深港微电子学院詹陈长课题组在IEEE JSSC发表电源管理/无线传电芯片设计新成果

2023-03-18 科研聚焦 浏览量：13931

近日，南方科技大学深港微电子学院副教授詹陈长和澳门大学微电子研究院副教授路延团队合作在电源管理芯片研究的重要分支—无线传电芯片设计领域取得重要进展，双方联合培养的博士生白祥龙提出了一种不需要反馈信息检测线圈，具有内在无线相移控制的6.78MHz无线能量传输系统。相关成果以“A 6.78-MHz Wireless Power Transfer System With Inherent Wireless Phase Shift Control Without Feedback Data Sensing Coil”[1]为题发表在集成电路设计领域顶级期刊《固态电路杂志》（IEEE Journal of Solid-State Circuits, JSSC）上。

无线传电由于其方便性与安全性，目前已广泛应用在可穿戴/便携设备、可植入式医疗设备等各种电子设备中。一个完整的无线能量传输系统包括发射端、耦合线圈以及接收端。为保证系统在负载或者耦合情况发生变化时，仍然工作在合适的状态以及较高的效率下，需要有从接收端到发射端的信息反馈路径，使得发射端可以根据接收端的工作状态自适应调节发射功率。目前常用的方法是负载调制键控(Load Shift Keying, LSK)，即通过接收端阻抗的大幅变化，来引起发射端线圈电流幅值的脉冲变化，发射端检测该脉冲变化从而得到接收端信息。该方法通常需要额外一个检测线圈和一些片外器件，并且频繁的线圈电流幅值脉冲变化会造成额外的损耗。针对上述问题，研究团队在论文[1]中提出了无线相移控制的方法，通过相移变化来传递信息，不需要任何片外器件以及额外检测线圈，降低了物料成本，并且信息传递过程平滑，不会造成发射端线圈电流幅值的脉冲变化。

图1.具有无线相移控制的无线能量传输系统：(a)系统架构；(b)系统等效模型；(c)发射端相移与接收端相移变化关系

图2.(a)芯片照片；(b)测试场景；(c)不同功率下系统稳态工作波形；(d)有/无发射端功率调节时系统效率与输出功率关系图

图1(a)中展示了整体系统的架构，接收端通过控制电压与电流之间的相位差来调整输出平均电流的大小，从而保证输出电压的稳定；发射端利用相移检测器检测相位差变化来获取接收端工作信息，然后通过PWM控制Class-D PA的工作模式占空比，从而调节发射功率，使得系统工作在合适的状态以及较高的效率下。图1(b)和(c)展示了系统模型以及发射端相位差与接收端相位差的关系，随着负载电阻的变化，发射端相位差随接收端相位差呈线性比例变化，因此通过检测发射端相位差的变化就可以知道接收端的工作状态，很简单就实现了接收端到发射端的信息反馈。图2展示了该电路的芯片照片、测试场景以及一些测试结果，该工作采用了标准0.18-μm CMOS工艺，3.3-V器件，输入输出电压为3.3V，芯片测试最高效率为77%。在轻载时，发射端自适应地降低发射功率，系统效率提升可达14.2%。

前述论文[1]中的具有无线相移控制的无线能量传输系统申请了一项发明专利[2]，申请号为202211605282.9，专利所有权由南科大和澳大各占50%。

在集成电路芯片设计领域，IEEE JSSC(IF=6.126)是国际知名的顶级期刊，为中科院分区一区期刊，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，是本领域科学家、工程师等研发人员的重要参考文献出处。

白祥龙是上述论文/专利的第一作者/发明人，深港微电子学院詹陈长副教授和澳门大学微电子研究院路延副教授为上述论文的共同通讯作者。澳门大学和南方科技大学分别为上述论文的第一、第二通讯单位；南方科技大学和澳门大学分别为上述发明专利的第一、第二申请人。本项目研究获得了国家自然科学基金委，深圳市科创委，以及企业横向课题的经费资助。

参考文献

[1] X. Bai, Y. Lu, C. Zhan and R. P. Martins, " A 6.78-MHz wireless power transfer system with inherent wireless phase-shift control without feedback data sensing coil," IEEE J. Solid-State Circ., Early Access. https://doi.org/10.1109/JSSC.2022.3228101.

[2] 白祥龙,詹陈长,路延,马许愿，“一种无线能量传输系统及其无线相移控制方法”，发明专利，申请号202211605282.9，申请日2022.12.14