雖然目前的交換式電源供應器已經比早期的線性式電源供應器輕巧許多，但是交換式電源供應器內部仍然含有許多的控制功能，以及各個控制電路所需要的外加被動元件，因此仍具有一定的體積與重量；若是將這些控制電路以及被動元件皆整合成為一個複合式控制晶片，將使得電源供應器的體積與重量能夠有效的縮減，同時產品的製造成本也能降低。因此本論文旨在提出一個結合功率因數校正電路、脈衝寬度調變系統以及啟動時序電路之交直流複合式控制器以應用於交流對直流電源供應系統。在現今能源短缺的時代，如何有效提昇電力設備的轉換效率便更顯得重要，因此在交直流轉換的過程中，利用功率因數校正電路降低電路上所產生不必要的虛功與諧波以提昇轉換效率；而在脈衝寬度調變系統的設計上，則具有變頻節能的功能，在轉換器產生額定輸出功率之使用率低於20%時，系統會切換至低頻操作，整體操作頻率降低為正常模式之操作頻率的1/3，是為節能模式，此時額定輸出功率降低為原本的1/3；當系統進入節能模式後，負載使用率必須高於額定輸出功率之25%，操作頻率才會切換回正常模式。節能模式以及正常模式之功率使用率切換點之不同，主要是為了防止相同切換點可能較容易產生振盪情形，因此將系統之切換點設定為具有5%之遲滯區間。由於脈衝寬度調變系統具有節能模式，因此轉換器能夠避免產生多餘的輸出功率，而達到使用上效率的提昇。最後，整體轉換系統的啟動、關閉以及內部晶片的時序管理則由啟動電路來控制。
　　本交直流複合晶片採用TSMC 0.5um 5V/40V CMOS 製程實現。經由模擬顯示脈衝寬度調變系統將分別控制兩組不同的轉換器使其產生兩組不同輸出功率的直流電壓，以提供不同需求之應用負載使用；為了符合目前一般市面上普遍之交換式電源供應器操作頻率，因此調變系統之操作頻率訂為79kHz，而於此操作頻率下，整體脈衝寬度調變系統之功率消耗包含驅動電路僅為6mW。

Though the present switching power supply has been already much lighter and handier than the early linear power supply. But the switching power supply interior still contains a lot of control functions and each control circuit needs some external passive devices, so it still has certain volume and weight. If we combine all the control circuits and the passive devices with whole combo control IC, it will efficiently reduce the volume and weight of the power supply, and the manufacturing cost of the products can be reduced, too.
  The thesis aims to combine the power factor correction circuit, the pulse width modulation system and the start-up controller to the AC/DC combo IC for the AC to DC power supply system. Nowadays, we are in an era of energy shortage, how to promote the conversion efficiency to the electric equipment seems more important. Therefore, during the process of handing in AC to DC transformation, in order to promote the conversion efficiency, we use the power factor correction circuit to reduce unnecessary busywork and harmonic components. In the design of the pulse width modulation system, the green-mode function is introduced to the PWM system to change the operation frequency which can save the power consumption. When the converter produces the normal rated power (NRP) whose utility rate is lower than 20%, the system will change to the low frequency operation which will decrease to one third of the normal mode. This is called green-mode. Meanwhile, the NRP will also decrease to one third of the original power. When the system changes to the green-mode, the utility rate has to 25% higher than the NRP, and then the system will change to the normal mode as well. The difference of the switching point between the green-mode and the normal mode is primarily to prevent the oscillation of the system. Because the green-mode is introduced to the PWM system, the converter can avoid extra power consumption to increase the efficiency while using. Finally, the start, close and the inside IC time sequence of the converting system are all controlled by the start-up controller.
  The whole chip is presented and fabricated in TSMC 0.5um 5V/40V CMOS process. It was displayed by the simulation result, the PWM system will respectively control two kinds of converters to produce two output dc voltages with different output power for different applications. Under the operation frequency of 79kHz, the whole PWM system including the drive circuit is only 6mW.

