功率型積體電路（Power IC）在技術上常被人視為技術較落後的一個積體電路領域，但隨著全球電子化的趨勢，個人用電子產品如電腦、手機、個人數位助理（PDA）、液晶顯示器（LCD）等，都需要合適的功率型積體電路以協助產品在市場上提升競爭力，目前功率型積體電路在市場的需求上相當高；而由於環保意識抬頭，電能使用的效率、電磁波安全的規範，都有賴更精良的功率型積體電路來提升。
功率型積體電路隨著應用環境不同，設計的理念亦大相逕庭[1]。如CPU需要大電流、快速暫態響應及準確度，而手機、個人數位助理及數位相機則強調較長的待機時間與使用時間，因此對效率的要求較高。另外目前熱門的液晶顯示器也有其獨特的供電要求，本文將就「壓電變壓器背光反流器」、「生物感測晶片電源系統」兩個題目來進行討論，介紹功率型積體電路的設計流程及理念。
壓電變壓器背光反流器
應用環境
近年來，TFT LCD監視器已逐漸取代CRT監視器成為市場的主流，雖然TFT LCD在視角、色澤飽和度、反應速度方面上不及傳統的CRT顯示器，但在所佔的空間、重量及發光效率方面，遠較CRT監視器為優。
LCD背光源主要有兩種，冷陰極管（CCFL）及發光二極體（LED），其中LED驅動方式較為簡單，但因其為點光源，應用在大尺寸面板有其困難性，因此CCFL為目前大面板顯示器的主要背光元件，而點亮CCFL需要約一千伏特的高壓，傳統上使用繞線變壓器來作昇壓；但傳統變壓器有體積上的缺點以及安規上的考量，若使用壓電變壓器則有體積小、效率高、不易產生電磁干擾等問題。在驅動特性方面，CCFL在點亮前的等效阻抗很高，且需要很高的啟動電壓，燈管點亮後則等效阻抗則降至100K左右，而壓電變壓器在負載為高阻抗時有很高的昇壓比，在負載阻抗降低時升壓比會隨之降低。由於十分匹配的驅動特性，壓電變壓器勢必成為未來驅動CCFL的主流。由於壓電變壓器應用於CCFL的時間並不久，點亮並維持高效率工作點的許多驅動壓電變壓器方法陸續被提出，主要分類有：定頻控制（Constant Frequency Control）、變頻控制（Variable Frequency Control）[2]、相位控制（Phase Control）[3]和混合控制（Mixed Mode Control）[4]。以下本文將以一結合變頻及相位控制的驅動方式做為設計案例，在以下兩小節做詳細介紹。
系統規劃
由上一小節我們知道壓電變壓器有對工作環境相當敏感的特性，當壓電變壓器的最佳共振頻率改變時，系統的效率將會逐漸降低，甚至可能過熱導致系統毀損。為了克服上述設計瓶頸，本案例捨棄傳統共振電路中，由壓電變壓器參與決定驅動頻率的驅動架構，而改以外部電路控制，以利於維持整個系統之輸出效率及穩定度。
系統方塊圖
(圖一)為LCD的系統方塊圖，圖中的輸入電壓為市用電源整流後的直流電壓，約兩百伏特。本案例設計一控制電路，使高壓輸入為兩百伏特的半橋電路輸出適於驅動壓電變壓器的波形；為求效率的提升，在半橋電路的輸出加上串聯的電容電感使壓電變壓器的輸入接近理想的弦波。由於壓電變壓器的輸入電壓相當高，所以對壓電變壓器的正常工作昇壓比需求不高，視燈管的長度而定，大約在五倍左右，這是一般的單層壓電材料可以輕易達成的昇壓比。
啟動掃頻機制
冷陰極管在點亮之後約有100kΩ的等效電阻，也以此為設定最佳工作頻率的參數。然而在點亮之前冷陰極管的電阻接近無限大，因此造成最佳工作頻率的變化使得昇壓比不足，除此之外，燈管本身所需的啟動電壓也較維持電壓高。
如(圖二)、(圖三)，藉由起動電路，可以使驅動頻率在一開始先經過f1點，得到足夠的昇壓比將燈管點亮後，再將頻率移動到點亮後的最佳工作頻率f2。
