返馳式轉換器(Flyback Converter)是一種低成本並且被廣泛應用在低功率電源。大部分控制器透過讀取電流感測電阻的電壓來限制一次測開關電流達到保護輸出的目的，但這會有個盲點：電阻電壓因電晶體米勒平台(Miller palateau)的關係無法實際反映真正的電晶體電流。這篇文章會實際量測電晶體電流與電阻電壓的差異，說明這個現象發生的原理與針對此盲點的解決辦法。{alertInfo}
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返馳式轉換器轉換器簡介
Flyback Converter透過變壓器將能量儲存在線圈中，當開關斷開時再將能量傳送到二次側。這是一個成熟且低成本的應用，不僅控制簡單，要做到保護功能也很容易。當過電壓狀況發生時(不論是回授迴路斷開或者外部電壓因不明原因太高)，變壓器的輔助繞組會感應到高於設計值的電壓，觸發控制器的保護功能。而當過電流狀況發生時，串聯於主開關的電流感測電阻電壓變大，使得電流感測腳位的電壓上升，觸發過電流保護。
以MPS生產的HFC0100標準應用為例，過電流保護的方式是偵測電晶體下方電阻的電壓，經過一個RC低通濾波器後傳送給CS Pin，若此腳位電壓大於1伏特，不論何種原因都必須關閉電晶體以避免變壓器一次側飽和損壞。
這一切看似理所當然，從來沒有懷疑過電流感測電阻量到的電壓是否等同真正的電流。的確，V=IR 歐姆定律絕對不會失效，但MOSFET卻隱藏許多特性在裡面，會影響到流過電阻的電流導致電壓失真。
MOSFET特性回顧
MOSFET全名是金屬氧化物場效電晶體，透過改變Gate端的電壓產生電場，推動D-S兩端的電流流動。讓我們回顧MOSFET的物理等效模型：
Image Source: Model Requirements for Simulation of Low-Voltage MOSFET in Automotive Applications
當MOSFET要開啟時，Gate端的電壓需要將Cgs充飽後才有足夠電場推動電晶體，此時Vgs向上爬升，但到一定程度便不會增加，這個小平坦直線就是米勒平台(Miller Plateau)。這時候即使Gate端持續注入電荷到Cgs，但電荷會轉化成電場來增強D與S之間的通道寬度，降低Rds(on)。接著DS通道建立完成後，Vgs才會持續上升直到驅動電壓最大值。
在實際觀察米勒平台現象時，會發現Vgs不是平坦直線而是一個凹陷形狀，這是由於Drain或Source引腳上的寄生電感導致的，可以參考參考資料1中的波形圖，這篇文章也用模擬軟體來佐證提出的論點。
對於返馳式轉換器轉換器來說，開關開啟的米勒平台影響對整體來說並不重要，因為電晶體電流會受到變壓器一次測電感限制呈線性上升，電感器會幫我們限制瞬間電流變化。接著讓我們探討開關關閉時米勒平台的影響。
米勒平台對MOSFET關閉時影響
當開關關閉時，Gate driver要盡力把Gate上的電荷抽光，讓Cgs放電越快越好。當Vgs開始下降的同時，Ids並不會馬上下降，而是低於Vth後才開始下降。同時，Vds也要等Ids完全關閉才會完全回復。重點來了，Vgs下降到Vth所需要的時間將會決定轉換器的切換損失下降時間拖越長表示Ids與Vds交疊的面積越多，損失也就越大。除此之外，可以看到下圖的Ids是等到Vgs通過米勒平台後下降到Vth才開始降低．
返馳式轉換器開關波形
點擊圖片可以看大圖。用實際的返馳式轉換器開關波形來說明，其中CH1是電流感測電阻的電壓Vsense，CH2是電晶體閘極電壓Vgs，CH4是電感電流IL，或電晶體源極電流Ids。當MOSFET開啟時，Vgs上升同時Ids呈線性上升(前方抖動是由振鈴產生的諧振)，同時流過電流感測電阻的電壓Vsense也與Ids成等比上升①。米勒平台較不明顯但還是可以觀察到一個明顯凹陷。當開關關閉時，Vgs快速下降，此時會發現Vsense與Vgs同時下降，但綠色的Ids卻持續上升②，這個時間點就是使用電阻來偵測電流的盲點！因為在這個時間點電流會從汲極流到閘極替Cgs放電③，導致源極電流會變小，讓控制器誤以為這就是最大電流值。
在大電流的情況下這一段時間便有可能使得變壓器瞬間飽和，讓電晶體燒毀。以上圖的例子，米勒平台放電時間②-④大約有150nS，輸入電壓越高電流上升斜率越陡峭。當米勒平台結束後，閘極電壓持續下降，便可以正常關閉MOSFET並真正的讓汲極電流消失。④
改善方法與結論
要避免這個現象可以改變偵測電流的方式，或者使用MOSFET在變壓器上方的High-side drive架構。第一種方法可以用CT(Current transformer)感應一次側電流，但其缺點是波形容易失真，體積比Rsense大，響應速度也會有差異。第二種方法則是設計不容易，要考慮的因素除了High-side Driver成本較高，同時開關截止時的Snubber也比較複雜。最後權衡之下，返馳是轉換器要求的低成本、小體積，為了改善這個問題付出的成本太高，使得多數設計指導書不會提到這部分，因為他不會最主要的考量。
即使如此，量測電流感測電阻的誤差現象在電流很大或極高輸入電壓時影響會越來越顯著，如前段所提的，電流越大變壓器飽和的機率越高，若再搭配陡峭的上升斜率，即使是幾奈秒的時間也有可能讓變壓器瞬間飽和，在大功率或大電流的應用上要特別小心。
參考資料
- 世紀電源網-米勒平台的形成原理
- Power MOSFET Basics: Understanding Gate Charge and Using it to Assess Switching Performance
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