目錄


中文摘要…………………………………………………………	I
英文摘要………………………………………………………    III
目錄………………………………………………………………… V

圖目錄………………………………………………………………VIII
表目錄………………………………………………………………XIII
	
第一章 簡介	
	
1.1 研究背景 ………………………………………………………1
1.2 研究動機 ………………………………………………………2
1.3 論文架構 ………………………………………………………4
	
第二章 軌對軌輸入/輸出高增益低功率運算放大器	
	
2.1 簡介 …………………………………………………………	5
2.2 運算放大器電路架構………………………………………   5
     2.2.1 軌對軌輸入級與常數轉導控制器…………………	7
     2.2.2 具有增益提高組態之串疊級………………………  12
     2.2.3 推挽式CMOS輸出級與浮動電流源………………	15
2.3 模擬與量測結果……………………………………………	17
     2.3.1 交流響應……………………………………………  18
          2.3.1.1 交流響應之量測設置……………………… 18
          2.3.1.2 交流響應之模擬與量測…………………… 20
          2.3.1.3 交流響應之負載變化測試………………… 21
          2.3.1.4 交流響應之共模輸入電壓變化測試……… 23
     2.3.2 直流響應………………………………………… … 24
          2.3.2.1 迴轉率……………………………………… 24
          2.3.2.2 輸入/輸出範圍………………………………25
          2.3.2.3 步階訊號響應……………………………… 26
2.4 結論 ……………………………………………………………28
	
第三章 交流對直流複合控制器系統架構	
	
3.1交直流電源供應系統……………………………………………30
3.2 啟動電路……………………………………………………… 32
3.3 功率因數校正電路……………………………………………	35
3.4 脈衝寬度調變系統…………………………………………… 38
	
第四章  脈衝寬度調變器與外部轉換電路	
	
4.1 穩壓電路的應用……………………………………………… 41
    4.1.1 馳返式轉換器………………………………………… 43
    4.1.2 順向式轉換器………………………………………… 44
4.2 電壓模式……………………………………………………	46
4.3 電流模式………………………………………………………	47
    4.3.1 責任週期d＞50%之不穩定情形……………………… 50
    4.3.2 斜率補償……………………………………………… 52
	
第五章 脈衝寬度調變系統	
	
5.1 節能脈衝寬度調變器………………………………………   56
    5.1.1 輸出功率與變頻節能………………………………… 58
    5.1.2 電流補償……………………………………………… 61
         5.1.2.1 變頻切換之振盪問題…………………………61
         5.1.2.2 電流補償之原理………………………………64
         5.1.2.3 電流補償後之整體波形………………………67
5.2 最大責任週期鉗制脈衝寬度調變器…………………………	69
    5.2.1 最大責任週期鉗制…………………………………… 71
	
第六章 脈衝寬度調變系統的設計與實現	
	
6.1節能脈衝寬度調變器……………………………………………74
    6.1.1 時脈產生器…………………………………………… 74
         6.1.1.1 線性電流源……………………………………75
         6.1.1.2 遲滯電路………………………………………79
         6.1.1.3 時脈產生器輸出波形…………………………80
    6.1.2 負載測試電路………………………………………… 83
    6.1.3 變頻時脈產生器………………………………………	86
    6.1.4 電流補償電路………………………………………… 88
         6.1.4.1  3位元計數器…………………………………88
         6.1.4.2 電流鏡電路……………………………………89
         6.1.4.3 電流補償電路輸出波形模擬…………………91
    6.1.5  14位元計數器…………………………………………92
    6.1.6 過載關閉電路………………………………………… 93
    6.1.7 驅動電路……………………………………………… 96
    6.1.8 調變器比較電路……………………………………… 98
6.2 最大責任週期鉗制脈衝寬度調變器………………………	100
    6.2.1 最大責任週期鉗制電路……………………………… 100
    6.2.2 軟啟動電路…………………………………………… 102
    6.2.3 驅動電路……………………………………………… 103
    6.2.4 調變器比較電路……………………………………… 104
6.3脈衝寬度調變系統晶片佈局與後模擬…………………………108
    6.3.1 晶片佈局……………………………………………… 108
    6.3.2 脈衝寬度調變系統後模擬…………………………… 110