冷陰極管點亮之後，壓電變壓器會因為溫度等關係造成最佳工作頻率的漂移，若以固定的頻率加以驅動，一旦最佳工作頻率漂移太遠，冷陰極管便會熄滅，因此必須設法追上工作頻率的漂移。而已知在輸入和輸出電壓兩者相位相差45度時，可以得到最大的昇壓比以及適當的轉換效率，因此可以利用鎖相迴路（Phase Locked Loop；PLL）所具有的追頻以及相位鎖定特性，在Δf的範圍內尋找，以達到最佳工作頻率，如(圖四)、(圖五)。
IC設計方塊圖
(圖六)為IC內部方塊圖，IC在控制方面主要有三個腳位，兩個用來控制半橋功率電晶體，一個腳位用於回授燈管信號，以做相位控制及調光之用。系統啟動之後，由頻率選擇方塊驅動壓控震盪器，使壓控震盪器輸出如圖三的掃描頻率，當燈管電量後，根據回授信號，將輸入電壓及輸出電流鎖定在45度以維持系統工作於最佳效率點。
電路實現
本系統電路主要可分為六個部分，壓控震盪器（Voltage Control Oscillator）、啟動電路（Start-up）、追頻器（Frequency Tracking）、調光器（Dimmer Control）、驅動電路（Driver）以及保護電路。本文僅就電路的核心：壓控震盪器及追頻器做討論。
壓控震盪器
根據壓電變壓器的特性，必須將輸入與輸出波形之相角控制在相位差45度，才可以達到最大昇壓比以及良好的工作效率。但是在實作上，45度的相位差相當難以偵測，因此利用串接震盪器（Ring Oscillator）來解決這個問題。
(圖七)為實際電路圖，圖上方為8個反向延遲器再加一個單純的反向器，根據串接震盪器的原理可知，8個反向延遲器會將360度8等份均分，使得每個反向延遲器的輸出會與相鄰的輸出差45度，此電路是以改變反向器的供應電壓來調整輸出頻率。對每一級反向延遲器而言，延遲時間為：
而震盪頻率為：
所以我們只要改變供應電壓就可以改變此震盪器頻率。
追頻器
追頻器的作用是在相位差漂離45度時，加以偵測並且作出調整；追頻器包含下面兩個部分：相位檢測器以及低通濾波器。(圖八)為相位檢測器的工作原理，當信號R或是信號V領先時，分別會在輸出DN及UP產生一脈波，而此脈波的寬度與信號領先的程度成正比。(圖九)為相位檢測器的電路，由於在壓控震盪器中已經產生合適的訊號，因此這裡使用的是零度的相位檢測器，兩個輸入為R和V，而輸出IOUT則為電流訊號。
接著用charge-pump將一連串的脈波信號轉換為電壓訊號，以用作前一小節壓控震盪器的電源輸入，如(圖十)，信號DN及UP控制了兩個開關P及N，信號DN及UP的脈波寬度調整開關P與N的開啟時間，如此可控制charge-pump輸出電流的多寡。
追頻器的第二個部分則是低通濾波器，如(圖十一)。在整個壓電變壓器的系統中，不論是功率電晶體或者是剛才的charge-pump電路，都是以開關的形式工作。在作穩定度分析的時候為了要將開關的效果以平均值來看待，整個回授系統的頻寬必須遠低開關的操作頻率，因此初步設定在約5kHz（切換頻率的1/10以下）。由於壓控震盪器的輸入是電壓訊號，因此低通濾波器也負責將電流訊號轉換成電壓訊號的工作。
生物感測晶片電源系統
隨著人口結構高齡化的趨勢，年老病患的疾病看顧已是當務之急。若能對慢性病作即時監控，就能收到及早發現、及早治療的效果。生物感測晶片目標是植入人體，利用微機電或是化學的原理對人體作感測，當晶片感測出異樣結果， 可以利用晶片內的無線發射器發出警告，如此可對許多慢性病作有效的控制。
應用環境介紹
