Power electronics

I. 基本原理 首先認識FB電壓回授電路之前，必須先知道什麼是回授系統 Feedback (FB) System，回授系統的處理部分可以是電氣或電子的，範圍從非常簡單到高度複雜的電路。簡單的類比回授控制電路可以使用單獨或分立的元件（例如電晶體、電阻器和電容器等）構建，或使用基於微處理器的積體電路（IC）來構建更複雜的數位回授系統。 正如我們所看到的，開環系統是開放式系統，並且不會嘗試補償由於電路參數（例如增益和穩定性、溫度、電源電壓）變化而導致的電路條件變化或負載條件變化和/或外部幹擾。但透過引入回饋可以消除或至少大大減少這些「開環」變化的影響。反饋系統是一種對輸出訊號進行採樣，然後反饋到輸入以形成驅動系統的誤差訊號的系統。 雖然控制系統有許多不同類型，但回授控制主要有兩種類型：正回授和負回授控制，如圖1所示。 圖1: 正回授/負回授控制系統 1.正回授系統 在“正回授控制系統”中，由於回授與輸入“同相”，因此控制器將設定點和輸出值相加。正（或再生）回授的作用是「增加」系統增益，即應用正回授的總增益將大於沒有回授的增益。例如，如果有人讚揚你或對某件事給予你正面的回饋，你就會對自己感到高興並且充滿活力，你會感覺更正面。然而，在電子和控制系統中，過多的讚揚和正回授可能會使系統增益增加太多，這會導致振盪電路響應，因為它會增加有效輸入訊號的振幅。 2.負回授系統 在“負回授控制系統”中，由於回授與原始輸入“異相”，因此設定點和輸出值會相互減去。負（或退化）回饋的作用是「減少」增益。例如，如果有人批評你或給你關於某事的負面回饋，你就會對自己感到不高興，因此缺乏能量，你會感覺不那麼正面。由於負回授會產生穩定的電路響應，提高穩定性並增加給定系統的工作頻寬，因此大多數控制和回授系統都是退化的，從而減少了增益的影響。 負回授在放大器和控制系統中的使用很廣泛，因為通常負回授系統比正回授系統更穩定。 在DC/DC Converter輸出電壓設定，常用的方法會使用FB分壓電阻來調整輸出電壓，其原理就如同上述所說的負回授控制系統，透過FB電路回授輸出電壓至IC內部的控制系統。 FB電路是由兩個電阻(R1、R2)串聯所構成，如圖2所示，其中R1會連接Vout端，R2則連接至GND，而誤差放大器的FB Pin 則連接在兩電阻之間。 圖2: FB回授電路 因此FB Pin上的電壓就可由式(1)所表

  作者:Minepower 伏特羊 I. 什麼是PMOS LDO?  什麼是NMOS LDO? 由上一篇文章我們基礎認識了LDO的架構與應用，而LDO其架構其實又可細分為PMOS LDO以及NMOS LDO，差別在於LDO內部MOSFET所採用之類型。 1.PMOS LDO (1)基本電路 主要由P-Channel的 MOSFET和控制MOSFET的誤差放大器構成，如圖1所示，其源極(S)與輸入電壓相連。PMOS LDO控制迴路非常簡單，內部的誤差放大器通過控制 P-MOSFET 的閘極(G)電壓使外部反饋電路上的反饋電壓(FB)保持與參考電壓(VREF)在相同的準位。 圖1. PMOS LDO電路架構( Richtek Tec. ) (2)PMOS LDO動作原理(如圖2) 1.當負載瞬間增加或其他原因導致輸出電壓下降時，原本穩定工作點位在A點，因為輸出電壓的下降，使得VDS電壓增大，此瞬態時間會由 A點移動至B點 。 2.因為Vout電壓下降，同時間FB點偵測的電壓也會變小，使得誤差放大器FB電壓與參考電壓Vref比較，誤差放大器驅動電路會調降相對於源極的閘極(G)電壓。 3.調降閘極(G)電壓，使得VGS電壓更負，這會增加 P-MOSFET 的導通能力，輸出電流ID會增加，因為電流增加，使得能量增加，由 B點移動到C點 ，輸出電壓就會再次上升到原來的設定的電壓，完成整體的電路回授控制，維持固定的VDS壓差。 圖2. PMOS LDO動作原理 在此配置中，MOSFET 可以被控制在非常接近 MOSFET-ON 的導通水平，這使得即使 VIN 非常接近 VOUT 時，LDO 仍可以正常操作。但由於閘極電位不能低於接地電位，輸入電壓也必須夠高以提供足夠的空間讓 MOSFET 的閘-源極電壓處在能夠正常操作的水平上。因此，使用 P-MOSFET 為調整管的 LDO 也會需要大約 2.5V 的最低輸入電壓要求。 2.NMOS LDO (1)基本電路 在某些應用條件下，可能需要在非常低的輸入電壓情況下使用低壓差線性穩壓器（LDO）來提供電源，此時可以選擇N-MOSFET LDO。 以N-MOSFET作為開關的LDO需要比輸出電壓更高的閘極(G)驅動電壓，為了實現非常低的輸入和輸出電壓壓差，許多N-MOSFET LDO 會使用 內部電荷泵電路(Charge Bump) 或