	
第七章 結論	
7.2 總結…………………………………………………………… 115
7.2 未來展望……………………………………………………… 115
	
參考文獻	117
	


圖目錄


圖2.1     軌對軌輸入/輸出高增益低功率運算放大器架構圖……………6
圖2.2     軌對軌輸入級在不同共模輸入位準下之操作情形…………………8
圖2.3    軌對軌輸入級從0V至3.3V之轉導變化……	8
圖2.4     具有常數轉導控制器之軌對軌輸入級……9
圖2.5     軌對軌輸入級加上常數轉導控制器由0V至3.3V之轉導變化……11
圖2.6     具有增益提高電路之串疊級………………………………………13
圖2.7     具有單端輸出增益提高放大器之串疊級CMOS電路圖…………14
圖2.8     具有浮動電流源之CMOS推挽式軌對軌輸出級………16
圖2.9     推挽式輸出級之靜態工作電流以及大幅度之動態電流變化………17
圖2.10    軌對軌輸入/輸出高增益低功率運算放大器之晶片佈局…………18
圖2.11    放大器之交流響應量測考量………………19
圖2.12    放大器之交流響應量測設置電路圖…………………………19
圖2.13(a)  放大器之交流響應：模擬結果………………………21
圖2.13(b)  放大器之交流響應：量測結果………………………21
圖2.14    交流響應之模擬與量測結果比較圖………………… 21
圖2.15(a)  不同輸出負載下的交流響應量測結果：50pF………22
圖2.15(b)  不同輸出負載下的交流響應量測結果：1pF……… 22
圖2.15(c)  不同輸出負載下的交流響應量測結果：10k……… 22
圖2.15(d)  不同輸出負載下的交流響應量測結果：  2k………22
圖2.16(a)  不同共模輸入位準下的交流響應量測結果：0.1V…………………	24
圖2.16(b)  不同共模輸入位準下的交流響應量測結果：1V…………………24
圖2.16(c)  不同共模輸入位準下的交流響應量測結果：2.3V…………………	24
圖2.16(d)  不同共模輸入位準下的交流響應量測結果：3.2V…………………	24
圖2.17(a)  放大器直流響應之迴轉率：模擬結果………………………………	25
圖2.17(b)  放大器直流響應之迴轉率：量測結果………………………………	25
圖2.18    放大器直流響應之輸出擺幅量測結果………………………………	26
圖2.19(a)  放大器構成之緩衝器步階響應在100mV的小步階訊號輸入下：
　　　　　模擬結果………………………………………………………………	27
圖2.19(b)  放大器構成之緩衝器步階響應在100mV的小步階訊號輸入下：
　　　　　量測結果………………………………………………………………	27
圖2.20(a)  放大器構成之緩衝器步階響應在1V的大步階訊號輸入下：
　　　　　模擬結果………………………………………………………………	27
圖2.20(b)  放大器構成之緩衝器步階響應在1V的大步階訊號輸入下：
　　　　　量測結果………………………………………………………………	27
	
圖3.1     交流對直流電源供應系統……………………………………………	30
圖3.2     複合式功率晶片內部供應電源示意圖……………………………	32
圖3.3     啟動電路系統方塊圖…………………………………………………	33
圖3.4     啟動電路控制時序波形示意圖………………………………………	34
圖3.5     電容性負載波形圖………………………………………………………	36
圖3.6     電感性負載波形圖………………………………………………………	36
圖3.7     功率因數向量關係圖…………………………………………………	37
圖3.8     畸變因子造成電流波形失真的情形…………………………………………………………37
	
圖4.1(a)   切換式直流－直流電壓轉換器電路圖………………………………	41
圖4.1(b)   切換時間與平均輸出電壓關係圖……………………………………	41
圖4.2     脈衝寬度調變與外部轉換電路方塊圖………………………………………42
圖4.3(a)   馳返式轉換器：架構圖………………………………………………43
圖4.3(a)   馳返式轉換器：電路波形……………………………………………	43
圖4.4(a)   順向式轉換器：架構圖………………………………………………44
圖4.4(a)   順向式轉換器：電路波形……………………………………………	44
圖4.5(a)   電壓模式之脈衝寬度調變器：架構圖………………………………	47
圖4.5(b)   電壓模式之脈衝寬度調變器：比較訊號……………………………47
圖4.6     脈衝寬度調變：(a)電壓模式與 (b)電流模式方塊圖之比較………	48
圖4.7(a)   電流模式之脈衝寬度調變器：架構圖………………………………49
圖4.7(b)   電流模式之脈衝寬度調變器：比較訊號……………………………49
圖4.8(a)   電流模式之次諧波擾動情形：d=0.4………………………………51
圖4.8(b)   電流模式之次諧波擾動情形：d=0.6………………………………51
圖4.9     電感電流加入斜率補償後之波形………………………………………52
圖4.10     電流模式PWM增加斜率補償的兩種方法………………………………………………54
	
