來推動 P 型的功率晶體 IRF9Z34N 及 N 型的功率晶體 IRFZ34N，在功率區塊的電感採用的是功率電感 SCD0504 可承受 1A 的電流，直流電阻(DCR)為 180 m 歐姆。輸出電容採用的是 Vishay Sprague 的鉭值電容，輸出電容的等效串聯電容(ESR)大約 為 200m 歐姆。經由每一週期充放電輸出電壓經由衰減器和一單位增益緩衝器 AD711 到類比數位 轉換器 ADC0820CCN，最後類比數位轉換器輸出再接回 FPGA 的輸入。下圖 24(a)為直流-直流降 壓電路的硬體部分，圖 24(b)為馬達及 LED 的硬體。
圖23. 直流-直流降壓印刷電路板子元件佈局圖
圖24. (a)直流-直流降壓印刷電路板子實際圖(b)馬達及 LED 印刷電路板子實際圖
表 4 所示為輸入電壓 12V，輸出電壓在不同的負載下所觀察的性能表現。圖 25 所示為無負載
L
XV
out(t)
LX
Vout(t)
LX
Vout(t)
(a)
L
XV
out(t)
LX
Vout(t)
LX
Vout(t)
(b)
L
XV
out(t)
LX
Vout(t)
LX
Vout(t)
(c)
L
XV
out(t)
LX
Vout(t)
LX
Vout(t)
(d)
圖26. 負載狀態下輸出(a)1.5V (b)3V (c) 5V (d)9V如下圖 27 所示為馬達轉速的驗證，我們利用表給控制訊號，馬達操作頻率為 24kHz，由於電 壓準位移位器為反向，下圖所測的波形為 FPGA 的輸出訊號還沒經過電壓準位移位器，因此可看 到S2P為低電壓，S2 N為脈波調變。圖 27(a)為轉速 20%， (b)為轉速 50%， (c)為轉速 80%。
圖27. 馬達轉速
圖 28 所示為 LED 亮度時間的調控，這邊設定頻率為 0.75Hz，亮度為 50%，圖 28(a)為亮度 時間 20%， (b)為亮度時間 50%， (c)為亮度時間 80%。
圖28. LED 亮度時間的調控
五 五
五 五、 、 、 、結果與討論 結果與討論 結果與討論 結果與討論
在本計劃中提出了可程式車用功率積體電路，晶片的控制訊號經由電源線傳送共有 32 位元，裡面 包含了有晶片位址、清除開關訊號、系統開閉迴路選擇、開關選擇、PN 功率晶體動作、頻率、亮 度時間、控制馬達轉速、LED 亮度及降壓電路的控制。由於功率驅動晶片共有 4 組的輸出控制訊 號，每一組分別為控制 P 功率晶體及 N 功率晶體。這邊希望每一組的控制訊號皆能控制馬達、LED 及降壓電路，在分別控制馬達、LED 及降壓電路可了解到它們有共通的電路則是數位脈波寬度調 變。在此論文採用的則是二階的 Σ∆ 雜訊整形迴路數位脈波寬度調變電路，在前面章節有提到它 的許多優點，分別為低功率消耗、可操作在高速、在這邊最主要是能將馬達、LED 及降壓電路結 合在一起，節省多餘的面積及功率消耗。
最後使用 FPGA 來驗證整體系統的可行性， Spartan 3A 及 Spartan 3E 來當作車用電子電源線 通訊的接收端及傳輸端，電源線則是傳送指令進而達到降壓電路輸出電壓鎖定、控制馬達的轉速 控制及 LED 的亮度調控、閃爍頻率及亮度時間的調控。
參考文獻 參考文獻 參考文獻 參考文獻
[1] C. Basso, Switch-mode power supplies, 2008.
[2] D. M. R.W.Erickson, Fundaments of Power Electronics, 2nd ed.: Kluwer Academic, Inc, 2001.
[3] P.-K. Leong, "Design of Sigma-Delta DPWM Controller for 1MHz DC-DC Switch-Mode Power Supplies," NCKU, Taiwan, 2009-01-10
[4] Z. Lukic, et al., "Multi-bit sigma-delta PWM Digital Controller IC for DC-DC Converters Operating at Switching Frequencies Beyond 10 MHz," IEEE Transactions on Power Electronics, , vol. 22, pp. 1693-1707, 2007.
[5] B. J. Patella, et al., "High-frequency digital PWM controller IC for DC-DC converters," IEEE Transactions on Power Electronics,, vol. 18, pp. 438-446, 2003.
[6] R. Dorf, Modern control systems, 1998.
[7] A. Oppenheim, Discrete-time signal processing, 2010.
[8] C. Phillips, Digital control system analysis and design, 1990.
[9] A. Prodic and D. Maksimovic, "Design of a digital PID regulator based on look-up tables for control of high-frequency DC-DC converters," in IEEE on Power Electronics,, 2002, pp. 18-22.
[10] D. K. Johns, Martin, Analog integrated circuit design, 1997.
[11] R. Schreier, Understanding delta-sigma data converters, 2005.
[12] W. Chou and R. M. Gray, "Dithering and its effects on sigma-delta and multistage sigma-delta modulation," IEEE Transactions on Information Theory,, vol. 37, pp. 500-513, 1991.
[13] N. Mohan, Power electronics: converters, applications, and design, third edition, 2003.
[14] L. Chi-Wai, et al., "An integrated GUI design tool for digitally controlled switching DC-DC converter," in ICCCAS 2008. International Conference on Communications, Circuits and Systems,, 2008, pp. 1324-1327.
[15] A. Prodic and D. Maksimovic, "Mixed-signal simulation of digitally controlled switching converters," in IEEE Computers in Power Electronics, , 2002, pp. 100-105.
國科會 國科會 國科會
國科會補助 補助 補助專題研究計畫成果報告自評表 補助 專題研究計畫成果報告自評表 專題研究計畫成果報告自評表 專題研究計畫成果報告自評表
請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價 值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）、是否適 合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。
1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估
█ 達成目標
□ 未達成目標（請說明，以 100 字為限）
□ 實驗失敗
□ 因故實驗中斷
□ 其他原因 說明：成果驗證符合預期目標
2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：
論文：□已發表 □未發表之文稿 █撰寫中 □無 專利：□已獲得 □申請中 █撰寫中 □無
技轉：□已技轉 □洽談中 □無 其他： （以 100 字為限）
3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應 用價值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）
（以 500 字為限）
車輛 車輛 車輛
車輛 PLC 通訊及可程式驅動控制系統通訊及可程式驅動控制系統通訊及可程式驅動控制系統通訊及可程式驅動控制系統：實現車輛通信電子設備驅動晶片低面積、低功率、
低電壓、低價格、高可靠度及環保節能省碳的目的 車輛電源線傳送控制信號
車輛電源線傳送控制信號 車輛電源線傳送控制信號
車輛電源線傳送控制信號：取代了傳統舊式使用配電盤連接控制電纜線技術，大量的減少 廢電線、廢電纜的生產製造，直接降低對空氣及環境對地球所造成的污染
車用電子控制技術 車用電子控制技術 車用電子控制技術
車用電子控制技術：未來的汽車在維修檢測上更便利、省時，縮短工作時效
國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表
（英文）Multi-function Automobile Power IC