功率型集成电路（Power IC）在技术上常被人视为技术较落后的一个集成电路领域，但随着全球电子化的趋势，个人用电子产品如计算机、手机、个人数字助理（PDA）、液晶显示器（LCD）等，都需要合适的功率型集成电路以协助产品在市场上提升竞争力，目前功率型集成电路在市场的需求上相当高；而由于环保意识抬头，电能使用的效率、电磁波安全的规范，都有赖更精良的功率型集成电路来提升。
功率型集成电路随着应用环境不同，设计的理念亦大相径庭[1]。如CPU需要大电流、快速瞬时响应及准确度，而手机、个人数字助理及数字相机则强调较长的待机时间与使用时间，因此对效率的要求较高。另外目前热门的液晶显示器也有其独特的供电要求，本文将就「压电变压器背光反流器」、「生物感测芯片电源系统」两个题目来进行讨论，介绍功率型集成电路的设计流程及理念。
压电变压器背光反流器
应用环境
近年来，TFT LCD监视器已逐渐取代CRT监视器成为市场的主流，虽然TFT LCD在视角、色泽饱和度、反应速度方面上不及传统的CRT显示器，但在所占的空间、重量及发光效率方面，远较CRT监视器为优。
LCD背光源主要有两种，冷阴极管（CCFL）及发光二极管（LED），其中LED驱动方式较为简单，但因其为点光源，应用在大尺寸面板有其困难性，因此CCFL为目前大面板显示器的主要背光组件，而点亮CCFL需要约一千伏特的高压，传统上使用绕线变压器来作升压；但传统变压器有体积上的缺点以及安规上的考虑，若使用压电变压器则有体积小、效率高、不易产生电磁干扰等问题。在驱动特性方面，CCFL在点亮前的等效阻抗很高，且需要很高的启动电压，灯管点亮后则等效阻抗则降至100K左右，而压电变压器在负载为高阻抗时有很高的升压比，在负载阻抗降低时升压比会随之降低。由于十分匹配的驱动特性，压电变压器势必成为未来驱动CCFL的主流。由于压电变压器应用于CCFL的时间并不久，点亮并维持高效率工作点的许多驱动压电变压器方法陆续被提出，主要分类有：定频控制（Constant Frequency Control）、变频控制（Variable Frequency Control）[2]、相位控制（Phase Control）[3]和混合控制（Mixed Mode Control）[4]。以下本文将以一结合变频及相位控制的驱动方式做为设计案例，在以下两小节做详细介绍。
系统规划
由上一小节我们知道压电变压器有对工作环境相当敏感的特性，当压电变压器的最佳共振频率改变时，系统的效率将会逐渐降低，甚至可能过热导致系统毁损。为了克服上述设计瓶颈，本案例舍弃传统共振电路中，由压电变压器参与决定驱动频率的驱动架构，而改以外部电路控制，以利于维持整个系统之输出效率及稳定度。
系统方块图
(图一)为LCD的系统方块图，图中的输入电压为市用电源整流后的直流电压，约两百伏特。本案例设计一控制电路，使高压输入为两百伏特的半桥电路输出适于驱动压电变压器的波形；为求效率的提升，在半桥电路的输出加上串联的电容电感使压电变压器的输入接近理想的弦波。由于压电变压器的输入电压相当高，所以对压电变压器的正常工作升压比需求不高，视灯管的长度而定，大约在五倍左右，这是一般的单层压电材料可以轻易达成的升压比。
启动扫频机制
冷阴极管在点亮之后约有100kΩ的等效电阻，也以此为设定最佳工作频率的参数。然而在点亮之前冷阴极管的电阻接近无限大，因此造成最佳工作频率的变化使得升压比不足，除此之外，灯管本身所需的启动电压也较维持电压高。
如(图二)、(图三)，藉由起动电路，可以使驱动频率在一开始先经过f1点，得到足够的升压比将灯管点亮后，再将频率移动到点亮后的最佳工作频率f2。
冷阴极管点亮之后，压电变压器会因为温度等关系造成最佳工作频率的漂移，若以固定的频率加以驱动，一旦最佳工作频率漂移太远，冷阴极管便会熄灭，因此必须设法追上工作频率的漂移。而已知在输入和输出电压两者相位相差45度时，可以得到最大的升压比以及适当的转换效率，因此可以利用锁相回路（Phase Locked Loop；PLL）所具有的追频以及相位锁定特性，在Δf的范围内寻找，以达到最佳工作频率，如(图四)、(图五)。