作者:Minepower 伏特羊 I. What is MOSFET? 要先認識Power MOSFET之前，勢必需要先知道什麼是MOSFET，因此簡單介紹一下MOSFET是什麼。 金屬氧化物半導體場效電晶體 (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET)，也簡稱為金氧半場效電晶體或是稱為MOS，是一種可以廣泛使用在類比電路與數位電路的場效電晶體。 MOSFET通常是四端元件，包括源極（Source, S）、汲極（Drain, D）、閘極（Gate, G）以及基極（Bulk 或 Body），這四個端子共同構成了 MOSFET 的基本結構。 在 MOSFET 的電路符號中，箭頭的方向用來表示 MOSFET 的型別（N型或P型） MOSFET依照其通道極性的不同，可分為電子占多數的N通道型與電洞占多數的P通道型，通常被稱為N型金氧半場效電晶體(NMOS)與P型金氧半場效電晶體(PMOS)，簡單分辨方式如下: 1.如果 MOS電路符號 內部箭頭指向基極（Bulk） ，這是一個N型的 MOSFET，稱為 NMOS ，NMOS表示符號如圖1所示；其電流走向為Drain 到 Source 。 圖1. NMOS電路表示符號 NMOS輸出端電流ID對VDS的特性曲線，可以分為三個區段，截止區、歐姆區以及飽和區，如圖2所示。 圖2. NMOS-ID、VDS特性曲線 1.截止區 (V GS <  V T ):  此區間特性呈現如開路。 當V GS  < 臨界電壓(Threshold Voltage, V T ) =  V GS(t)  時，通道尚未導通，因此通道上沒有電流可以流通，此時的特性曲線呈現為水平曲線，位於截止區(導通電阻=∞，可等校視為開路)。在截止區的工作條件可由式(1)表示。 2.歐姆區:  此區間特性呈現如壓控電阻 位於此區段時， V GS 必須> V T ，在基板接面建立N通道後，當 V DS 很小時，整條通度的厚度是均勻的，其通道特型如圖3(a)， 此時特性曲線是呈現固定斜率，表現出線性電阻的特性，如圖3(b)表示。 當 V GS 逐漸加大時，基板接面會吸引更多的反轉電子，使得通道加厚，因此導通電阻變小、通過的電流會增加。 圖3. NMOS-歐姆區工作模式(線性電阻特性) 當

