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深港微电子学院詹陈长课题组在电源管理芯片设计领域取得新进展

2020-10-28科研聚焦

近日,南方科技大学深港微电子学院副教授詹陈长课题组在开关电源转换器(switched mode power converter或switching converter)和低压差稳压器(low-dropout regulator或LDO)等电源管理芯片设计领域取得新进展。相关成果分别以“A 4-MHz digitally controlled voltage-mode buck converter with embedded transient improvement using delay line control techniques”为题发表在期刊IEEE TCAS-I上[1],以“A fully integrated FVF LDO with enhanced full-spectrum power supply rejection”为题发表在期刊IEEE TPEL上[2]。

降压型开关电源转换器(buck converter)是电源管理芯片电路中的重要组成部分,广泛应用于各种电子设备。随着CMOS工艺尺寸的不断降低,相比较于模拟控制的buck,数字控制的buck电路有潜力获得更小的面积,更低的损耗以及更高的集成度,并且易于移植。模数转换器(ADC作为数字控制电路中的重要模块,其采样频率和精度决定了buck输出电压的准确度和瞬态响应的速度,但高精度ADC又会带来更多的损耗和占用更大的面积。论文[1]创新性的将数字锁相环中的多输出bang-bang相位检测器应用在数字控制中,通过延迟线控制的方式,得到了足够的数字输出码位,在减少电路设计复杂度的同时,提高了电路的瞬态响应;同时提出了一种新型的数字PWM控制电路,增加了占空比的可调范围,在输入电压为2.4V到3.6V范围内,输出电压可以达到0.1V到3.5V的宽区间。芯片的详细设计和性能指标请参考论文[1]。

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图为论文[1]所述开关电源转换器的电路结构图和芯片照片 

低压差线性稳压器(LDO)由于其能够提供干净低噪声的稳定供电和快速的瞬态响应,而被经常用于驱动噪声敏感电路。随着芯片面积的减小以及更高性能的需求,具有片外电容的LDO逐渐被全集成片上LDO所取代。但由于去掉了片外电容,其瞬态响应和电源噪声抑制能力均受到了很大的影响,为电路设计带来了挑战。已有的许多研究对两项性能参数做了很多优化,但都不能同时达到高电源噪声抑制能力和快速瞬态响应的需求。论文[2]提出了一种新型的采用低增益快速环路和高增益低速环路双环路控制的基于翻转电压跟随器(FVF)的LDO设计,在增加低频电源噪声抑制能力的同时不影响高频的电源噪声抑制比,从而获得了全频谱的电源噪声抑制能力以及超过400MHz的单位增益带宽。芯片详细设计和性能指标请参考论文[2]。

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图为论文[2]所述低压差稳压器电路图、芯片照片和电源抑制比测试结果 

在集成电路芯片设计领域,由IEEE主办的电路与系统学报I-常规论文(Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers,简称TCAS-I)和电力电子学报(Transactions on Power Electronics,简称TPEL)都是国际知名的顶级期刊,为中科院SCI期刊分区一区期刊(Q1,最新影响因子分别为3.318和6.373),以严苛的审稿过程、极具创新的芯片设计、全面而深刻的理论分析著称,均为本领域科学家、工程师等研发人员的重要参考文献出处。

上述论文[1]的第一作者为黄奇伟,詹陈长副教授为第一通讯作者,南科大为第一单位;论文[2]的第一作者为蔡桂港,澳门大学路延副教授与我院詹陈长副教授为共同通讯作者。黄奇伟于2015至2018年担任詹陈长课题组访问博士生,2018到2020年在南方科技大学从事博士后研究(合作导师先后为詹陈长副教授和潘权助理教授),2020年2月加入华为海思,担任芯片研发工程师。蔡桂港于2015至2017年担任詹陈长课题组科研教学助理,2017年开始在澳门大学攻读博士学位,同时兼任詹陈长课题组访问博士生。论文研究工作得到了教育部未来通信集成电路工程研究中心、广东省建设高水平理工大学专项经费、深圳市科创委基础研究项目、深圳市海外高层次人才技术创新项目、南山区科创局深港微电子学院专项基金等的支持。

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[1] Q. Huang, C. Zhan, and J. Burm, "A 4-MHz digitally controlled voltage-mode buck converter with embedded transient improvement using delay line control techniques," IEEE Tran. Circ. Syst. I: Reg. Papers, vol. 67, no. 11, pp. 4029-4040, Nov. 2020. doi.org/10.1109/TCSI.2020.3012014.

[2] G. Cai, Y. Lu, C. Zhan and R. P. Martins, "A fully integrated FVF LDO with enhanced full-spectrum power supply rejection," IEEE Trans. Power Elec., Early Access: doi.org/10.1109/TPEL.2020.3024595. 

课题组介绍: 

詹陈长课题组专注于模拟、混合信号和电源管理集成电路与系统的分析和设计,具体研究课题包括超低功耗参考电压/电流源、低压差稳压器、开关模式电源转换器、无线传电集成电路、温度传感器、模数转换器等。所开发的集成电路采用标准半导体工艺进行流片验证,从不同角度显著提升芯片性能指标、降低芯片功耗和成本。截止目前,课题组发表了1本专著,并有超过70篇SCI/EI学术论文发表在包括IEEE TCAS-I、TCAS-II、TVLSI、TPEL、IET EL等在内的知名SCI期刊以及IEEE ESSCIRC、A-SSCC、ISCAS等在内的知名国际会议上,已获授权8项中国专利、5项美国专利,并多次获得国际会议最佳论文奖或提名奖。课题组研究工作获得了国家自然科学基金、教育部工程研究中心、广东省建设高水平理工大学专项经费、广东省普通高校重点实验室、深圳市科创委、南山区科创局以及多家企业横向课题等各项经费支持。



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