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※每週之星※ 舉足輕重-電源控管技術

蔡建泓教授 / 國立成功大學電機工程學系

Ø 教育部智慧電子「綠能電子聯盟」協同主持人暨執行秘書
    (2012/04 - )

Ø 國立成功大學電機系 副教授 (2011/02 - )

Ø 台灣積體電路設計學會 第四屆秘書長 (2008/08 - 2010/07)

Ø 國立成功大學電機系 助理教授 (2005/02 - 2011/01)

Ø 揚智科技,IC設計三處 處長 (2004/08 - 2005/01)

Ø 揚智科技,光儲存產品事業處 部經理 (2001/05 - 2004/07)

Ø 龍華工商專科學校/技術學院/科技大學 電子科/系
    講師 (1990/02 - 1996/01),

    副教授 (1996/02 - 2001/07),
    兼科主任 (1996/02 - 1998/01)

Ø 工研院電子所 副工程師 (1989/06 - 1990/02)

 

專長學科

聯絡方式

1.  類比/數位電源管理/轉換晶片設計

2.  面板顯示驅動設計

3.  混合訊號積體電路設計

台南市東區大學路

國立成功大學自強校區電機系奇美樓3樓95315

06-275-7575 ext. 62432

chtsai@ee.ncku.edu.tw

 

團隊介紹

 

電源IC設計產業在台灣雖然蓬勃發展,但相較於歐美大廠仍有之一定之技術能力落後。近年來,從業界產品及學界研究走向觀察,不難發現以數位控制取代傳統類比控制實現中高階智慧型電源管理/轉換方案已逐漸可行並成為現今國際競相發展之關鍵技術。因此,可以預期電源控管之數位化設計方案將成為未來一波新世代產品之核心供電技術。本研究團隊成立於 2005年,以提升國內相關技術層次及能力自許,持續專注於「SoC系統之電源管理供電設計」及「數位電源控制演算法硬體與晶片設計」兩大研究領域之系統與電路晶片開發與應用。幾年來,本團隊已陸續開發多項貼近國際水準之前瞻性數位電源控管核心技術(專利申請中),並於晶片系統國家型科技計畫研究成果產學橋接計畫舉辦之2011可攜式電子產學論壇展示發表相關成果。近期亦已將前述發展之數位電源供電設計系統實際整合於SoC系統晶片中。本團隊過去在「LCD面板顯示驅動設計」領域亦頗多耕耘,與業界合作研發低功率驅動晶片電路,並已共同取得3項美國專利、5項中國大陸專利、及1項台灣專利。

 

團隊重點技術

數位電源管理/轉換晶片設計技術

Ø GUI Design Tool for Digitally Controlled Switching DC-DC Converter

² 本研究提出一數位控制直流-直流轉換器之數位補償器設計演算法,透過結合人機介面,可以快速完成數位直流-直流轉換器設計與驗證。此數位補償器設計演算法為基於直接數位設計法產生,可透過所需之閉迴路 Gain Bandwidth 與 Phase Margin 條件產生數位補償器。可透過調整演算法係數值,使在相同閉迴路所需之 Gain Bandwidth 與 Phase Margin 條件下,產生不同之數位補償器,以達到迴避輸出電壓產生極限震盪 (LCO) 的一種情況發生。透過結合人機介面,可以節省設計數位直流-直流轉換器系統上所花費之時間,未來亦可延伸至教學用途。

System

 

Ø Digitally Controlled SMPS with Correlation-based System Identification

² 本研究提出一具相關性分析系統識別功能之數位控制切換式電源轉換器。採用新穎的數位電源技術,結合相關性分析之系統識別技術,使數位控制器具備監測電源轉換系統之頻率響應的能力。對於相關性分析之不理想效應造成的問題,提出以適應調節滑動視窗平滑技術 (adaptive sliding window smoothing, ASWS),改善頻率響應監測結果,相關技術已送件專利申請中。此外,利用此系統識別機制來監測數位補償器與迴路增益之頻率響應;以 FPGA 為實驗平台,透過 SignalTapII 傳輸監測資料至電腦端進行分析處理,並且利用網路分析儀進行量測作為對照,證明監測結果的正確性,以及驗證提出之方法確實能夠提升監測準確範圍。