近年來微機電製程技術的快速發展，使得許多諸如生醫晶片、無線感測器、電子標籤等可攜式電子系統的研發備受矚目。但由於現階段電池技術的發展與應用往往受限於需更換、充電以及壽命有限等特性，造成此類無線電子設備之供電問題成為其發展的一大瓶頸。因此以下設計案例將試圖研發大部分無線微系統均需具備之獨立微型電源供應器，期許能以無線的方式供應系統運作所需之電能。目前研究的方向將先採取以外加能量源，無線供應傳輸能量，再透過適當之元件轉化為電能供給；而長期地以擷取空間環境中多餘的能量，如震動、電磁波等做為有效電能，為終極目標。接下來的章節將針對此一應用環境設計適用的功率IC。
系統架構設計
如(圖十二)，針對系統所需不同規格電源間之轉換，加以設計最適當之電路架構，以期達到低體積及高轉換效率之目標。功率與控制電路的良莠決定了電力轉換系統的效能，在電子儀器設備愈趨短小的趨勢下，電路整體效率的要求就愈嚴格，因此先充份了解電能轉換元件與負載特性之後，便可依所需求之規格開始電路架構的設計。將功率與控制電路積體化是現今電力電子技術的主流走向之一，由於功率元件製程技術的進步，以往由分離元件所組成的電力轉換電路已有漸漸被取代的趨勢。當大幅減低電力轉換系統之體積後，與分離式的電力轉換系統相較，功率型積體電路應用於可攜帶式之電子設備儀器就擁有相當大的優勢，因此電路架構的設計，皆朝可積體化的方向走。
控制迴路設計
如(圖十三)，以低功率、低啟動電壓、高穩定性為目標來設計電路。首先，控制模式採取無右半平面零點的邊界模式，如此可將控制電路簡單化，電路尺寸也會隨之變小；在所需的負載下，進行其穩定性的分析和設計，以達到控制迴路在規格的負載下，皆能穩定。而在此系統中，與業界相關之控制方法與架構相比，有一極大優勢，因為在一般業界所採用的電路中，為了使降低切換損耗（switching loss）而使用一種稱為零電壓切換（Zero Voltage Switching；ZVS）的控制技術，而為了達成此一技術，往往需要多一繞組來偵測零電壓的情形，且必須隨著規格的不同來微調其電路特性，使之正常作動，本電路系統裡，將此一繞組省略，並將所有相關控制電路積體化，省面積又省外部電路的支出，且其不須隨規格的變動來調整其特性。
(圖十四)所示為系統模擬結果圖表，其中VDD=2.5V，VLX-RO為電感對輸出端剛釋放能量時，與Power MOS相連處之電壓值，VLX-S為電感準備做下一週期儲存能量動作時之切換電壓，可看出其皆在最低電壓值時做切換，有效減少切換損耗，而且在VLX與VDD之間達一定差距時，會自動變成ZVS的切換狀態，為此電路最大特點。
結語
本文介紹了兩個應用於不同環境的功率IC設計，一個用於LCD背光系統，配合壓電變壓器將市用電壓提升到足以啟動CCFL的電壓值。另一個功率IC是設計於提供能源給植入人體的生物晶片。在這兩個例子中，可以稍稍領略設計功率IC的邏輯，從系統端入手，根據系統驅動的特性，所需要的電壓、電流、功率大小、電路體積限制乃至於成本，來選擇適合的電路架構及控制方法。若鑽研於電路的研發而忽略系統端的應用，在功率IC的設計上會遇上較多的困難。
電力相關系統的規格相較於通訊或是顯示卡等相關IC簡單許多，不像許多數位式的IC在規格的演進上日新月異，在系統設計上不會綁手綁腳。此外功率產品一般來說需要較長的時間來研發與認證，進入門檻較高。而國內許多廠商耕耘這塊領域已久，配合市場新興產品的趨勢，產業前景相當看好，絕對是值得國人重視的一個IC領域。（作者陳秋麟為台大電子所/台大系統晶片中心研發教授；陳世又、姜柱圯為台大電子所研究生）
＜參考資料：
[1] 薛添福， "功率IC及功率元件的現況及趨勢"， 第一屆電力電子研討會，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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