概論

1.1 研究背景

近年來，由於可攜式電子產品的輕薄短小，除了電池使用外，定電壓 和低漣波的穩壓晶片在電源電路設計上是必然的趨勢。對於傳統的類比穩 壓晶片，當其電源電路的規格有所變動時，需要根據新的參數改變整個晶 片的設計。然而，對數位穩壓晶片，運用數位式控制調變技術，可用來提 昇系統電路之性能。這種數位式控制調變技術使用比例積分微分補償器 (PID)之原理補償為設計基礎，主要特點是系統的輸出電壓經過類比數位 轉換器(ADC)成為迴授訊號，並與參考電壓的差值當做數位控制器的調變 訊號，以獲得電力電子之高效率直流切換電壓轉換。

1.2 研究動機與目的

一般的直流轉直流的穩壓器(DC-DC Regulator)大概分成交換式穩壓 器(Switching Regulator) 及 電 荷 幫 浦 穩 壓 器 (Charge-Pump Regulator) 。 DC-DC 轉換器廣泛被應用在直流供應器以及直流馬達驅動器。因此，對 於切換直流轉直流轉換器的控制使其在輸入電壓與輸出負載變動的情況 下，能夠調整輸出電壓為所設定的位準，實為一項重要的研究。

數位控制器的觀念，在許多的研究報告以及實驗結果也都有實例來證 明數位控制器的確相較於類比控制器方式，數位控制的方式不止在成本上 具較佳的優勢，它所具有的優異特性，例如可與外界溝通的能力以及可程

式化的彈性操作，這些因素都將使得數位控制有可能會在最短的時間內去 取代整個電源的控制方式。

從市場的角度來看，數位電路在成本的控制上會比類比電路更具競爭 性，以類比電路所設計的 IC 要達到縮小晶片尺寸的機會並不大，除非有 部份功能數位化才有可能完成這項工作。成本的高低一向視晶片的大小考 量而決定，假使傳統類比電源控制方式能夠一併數位化，將使晶片尺寸縮 小的速度也將會追隨著Moore's law 的準則而得到合理的解釋，相對地對 於降低成本也有所幫助。由圖 1 闡明整體 Power IC 的市場及台灣與美國 就各方面優勢比較。

圖 1 台灣與美國在POWER IC領域各方優勢比較圖

然而控制分為類比控制系統與數位控制系統，我們所採用的是數位控 制系統，因為數位式控制器可以提供下列優點[1]：

1. 降低成本，系統積體電路化，提高靜態與動態系統的特性。

2. 減小對製程參數、溫度參數變化的靈敏度。

3. 設計所需時間較短，有許多現成工具（EDA）可以使用。

4. 可程式化，一個控制器可以經過修改而再去控制其他的轉換器 減少類比元件的使用。

5. 控制器的差異性可藉由程式的設定達成，而不需硬體的更換。

圖 2 數位降壓直流電源轉換器

舉例說明如圖2 的一個數位降壓直流電源轉換器的設計中，圖下方的 DC-DC 控制器部份用來送出一個週期性的方波。這一個方波可以控制功 率電晶體(Power MOS)的開與關。當其中一個功率電晶體導通，另一個電

DC-DC controller (Digital control system)

NMos

PMos L

C _R

RLC

Duty DC

+

_

LDO Vo

晶體就會完全關起來。造成電流流過電感或是不通過電感。因方波訊號的 週期是固定的，所以功率電晶體開關的比率 (Duty Ratio) 可以決定輸出 電壓的大小。

數位的控制器可以分作控制電壓穩定度補償 (Proportional Integral Derivative Compensator; PID) 外，也可用以控制電壓高低位階的脈波寬度 調變(Digital Pulse Width Modulator，DPWM)。因為控制器根據電壓來調 變輸出方波的開關比率(Duty Ratio)，這種型式的控制器就稱作電壓控制 型電源轉換器。

電感(L)與電容(C)還有負載電阻(R)可以稱為 RLC Power Stage。這個 儲能轉移網路所導出的轉移函數就是控制器要補償的受控體。如果控制器 只根據電源轉換器的輸出電壓(Vo)來決定方波的開關比率。可以稱這種形 式的電源轉換器為電壓控制型電源轉換器。

1.3 論文內容大綱架構

本論文共分五個章節說明

各章節的標題與內容簡述如下:

第一章 概論: 說明本論文之研究背景、動機及電源轉換器簡介。