本研究目的，主要為解決高功率二極體元件現行驅動方法，因接面溫度(Tj)上升，造成順向偏壓(VF)電壓下降後，產生驅動電路輸出功率下降問題。本研究使用外部儀表模擬建立二極體元件的 VF順向偏壓 (Forward Voltage) 之相對應電流對照表，並紀錄於非揮發性記憶體中，使被動元件(電阻、電容)、運算放大器增益(OPA)、類比/數位轉換器(ADC)、數位/類比轉換器(DAC)等誤差降到最小，並利用類比/數位(ADC)轉換電路，偵測功率二極體之順向偏壓，作為非揮發性記憶體的位址索引，將事先透過外部儀表校正後，存入非揮發性記憶體對應之電流紀錄資訊讀出，再經由該數位/類比(DAC)轉換控制電路，將該數位電流控制訊號轉換輸出一類比電流控制訊號，並回饋至功率極體負載中之電流驅動電路，以調整該功率二極體負載之輸出功率接近於恆定功率狀態，由於直接使用類比/數位(ADC)輸入信號當作位址索引，無須額外索引時間，大幅提高驅動電路輸出功率校準效率。

This work proposes to develop an automatic compensation device for power diode output. This device uses an analog-to-digital converter to detect the forward voltage (VF) as the index address for the non-volatile memory, which stores the pre-calibrated digital current data of the power diode, to get the corresponding digital current. The read digital current is then converted to an analog current by the digital-to-analog converter to feed to the current control circuit of the power diode. This mechanism can control the output of the power diode to an almost constant level. The use of the output of the analog-to-digital converter as the index address of the non-volatile memory does not need an extra time for indexing, and it can increase the efficiency of the calibration significantly.

目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機 2
1.2.1 恆定電流源驅動 (Constant Current) 3
1.2.2 動態電阻補償 (Dynamic Resistance) 4
1.2.3 多通道恆定電流驅動 (Multi-Channel Constant Current) 5
1.3 研究方法 6
1.4 研究目的 6
第二章 相關文獻回顧 7
2.1 二極體元件的PN接面基本結構 7
2.2 二極體元件的特性 8
2.3 二極體元件順向偏壓時的載子注入 9
2.4 順向偏壓下PN接面的過量載子 11
2.5 順向偏壓下PN接面二極體的IV特性 12
2.6 二極體元件在不同溫度下的特性 15
第三章 硬體架構設計 16
3.1 系統架構 (System Architecture) 17
3.2 硬體動作流程 18
3.3 存取控制單元(ACU) 19
3.3.1 ACU工作狀態時序 20
3.3.2 ACU工作狀態轉態延遲時序 21
3.4 類比/數位轉換電路 (ADC) 22
3.5 數位/類比轉換電路 (DAC) 23
3.6 非揮發性記憶體 (Non-Volatile Memory) 25
3.7 電流控制單元 (Current Control Unit , CCU) 26
第四章 參數 27
4.1 非揮發性記憶體位址分配 27
4.2 建立ADC讀值與VF電壓值對照表之方法 28
4.2.1 ADC元件誤差 29
4.2.2 ADC雜訊錯誤 33
4.2.3 刪除錯誤資料演算法 35
4.2.4 誤刪資料還原 39
4.2.5 資料補點演算法 41
4.2.6 數據資料處理之前後差異比較 47
4.3 建立DAC資料與輸出電流值對照表之方法 50
4.4 系統工作區VF電壓與IF電流配對 51
4.4.1 工作區最小位址 53
4.4.2 工作區最大位址 53
4.4.3 工作區中點位址 53
4.5 系統啟動方法 54
4.5.1 VF電壓與驅動電流之關係 54
4.5.2 系統啟動區參數 55
4.5.3 系統初次啟動程序 56
4.5.4 系統暖啟動程序 57
第五章 實驗與驗證 58
5.1 系統模擬 58
5.2 實驗環境架設 60
5.3 測試條件 62
5.4 實驗測試結果 63
5.5 輸出功率誤差比較 64
第六章 結論 65
6.1 總結 65
6.2 未來與發展 66
參考文獻 67
附錄A - (ACU) FPGA電路 69
附錄B - 溫度控制系統電路 75
附錄C - 儀表控制系統電路 76
附錄D - AC to DC電源電路 77
 