IC设计方块图
(图六)为IC内部方块图，IC在控制方面主要有三个脚位，两个用来控制半桥功率晶体管，一个脚位用于回授灯管信号，以做相位控制及调光之用。系统启动之后，由频率选择方块驱动压控震荡器，使压控震荡器输出如图三的扫描频率，当灯管电量后，根据回授信号，将输入电压及输出电流锁定在45度以维持系统工作于最佳效率点。
电路实现
本系统电路主要可分为六个部分，压控震荡器（Voltage Control Oscillator）、启动电路（Start-up）、追频器（Frequency Tracking）、调光器（Dimmer Control）、驱动电路（Driver）以及保护电路。本文仅就电路的核心：压控震荡器及追频器做讨论。
压控震荡器
根据压电变压器的特性，必须将输入与输出波形之相角控制在相位差45度，才可以达到最大升压比以及良好的工作效率。但是在实作上，45度的相位差相当难以侦测，因此利用串接震荡器（Ring Oscillator）来解决这个问题。
(图七)为实际电路图，图上方为8个反向延迟器再加一个单纯的反向器，根据串接震荡器的原理可知，8个反向延迟器会将360度8等份均分，使得每个反向延迟器的输出会与相邻的输出差45度，此电路是以改变反向器的供应电压来调整输出频率。对每一级反向延迟器而言，延迟时间为：
而震荡频率为：
所以我们只要改变供应电压就可以改变此震荡器频率。
追频器
追频器的作用是在相位差漂离45度时，加以侦测并且作出调整；追频器包含下面两个部分：相位检测器以及低通滤波器。(图八)为相位检测器的工作原理，当信号R或是信号V领先时，分别会在输出DN及UP产生一脉波，而此脉波的宽度与信号领先的程度成正比。(图九)为相位检测器的电路，由于在压控震荡器中已经产生合适的讯号，因此这里使用的是零度的相位检测器，两个输入为R和V，而输出IOUT则为电流讯号。
接着用charge-pump将一连串的脉波信号转换为电压讯号，以用作前一小节压控震荡器的电源输入，如(图十)，信号DN及UP控制了两个开关P及N，信号DN及UP的脉波宽度调整开关P与N的开启时间，如此可控制charge-pump输出电流的多寡。
追频器的第二个部分则是低通滤波器，如(图十一)。在整个压电变压器的系统中，不论是功率晶体管或者是刚才的charge-pump电路，都是以开关的形式工作。在作稳定度分析的时候为了要将开关的效果以平均值来看待，整个回授系统的带宽必须远低开关的操作频率，因此初步设定在约5kHz（切换频率的1/10以下）。由于压控震荡器的输入是电压讯号，因此低通滤波器也负责将电流讯号转换成电压讯号的工作。
生物感测芯片电源系统
随着人口结构高龄化的趋势，年老病患的疾病看顾已是当务之急。若能对慢性病作实时监控，就能收到及早发现、及早治疗的效果。生物感测芯片目标是植入人体，利用微机电或是化学的原理对人体作感测，当芯片感测出异样结果， 可以利用芯片内的无线发射器发出警告，如此可对许多慢性病作有效的控制。
应用环境介绍
近年来微机电制程技术的快速发展，使得许多诸如生医芯片、无线传感器、电子卷标等可携式电子系统的研发备受瞩目。但由于现阶段电池技术的发展与应用往往受限于需更换、充电以及寿命有限等特性，造成此类无线电子设备之供电问题成为其发展的一大瓶颈。因此以下设计案例将试图研发大部分无线微系统均需具备之独立微型电源供应器，期许能以无线的方式供应系统运作所需之电能。目前研究的方向将先采取以外加能量源，无线供应传输能量，再透过适当之组件转化为电能供给；而长期地以撷取空间环境中多余的能量，如震动、电磁波等做为有效电能，为终极目标。接下来的章节将针对此一应用环境设计适用的功率IC。
系统架构设计
如(图十二)，针对系统所需不同规格电源间之转换，加以设计最适当之电路架构，以期达到低体积及高转换效率之目标。功率与控制电路的良莠决定了电力转换系统的效能，在电子仪器设备愈趋短小的趋势下，电路整体效率的要求就愈严格，因此先充份了解电能转换组件与负载特性之后，便可依所需求之规格开始电路架构的设计。将功率与控制电路积体化是现今电力电子技术的主流走向之一，由于功率组件制程技术的进步，以往由分离组件所组成的电力转换电路已有渐渐被取代的趋势。当大幅减低电力转换系统之体积后，与分离式的电力转换系统相较，功率型集成电路应用于可携带式之电子设备仪器就拥有相当大的优势，因此电路架构的设计，皆朝可积体化的方向走。