作者:Minepower 伏特羊 I. DC/DC Buck Converter (N-Channel MOSFET) 在降壓轉換器應用中，基於閘控電壓極性、元件尺寸和串聯電阻等多種因素，使用P-Channel MOSFET(PMOS)或N-Channel MOSFET(NMOS)作為主開關，其中NMOS在產品選擇上更受青睞，原因在於它具有較低的導通電阻和較小的尺寸。而同步降壓轉換器應用則幾乎是使用NMOS作為開關，其原因可能涉及多方面的考慮： 1. 成本效益： NMOS通常比PMOS更便宜。在大多數製程技術中，製造NMOS晶體管的成本相對較低，這是一個影響選擇的關鍵因素。 2. 效能和效率：NMOS的導通電阻通常比PMOS低，這有助於提高轉換器的效率。此外，NMOS在某些方面的性能可能使其在高頻應用中更為適用。 3. 技術發展：隨著半導體技術的發展，NMOS的性能和可靠性已經提高。因此，製造商可能更傾向於使用NMOS，以充分利用這些技術進步。 4. 溫度管理： NMOS在一些情況下可能具有更好的熱性能，這是因為它的元件熱阻通常比PMOS小，這可能對裝置的溫度管理和散熱產生重大影響。 NMOS在作為開關使用時具有低的導通電阻，這有助於提升效率，如果導通電阻相同情況下，NMOS的價格通常又比PMOS便宜。 NMOS相比於PMOS有許多優勢，在 同步降壓轉換器應用 上、下橋幾乎是使用NMOS作為開關，其中下橋的NMOS導通條件很容易實現，閘極(G)與源極(S)之間的電壓VGS超過Vth(臨界電壓)即可導通。 然而要使用 NMOS作為上橋開關 並完全處於導通狀態，就必須提供充足的VGS(閘極-源極電壓)，當上橋MOS導通時，汲極(D)和源極(S)電壓接近相等，兩端點之間的電壓差VDS是很小的，如果要驅動閘極(G)，必須滿足VGS>Vth的條件，則需要在閘極(G)和GND之間增加電壓；換句話說，也就是 VGS電壓必須高於汲極電壓（Drain Voltage），否則無法有效導通上橋MOSFET ，為了達到此功能還必須需搭配額外電路，此電路即是自舉式電路。 因此，DC/DC  Buck Converter  上橋 使用 N-Channel MOSFET就需要搭配自舉式電路才能保持上側開關完全處於導通狀態 ，自舉式電路的作用就是提供比漏極電壓還高的電壓，保持上側開關導通狀態

作者:Minepower 伏特羊 I. Synchronous Buck Converter基本架構 隨著筆記型電腦、行動裝置等設備的逐漸發展，已使用多年的非同步整流型電路雖然簡單，但其效率勉強超過80%，對於高效率、小型化電源解決方案的需求不斷增加。 促使需要複雜控制的同步整流的設計發展，將其應用於在移動設備、電池供電應用等方面，此外Power MOSFET技術提升以及成本的降低，使能夠提供較佳效率的同步整流型降壓轉換器逐漸得到了廣泛的應用。 由上一篇章DC/DC基本原理4 (Buck Converter)我們知道了非同步降壓轉換器的基本架構以及降壓轉換的原理，因此本篇章會著重討論非同步與同步降壓轉換器的差別。 非隔離型開關降壓轉換器是 DC/DC 轉換器中的一個重要類型，而它們可以分為非同步整流和同步整流兩種類型。 1. 非同步整流型 ：這種型式的開關降壓轉換器主要使用 二極體(Diode) 作為整流元件。當開關元件（通常是 MOSFET）導通時，能量由輸入源傳遞到輸出。當開關元件關閉時，二極體導通，以允許電流在電感和輸出之間流動。這種拓撲架構簡單，但效率可能約在80%左右。 圖1. 非同步降壓轉換器架構 2. 同步整流型 ：這種型式的開關降壓轉換器使用了  Power MOSFET 來代替傳統的二極體 ，這樣做的目的是 減小整流時的能量損耗 ，提高轉換效率。同步整流型通常在高輸出電流應用中表現更好，因為它可以減少開關導通時間，降低開關損耗。 圖2. 同步降壓轉換器架構 由上文我們知道了非同步與同步降壓轉換器的架構，其架構表示方式也可以用上、下橋臂的呈現方式，如圖3與圖4，因此我們常將降壓轉換器之開關區分為上橋臂開關與下橋臂開關。 圖3. 非同步降壓轉換器架構(上、下橋呈現) 圖4. 同步降壓轉換器架構(上、下橋呈現) 在電路控制方面，同步整流型需要額外增加控制電路來驅動MOSFET ，如圖5表示，其中 上橋臂開關和下橋臂開關的閘極訊號(UG、LG)必需互為反相 ，這是為了確保在一個 MOSFET導通的同時，另一個是截止的，這樣電流才能在電感和輸入電源之間週期性地流動。 此外，上、下橋臂開關輪流開啟之間 必需要有 Dead Time 的控制 ，這段時間使 上、下橋臂皆截止(確保交替時不會上、下同時開啟)， 否則上臂和下臂的開關 同時導通，等同於Vin通過開關直接