詹陈长课题组在TCAS-I、JSSC发表开关电源芯片设计系列新成果

2023-11-14 科研聚焦 浏览量：5903

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林智声团队合作在开关电源(也称DC-DC转换器)芯片设计领域取得新的重要进展。双方联合培养的博士生潘曹磊提出了一种峰值效率95.5% 的Buck-Boost混合转换器以及一种峰值效率95%的Boost转换  器。相关成果分别以“A Continuous-Output-Current Buck-Boost Converter Without Right-Half-Plane-Zero (RHPZ)“[1] 和“A 95% Peak Efficiency Modified KY Converter With Improved Flying Capacitor Charging in DCM for IoT Applications”[2] 为题发表在集成电路设计领域顶级期刊《电路与系统学报I-常规论文》（IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers，TCAS-I）和《固态电路杂志》（IEEE Journal of Solid-State Circuits, JSSC）上。潘曹磊是上述论文的第一作者，深港微电子学院詹陈长副教授和澳门大学微电子研究院林智声副教授为上述论文的共同通讯作者，其中南方科技大学深港微电子学院为上述论文中[1]的第一单位以及[2]的第二单位。

无右半平面零点的连续输出电流Buck-Boost转换器

随着物联网的发展，具有快速响应，高效率以及低输出电压纹波的直流电源转换器受到研究人员的极大关注。如图1（a）所示，传统的Buck-Boost转化器由于其非连续性的输出电流，在响应速度，效率以及输出电压纹波方面都有着一定的劣势。本文提出的COCBB转换器，通过飞跨电容的辅助，实现了连续性的电流输出，从而实现了响应速度，效率以及输出电压纹波的提升。图1(b)展示了其芯片照片。如图1(c)所示，这项工作提出了一个有飞跨电容辅助的持续输出电流的Buck-Boost转换器。相较于传统的Buck-Boost电路，本设计提出的结构不包含右半平面零点。同时，相较于其他无右半平面零点的转换器，本设计实现了在保持结构较低的复杂度的同时提高转换器的转换比，同时实现了在Buck和Boost模式切换时的单模式操作减小了控制电路的复杂度。本设计的控制电路部分包含了一个模式选择器，PWM控制模块，DCT控制模块，过零电流检测模块(ZCD)，以及逻辑控制模块。图1(d) 展示了本设计在不同电压条件下的测试效率，最高效率为95.5%。

图1. (a)对比传统Buck-Boost转换器和本文提出的COCBB转换器电路（b）芯片照片(c)本文提出的COCBB转化器的系统框架(d)不同输入电压下的效率曲线

图2. 随输入电压变化，工作模式切换的瞬态响应测试图。

图3. 随负载变化，工作模式切换的瞬态响应测试图。

本项目研究获得了国家自然科学基金委，深圳市科创委，澳门特别行政区科技发展基金以及企业横向课题的经费资助。

[1] C. Pan, C. Zhan, R. P. Martins, and C.-S. Lam, “A Continuous-Output-Current Buck-Boost Converter Without Right-Half-Plane-Zero (RHPZ),”IEEE Trans. Circuits Syst. I, pp. 1–10, 2023.IEEE Tran. Circ. Syst. I: Reg. Papers, Early Access. 

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10244084

为IOT设计的提高了DCM效率的KY转换器

作为物联网的主要发展方向之一，低功耗升压转换器受到了来自研究者的广泛关注。如图4(a)所示，物联网设备的的主要工作时间集中在休眠状态(sleep mode)及待机状态(standby mode)。如图4(b)所示，工作在这两种状态的KY转换器其非连续性的飞跨电容电流会导致其整体效率低。而本文提出的修正型KY转化器通过额外的开关管M3达成了连续性的飞跨电容电流，实现了整体效率的提升。图4(c)展示了本文提出的修正型KY转换器的系统框架，除功率器件外还包含了时钟型反馈电路(CFRN)，DCT控制电路，ZCD电路，适应性功率管尺寸调节电路，逻辑电路等。本设计实现了宽负载范围（100,000X），低静态电流(240nA)，高能效(95%峰值效率)以及对负载变化快速响应(单周期响应)的特性。图4(d)和(e)分别展示了芯片照片和测试效率输入电压和负载电流变化的曲线。

图4(a)物联网设备工作状态分类(b)对比传统KY转换器和修正型KY转换器(c)本文提出的修正型KY转换器的系统框图(d)芯片照片(e)测试效率输入电压和负载电流变化的曲线

图5.测试随负载变化的瞬态响应

本项目研究获得了国家自然科学基金委，深圳市科创委，澳门特别行政区科技发展基金以及企业横向课题的经费资助。

[1] C. Pan, W.-L. Zeng, C.-S. Lam, S.-W. Sin, C. Zhan, and R. P. Martins, “A 95% Peak Efficiency Modified KY Converter With Improved Flying Capacitor Charging in DCM for IoT Applications,” IEEE J. Solid-State Circ., vol. 58, no. 11, pp. 3219-3230, Nov. 2023. 

论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/10186368