控制回路设计
如(图十三)，以低功率、低启动电压、高稳定性为目标来设计电路。首先，控制模式采取无右半平面零点的边界模式，如此可将控制电路简单化，电路尺寸也会随之变小；在所需的负载下，进行其稳定性的分析和设计，以达到控制回路在规格的负载下，皆能稳定。而在此系统中，与业界相关之控制方法与架构相比，有一极大优势，因为在一般业界所采用的电路中，为了使降低切换损耗（switching loss）而使用一种称为零电压切换（Zero Voltage Switching；ZVS）的控制技术，而为了达成此一技术，往往需要多一绕组来侦测零电压的情形，且必须随着规格的不同来微调其电路特性，使之正常作动，本电路系统里，将此一绕组省略，并将所有相关控制电路积体化，省面积又省外部电路的支出，且其不须随规格的变动来调整其特性。
(图十四)所示为系统仿真结果图表，其中VDD=2.5V，VLX-RO为电感对输出端刚释放能量时，与Power MOS相连处之电压值，VLX-S为电感准备做下一周期储存能量动作时之切换电压，可看出其皆在最低电压值时做切换，有效减少切换损耗，而且在VLX与VDD之间达一定差距时，会自动变成ZVS的切换状态，为此电路最大特点。
结语
本文介绍了两个应用于不同环境的功率IC设计，一个用于LCD背光系统，配合压电变压器将市用电压提升到足以启动CCFL的电压值。另一个功率IC是设计于提供能源给植入人体的生物芯片。在这两个例子中，可以稍稍领略设计功率IC的逻辑，从系统端入手，根据系统驱动的特性，所需要的电压、电流、功率大小、电路体积限制乃至于成本，来选择适合的电路架构及控制方法。若钻研于电路的研发而忽略系统端的应用，在功率IC的设计上会遇上较多的困难。
电力相关系统的规格相较于通讯或是显示适配器等相关IC简单许多，不像许多数字式的IC在规格的演进上日新月异，在系统设计上不会绑手绑脚。此外功率产品一般来说需要较长的时间来研发与认证，进入门坎较高。而国内许多厂商耕耘这块领域已久，配合市场新兴产品的趋势，产业前景相当看好，绝对是值得国人重视的一个IC领域。（作者陈秋麟为台大电子所/台大系统芯片中心研发教授；陈世又、姜柱圯为台大电子所研究生）
＜参考数据：
[1] 薛添福， "功率IC及功率组件的现况及趋势"， 第一届电力电子研讨会，pp150-153(2002)。
[2] Shoyama， M。， Horikoshi， K。， Ninomiya， T。， Zaitsu， T。， and Sasaki， Y。， "Steady-State Characteristics of the Push-Pull Piezoelectric Inverter，" Proceedings of IEEE PESC， pp。 715-721 (1997)。
[3] Dallago， E。 and Danioni， A。， "Resonance frequency tracking control for piezoelectric transformer DC-DC converter，" Electronics Letters， Vol。 37， No。 22， pp。 1317-1318 (2001)。
[4] Hamamura， S。， Kurose， D。， Ninomiya， T。， and Yamamoto， M。， "New control method of piezoelectric transformer converter by PWM and PFM for wide range of input voltage，" Proceedings of IEEE CIEP， pp。 3-8 (2000)。＞
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