圖目錄
圖 1.1恆定電流源驅動電路 3
圖 1.2 LED brightness control system with PWM [4] 4
圖 1.3 Multi-Channel Linear Current-Regulator [5] 5
圖 2.1 二極體的PN接面基本結構圖 7
圖 2.2二極體元件的特性曲線 8
圖 2.3二極體元件之順向偏壓 10
圖 2.4 二極體元件之順向偏壓V = 0V 10
圖 2.5二極體元件之位能障到達φbi - qV 10
圖 2.6電洞注入N端的PN接面二極體結構 11
圖 2.7順向偏壓下PN接面二極體電流分量圖 14
圖 2.8順向偏壓下PN接面二極體連續電流圖 14
圖 2.9不同溫度下二極體IV關係示意圖 15
圖 3.1系統架構圖 17
圖 3.2硬體動作流程圖 18
圖 3.3 FPGA Interface Define 19
圖 3.4 ACU工作狀態時序圖 20
圖 3.5 ACU工作轉態時序圖 21
圖 3.6類比/數位轉換電路(ADC) 23
圖 3.7數位/類比轉換電路(DAC) 24
圖 3.8 EEPROM 25
圖 3.9 CCU電流控制電路 26
圖 3.10 CCU電流控制回授訊號 26
圖 4.1位址功能分配圖 27
圖 4.2建立VF電壓值對照表流程圖 28
圖 4.3 ADC Rising Edge Input Value 30
圖 4.4 ADC Falling Edge Input Value 30
圖 4.5 ADC Rising Edge& Falling Edge Data 31
圖 4.6 ADC Average Data 32
圖 4.7 ADC Read Noise 34
圖 4.8刪除數值過大資料演算法流程圖 37
圖 4.9刪除數值過小資料演算法流程圖 38
圖 4.10誤刪資料還原演算法流程圖 40
圖 4.11空白資料 41
圖 4.12相鄰資料不為空白補點流程圖 44
圖 4.13相鄰高位址資料為空白補點流程圖 45
圖 4.14相鄰低位址資料為空白補點流程圖 46
圖 4.15 原始VF擷取數據圖 47
圖 4.16 刪除VF錯誤數據圖 48
圖 4.17平滑化VF數據圖 49
圖 4.18建立DAC資料對照表流程圖 50
圖 4.19 VF電壓與IF電流配對示意圖 51
圖 4.20 工作區配對流程圖 52
圖 4.21 VF電壓與驅動電流之關係圖 54
圖 4.22啟動區資料示意圖 55
圖 4.23系統初次啟動VF跳躍程序圖 56
圖 4.24系統暖啟動VF跳躍程序圖 57
圖 5.1模擬系統輸入VF電壓 58
圖 5.2模擬系統輸出電流 59
圖 5.3模擬系統輸出功率 59
圖 5.4實驗環境架設示意圖 61
圖 5.5測試溫度變化曲線圖 62
圖 5.6系統自動校正輸出功率曲線圖 63
圖 5.7對照組輸出功率曲線圖 63
圖 5.8系統自動校正輸出功率誤差百分比 64
圖 5.9對照組輸出功率誤差百分比 64
 
表目錄
表 2.1二極體元件特性曲線參數表 8
表 5.1溫度控制系統規格表 60
表 5.2儀表控制系統規格表 61

[1] H. J.Round, "A note on carborundum," Electrical World, vol. 49, p. 309, 1907.
[2] Nichia. (1996) Nichia Corporation. [Online]. https://www.nichia.co.jp/en/about_nichia/history.html

[3] MILITARY HANDBOOK RELIABILITY PREDICTION OF, 1991, MIL-HDBK-217F.
[4] Wang, Chia-Hung ; Tzu-Lun Hung ; Tai-Ping Sun, "PWM photo-power control for light-emitting diode lighting system without photo-diode detection," in Industrial Electronics and Applications (ICIEA), 2010 the 5th IEEE Conference on, 2010, pp. 1313 - 1316.
[5] Wan-Rone Liou, Cheng-Yu Lin, Tsung-Hsing Chen, and Lacorte W.B, "Multi-channel Constant Current LED Driver with Temperature," in Communications, Circuits and Systems (ICCCAS), 2010 International Conference on, 2010, pp. 527-531.
[6] Donald A. Neamen, Semiconductor Physics and Devices: Basic Principles , 4th ed.: McGraw-Hill, 2011.
[7] Chenming Calvin Hu, Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits., 2010.
[8] Altera. (2008) Pin Information for the Cyclone II EP2C5 Device.
[9] Texas Instruments. (2009-2013) ADC0802 Datasheet.
[10] Texas Instruments. (1999–2013) DAC0832 Datasheet.
[11] Jacob Millman and Arvin Grabel, Microelectronics.: Mcgraw-Hill College, 1987.
[12] Atmel Corporation. (2004) AT93C56A Datasheet.
[13] ST. (2004) TSM1013 Datasheet.
[14] 王致強, 資料結構 重點整理.: 高點文化, 2011.
[15] Maxim Integrated. (2008) DS18B20 Datasheet.
[16] Arduino. (2014) Arduino-ArduinoBoardUno. [Online]. http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardUno

[17] Atmel Corporation. (2009) ATmega328P Datasheet.
[18] Arduino. (2014) Arduino-ArduinoBoardDue. [Online]. http://arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardDue

[19] Atmel Corporation. (2012) SAM3X8E Datasheet.
[20] Samir Palnitkar, Verilog HDL: A Guide to Digital Design and Synthesis, 2nd ed.: Sun Microsystems, Inc., 2003.