圖5.1　   節能脈衝寬度調變器系統方塊圖……………………………………57
圖5.2(a)   回授直流位準與操作頻率波形關係圖：重載→輕載………………	60
圖5.2(b)   回授直流位準與操作頻率波形關係圖：輕載→重載………………	60
圖5.3　   不具有電流補償之變頻節能PWM負載變化模擬…………………62
圖5.4(a)   無電流補償變頻PWM負載變化模擬之輸出波形…………………	63
圖5.4(b)   變頻切換時造成之振盪情形…………………………………………	63
圖5.4(c)   轉換器直流輸出的變動………………………………………………	63
圖5.5　   經過電流補償之峰值檢測電壓波形…………………………………	67
圖5.6　   具有電流補償之變頻節能PWM負載變化模擬……………………	67
圖5.7(a)   電流補償後之變頻切換波形…………………………………………	68
圖5.7(b)   具電流補償之回授直流位準變動範圍比較…………………………	68
圖5.7(c)   輸出變動範圍比較……………………………………………………	69
圖5.8　   最大責任週期鉗制脈衝寬度調變器系統方塊圖…………………	70
圖5.9　   軟啟動電路改善輸出過衝情形比較圖………………………………	70
圖5.10　  系統鋸齒波訊號前緣PWM、訊號後緣PFC調變示意圖…………	72
圖5.11　  最大責任週期鉗制訊號控制責任週期比例之波形圖………………	72
	
圖6.1　   時脈產生電路方塊圖…………………………………………………	75
圖6.2(a)   線性電流源電路圖……………………………………………………	76
圖6.2(b)   加入測試電壓之電流源波形…………………………………………	76
圖6.3　   電流源之偏壓點加上溫度變異模擬…………………………………	78
圖6.4(a)   遲滯電路轉換波形……………………………………………………	79
圖6.4(b)   遲滯電路圖……………………………………………………………	79
圖6.5　   遲滯電路輸入/輸出波形……………………………………………	80
圖6.6　   時脈產生電路方塊圖…………………………………………………	81
圖6.7　   時脈產生電路在製程與溫度變異下出現之狀態誤判波形…………	81
圖6.8　   遲滯電路時間延遲修正………………………………………………	82
圖6.9　   電路修正後正反器輸入/輸出訊號波形……………………………	82
圖6.10　  負載測試電路圖………………………………………………………	83
圖6.11　  變頻時脈訊號取樣點…………………………………………………	84
圖6.12(a)  負載測試電路波形圖………………………………………………	85
圖6.12(b)  輕重載切換訊號S2與補償觸發訊號Tr……………………………	85
圖6.13　  變頻時脈產生器電路圖………………………………………………	86
圖6.14　  Q0、Q1和Q2構成之循環位移波形……………………………….	86
圖6.15　  變頻時脈產生器模擬波形……………………………………………	87
圖6.16　  應用於電流補償電路之3位元計數器……………………………	88
圖6.17　  3位元計數器所產生之控制訊號B1、B2、B3……………………	89
圖6.18　  電流鏡電路圖…………………………………………………………	90
圖6.19　  電流補償電路模擬情形………………………………………………	92
圖6.20　  電流補償電路輸出波形………………………………………………	92
圖6.21　  14位元計數器電路圖…………………………………………………	93
圖6.22　  過載關閉電路圖………………………………………………………	93
圖6.23　  過載關閉電路時序模擬波形…………………………………………	95
圖6.24　  驅動電路圖…………………………………………………………	97
圖6.25　  驅動電路輸入、輸出波形……………………………………………	97
圖6.26(a)　驅動電路：上升延遲時間…………………………………………	97
圖6.26(b)　驅動電路：下降延遲時間…………………………………………	97
圖6.27　  調變器比較電路圖……………………………………………………	98
圖6.28　  調變器比較電路時序模擬波形………………………………………	99
圖6.29　  最大責任週期鉗制電路圖……………………………………………	100
圖6.30　  最大責任週期鉗制波形圖……………………………………………	102
圖6.31　  驅動電路圖……………………………………………………………	103
圖6.32　  驅動電路輸入、輸出波形…………………………………………	104
圖6.33　  調變器比較電路與軟啟動電路圖……………………………………	105
圖6.34　  軟啟動電路輸出波形模擬……………………………………………	105
圖6.35(a)　PWM訊號後緣於鋸齒波形OSC中的關閉位置與決定電路……	107
圖6.35(b)　後緣關閉位置由Vss2決定………………………………………	107
圖6.35(c)　後緣關閉位置由VFE決定…………………………………………	107
圖6.35(d)　後緣關閉位置由Vclamp決定…………………………………………	107
圖6.36　  最大責任週期鉗制波形圖……………………………………………	108
圖6.37　  交直流複合式晶片佈局圖……………………………………………	109
圖6.38(a)  節能脈衝調變器與馳返式轉換器之變異模擬………………………	110
圖6.38(b)  最大責任週期鉗制調變器與順向式轉換器之變異模擬……………	110
圖6.39　  電壓回授直流位準、峰值檢測點與變頻時脈訊號波形模擬………	111
圖6.40　  回授直流位準與輕重載切換造成輸出調變訊號STB頻率變動…	112
圖6.41　  節能脈衝寬度調變器之迴路延遲時間模擬…………………………	113
圖6.42　  最大責任週期鉗制脈衝寬度調變器之迴路延遲時間模擬…………	113