 

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Ø Digitally Controlled Buck Converter with Multi-Mode Switching

² 本研究提出數位多模式控制器結合 dead-time self-exploration(DTSE) 技術來達到高效率及快速暫態響應。此架構中採用動態電壓調整機制與自動模式切換機制,而此模式切換機制是無需任何功率級或電流感測電路,而是藉由 duty-cycle command 來決定模式的切換。此 DTSE 技術能使 dead-time 最佳化,使得能大幅縮短搜尋時間,減少穩態時 duty-cycle command,並提升整體效率。此研究成果已被 IEEE Transactions on Power Electronic 期刊接受,即將刊登。

 

1    

 

Ø Digitally Controlled Non-Inverting Buck-Boost Converter

² 本研究提出一數位控制的非反向-升降壓兩用型轉換器,其架構具有大範圍的輸出電壓。由於升降壓轉換器在模式切換區間操作時,因導通週期不連續造成輸出電壓不穩定,本研究提出一 duty-locking 控制機制,強制導通週期維持恆定且藉由數位補償器的數值修正,消去輸出電壓和參考電壓之誤差訊號,使得能維持補償器迴路和輸出電壓的穩定度,克服原本的缺點,相關技術已送件專利申請中。

 

 

類比電源管理/轉換晶片設計技術

Ø AOT(Adaptive On-Time)-Controlled AVP Switching Buck Regulator

² 本研究針對固定導通時間 AVP(Adaptive Voltage Positioning) 控制架構提出改善,使系統可以得以降低電路成本並提升效能。有別於傳統固定導通時間 AVP 控制由誤差放大器路徑進行輸出阻抗的補償,本研究改由電流感測濾波器端進行輸出阻抗的補償,省去了耗能的誤差放大器使用,減少靜態電流損耗及降低設計成本,恢復漣波控制天生所具有的優勢;另一方面,針對漣波控制於極輕載時有落入人耳可察的音頻區之問題,本研究也提出了對應的音頻防止機制。此研究成果已被接受。

  

 

Ø Fast-Transient Quasi-V2 Switching Buck Regulator

² 本研究提出具快速暫態響應之適應導通時間準 V2 漣波控制切換式降壓穩壓器設計。此架構中的前饋路徑使系統不需依賴大 ESR 值的輸出電容即能達到優異暫態響應以及足夠的穩定性。所採用之適應導通時間控制機制能隨著輸入電壓與負載變化的狀況,自動調整系統的導通時間使系統於連續導通模式 (CCM) 維持準定頻的表現;而在極輕載時,系統之自主性 PFM 功能可有效提升轉換效率。此研究成果已刊登於2013 IEEE Transactions on Power Electronic。

 

   

 

 

團隊近年學術成果

Hsin-Lun Li, Chia-Cheng Pao, and Chien-Hung Tsai, “AOT-Controlled Dual-Mode AVP Buck Regulator with AEAF Mechanism,” accepted by IEEE Custom Integrated Circuits Conference (CICC), 2013.

Chien-Hung Tsai, Chun-Hung Yang, Jiunn-Hung Shiau and Bo-Ting Yeh, “Digitally Controlled Switching Converter with Automatic Multi-Mode Switching,” accepted by IEEE Transactions on Power Electronics.

Chien-Hung Tsai, Chun-Hung Yang, and Jui-Chi Wu, “A digitally controlled switching regulator with reduced conductive EMI spectra,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, no. 9, pp. 3938-3947, Sep. 2013.

Chien-Hung Tsai, Shih-Mei Lin, and Chun-Sheng Huang, “A Fast-Transient Quasi-V2 Switching Buck Regulator Using AOT Control with Load Current Correction (LCC) Technique,” IEEE Transactions on Power Electronic, vol. 28, no. 8, pp. 3949-3957, Aug. 2013.

