深港微电子学院联合澳门大学微电子研究院在ISSCC 2024发表电源管理芯片设计新成果

2024-03-04 科研聚焦 浏览量：5409

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设计的一款电源管理芯片亮相于集成电路设计领域最高级别会议IEEE International Solid-State Circuits Conference（ISSCC）。ISSCC是世界学术界和工业界公认的集成电路设计领域最高级别会议，被认为是集成电路设计领域的“芯片奥林匹克大会”。ISSCC 2024于今年2月18日至22日在美国旧金山举行。

混合型DC-DC转换器Session主席和作者合影 

ISSCC论文被广泛认为代表着当前芯片领域最前沿的研究成果，今年全球共有234篇论文被录用，在电源管理芯片中的混合型DC-DC转换器领域，共有11篇论文被接收。2月20日上午，由深港微电子学院与澳门大学微电子研究院合作研发的一款高效率、快速瞬态响应的Buck-Boost（升降压）混合型DC-DC转换器亮相于该领域，双方联合培养的博士生赵双星以“A Fast-Transient 3-Fine-Level Buck-Boost Hybrid DC-DC Converter with Half-Voltage-Stress on All Switches and 98.2% Peak Efficiency”为题汇报了该工作[1]。

赵双星同学在ISSCC 2024（Session 8）进行学术报告

该研究针对如今普遍使用的锂电池的输出电压管理芯片低效率、慢瞬态响应的问题，提出一种新型拓扑结构，将传统转换器功率管耐压从VIN降低为1/2VIN,从而可用低压管来取代高压管，实现更高的转换效率，以及更小的芯片制造成本。同时，针对传统架构环路带宽受到右半平面零点影响而难以提高的问题，该结构也取得了有效的改进。

本研究提出的3FLBB转换器系统架构图

上图展示了本研究提出的Buck-boost混合转换器（3FLBB）电路结构。它包括控制模块，功率模块和片外的电感，飞电容，以及输出电容。该功率级模块由七个开关管，两个飞电容，一个电感和一个输出电容组成。包含Buck， Buck-Boost，Boost三个工作模式。实际工作时，两个飞电容电压均为1/2VIN,一个电容给电感供能，另一个则确保功率管耐压保持在1/2VIN。因此，该架构能够用更低耐压的开关管来取代传统的5V开关管，在本次实现的设计中，利用了1.8V开关管获得更小的损耗从而提高效率。同时，所提出的新结构是在Buck基础上改进，因而能够消掉传统Buck-Boost结构中的环路右半平面零点，从而提高瞬态响应速度。项目针对应用是物联网设备中最常用的锂电池（电压范围4.2-2.7V），输出固定的3.3V电压，实现了98.2%的峰值效率和快速的瞬态响应，见下图芯片测试结果。

转换效率和瞬态响应测试结果

    与此同时，上述研究[1]中的具有高效率快速瞬态响应的混合型DC-DC转换器申请了一项发明专利[2]，申请号为202410180335.X，专利所有权由南科大和澳大各占50%。

    赵双星是上述论文/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。

参考文献

[1] S. Zhao, C. Zhan and Y. Lu, " A Fast-Transient 3-Fine-Level Buck-Boost Hybrid DC-DC Converter with Half-Voltage-Stress on All Switches and 98.2% Peak Efficiency," in IEEE Int. Solid-State Circuits Conf. (ISSCC), Dig. Tech. Papers, Feb. 2024.

[2] 赵双星, 詹陈长, 路延，“一种电源供应装置、系统和控制方法”，发明专利，申请号202410180335.X，申请日2024.2.18.