表目錄


表 2.1     軌對軌運算放大器規格表…………………………………………	28
	
表 6.1     脈衝調變系統規格表………………………………………………  114

[1]	J. H. Huijsing and D. Linebarger, “Low-Voltage Operational Amplifier with Rail-to-Rail Input and Output Ranges,” IEEE J. Solid-state Circuits, vol. SC-20, no. 6, pp.1144-1150, Dec. 1985.
[2]	R. Hogervorst, J. P. Tero, R. G. H. Eschauzier, and J. H. Huijsing, “A Compact Power-Efficient 3V CMOS Rail-to-Rail Input/Output Operational Amplifier for VLSI Cell Libraries,” IEEE J. Solid-state Circuits, vol. 29, no.12, pp.1505-1513, Dec. 1994.
[3]	R. J. Baker, CMOS, Circuit Design, Layout, and Simulation, 2nd ed., John Wiley & Sons, INC, 2005.
[4]	W. Jin and Q. Yulin, “Analysis and design of fully differential gain-boosted telescopic cascode opamp,” ICSICT, vol. 2, pp. 1457-1460, Oct. 2004.
[5]	K. Bult, and G. J. G. M. Geelen, “A Fast-Settling CMOS Op Amp for SC Circuits with 90-dB DC Gain, ” IEEE J. Solid-state Circuits, vol. 25, no. 6, pp. 1379-1384, Dec. 1990.
[6]	J. Yuan, N. Farhat, and J. V. D. Spiegel, “GBOPCAD: A Synthesis Tool for High-Performance Gain-Boosted Opamp Design,” IEEE Trans. Circuits and Systems I, vol. 52, Iss. 8, pp.1535-1544, Aug. 2005.
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[9]	S. Ang and A. Oliva, Power-Switching Converters, 2nd ed., Taylor & Francis, 2005.
[10]	N. Mohan, T. M. Undeland and W. P. Robbins, Power Electronics, 2nd ed., John Wiley & Sons, INC, 1995.
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[12]	梁適安， 交換式電源供給器之理論與實務設計， 全華科技圖書，2001.
[13]	J. Hwang and A. Chee, “Improving efficiency of a pre-/post-switching regulator (PFC/PWM) at light loads using green-mode function,” IEEE APEC, vol. 2, pp. 669-675, Feb. 1998.
[14]	S. C. Wang, C. F. Su and C. H. Liu, “High power factor electronic ballast with intelligent energy saving control for ultraviolet lamps drive,” IEEE IAS vol. 4, pp. 2958-2964, Oct. 2005.
[15]	A. Bermak, “A CMOS imager with PFM/PWM based analog-to-digital converter,” IEEE Circuits and Systems, vol. 4, pp. 26-29, May 2002.
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[23]	J. Xiao, A. Peterchev, J. Zhang and S. Sanders, “An ultra-low-power digitally-controlled buck converter IC for cellular phone applications,” IEEE APEC, vol. 1, pp. 383-391, 2004.