Jia-Hui Wang, Chien-Hung Tsai, and Sheng-Wen Lai, “A Low-Dropout Regulator with Tail Current Control for DPWM Clock Correction,” IEEE Transactions on Circuits and System II, vol.59, no.1, pp. 45-49, Jan. 2012.

Chien-Hung Tsai and Jia-Hui Wang, “Cross-Self-Bias Rail-to-Rail Column Buffer for 640-channel 6-bit LCD,” IEEE/OSA Journal of Display Technology, vol. 7, no. 5, pp. 235-242, May 2011.

 

 

 

團隊近年執行之計畫

國科會研究計畫

考量三維晶片平面規畫與除錯之低功耗動態調整電壓與頻率之設計方法:

子計畫二:三維晶片負載點之供電方案與電源管理系統設計

2013/08/01 ~ 2016/07/31

國科會研究計畫

具易除錯特性之智慧型低功率多核心系統之設計技術研發:從電子系統層級至矽晶片層級:

子計畫二:智慧型數位電源管理應用於多核心系統之電子系統設計平台與矽智財開發

2010/08/01 ~ 2013/07/31

大專學生國科會研究計畫

漣波控制切換式升壓調節器之研究與設計

2013/07/01 ~ 2014/02/28

大專學生國科會研究計畫

數位控制之分時多工不連續導通模式單電感雙輸出切換式轉換器

可程式調整輸出電壓之低EMI數位控制直流-直流轉換器

2011/07/01 ~ 2012/02/29

大專學生國科會研究計畫

應用全數位鎖相迴路技術之數位控制直流-直流轉換器

2010/07/01 ~ 2011/02/28

教育部顧問室『智慧電子混合訊號與射頻電路設計領域課程發展計畫』

低壓低功率奈米CMOS類比數位電路及協同設計課程開發

2011/10/01 ~ 2013/1/31

教育部顧問室『前瞻晶片系統設計(SoC)MSR學程計畫』

數位電源控制電路與系統實作專題課程開發

2010/02/01 ~ 2011/1/31

 

 

團隊已獲證專利

專利技術名稱

國別

公開/公告日期

公開/公告號

Differential output buffer and source driver using the same

美國

2013.02.05

US 8368673 B2

Source driving circuit with output buffer

美國

2012.05.29

US 8188955 B2

Output Buffer with High Driving Ability

美國

2011.02.01

US 7880514 B2

源極驅動器

中國大陸

2012.12.26

CN102005169B

輸出緩衝電路、放大器裝置及顯示裝置

中國大陸

2012.11.21

CN101996552B

具有高驅動能力的輸出緩衝器

中國大陸

2012.09.26

CN101777316B

具輸出緩衝器的源極驅動電路

中國大陸

2012.08.29

CN101727861B

輸出緩衝器及使用該輸出緩衝器的源極驅動器

中國大陸

2012.07.04

CN101714868B

具有高驅動能力的輸出緩衝器

中華民國

2013.04.01

I392233

應用元件方法之小面積及低電流不匹配溫度計碼電流式數位類比轉換器

中國民國

2011.07.21

I345886

 

 

 

團隊近年榮譽

得獎名稱

頒獎單位

得獎日期

「101 學年度大學校院積體電路設計競賽,類比電路設計組」優等

設計者:林詩梅、包佳正  指導老師:蔡建泓教授

教育部

2013.06

「101 學年度大學校院積體電路設計競賽,類比電路設計組」佳作

設計者:郭致賢、王聖銘  指導老師:蔡建泓教授

教育部

2013.06

「100 學年度大學校院積體電路設計競賽,類比電路設計組」佳作

設計者:黃啟原、李冠霖  指導老師:蔡建泓教授

教育部

2012.06

「100 學年度大學校院積體電路設計競賽,類比電路設計組」佳作

設計者:王禎佑、郭致賢  指導老師:蔡建泓教授

教育部

2012.06

「100年經濟部技術處 樂活百年 搶鮮大賽」,系統實作類季軍

題目:具智慧監測之數位控制適應電壓調節直流-直流轉換器

設計者:楊峻泓、葉柏廷、劉俊延、黃崇瑋  指導老師:蔡建泓教授

經濟部

2012.01

 

 

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