科研聚焦|南科大深港微电子学院高源团队在高性能电源管理芯片领域取得重要研究成果

2025-09-30 科研聚焦 浏览量：924

近日，南方科技大学深港微电子学院高源助理教授团队在高性能电源管理芯片领域取得重要进展。团队成功设计实现了四款具有代表性的芯片，相关成果分别发表于集成电路设计领域的国际顶级会议。其中，一篇发表于2025 年超大规模集成电路国际研讨会（Symposium on VLSI Technology and Circuits, VLSI Symposium），三篇发表于 2025 年欧洲固态电子研究会议（European Solid-State Electronics Research Conference, ESSERC）。

论文1：高压高可靠GaN负压直驱芯片

随着人工智能的快速发展，数据中心对高功率密度电源的需求呈现爆发式增长。氮化镓（GaN）功率器件因具备高耐压、低寄生参数和耐高温等优势，被认为是高功率密度电源的理想选择。然而，在服务器电源长时间、大功率的苛刻应用环境下，GaN 器件仍面临栅极脆弱、工艺缺陷密度高、失效率高等问题，这已成为制约其在数据中心大规模应用的主要瓶颈。高源团队长期聚焦于 GaN 驱动架构与片上技术研究，旨在通过驱动芯片提升功率器件的系统级可靠性。驱动芯片不仅需要提供稳定的驱动，还必须集成精准控制、保护与故障诊断等多重功能，才能全面保障系统的可靠运行。针对 800V 及以上电压应用，耗尽型 GaN（D-GaN）相较增强型 GaN 具有更稳定的工艺优势，但基于 D-GaN 的传统 Cascode 方案在高频运行时效率和可靠性不足，且难以兼顾软开关与硬开关的性能需求。为此，团队提出了一种可重构双模式 D-GaN 负压直驱芯片架构。该架构通过共享电感和部分功率管，将负压 Buck-Boost 转换与谐振栅极直驱相结合，在单芯片中实现负压生成与栅极能量回收；同时实现外部驱动电感由传统的 μH 级缩减至 300 nH；在谐振直驱模式下，可支持大栅极电荷器件（72 nC）在 3 MHz 高频下运行，栅极充电功率损耗降低 40%；在常规直驱模式下，提供可调压摆率控制，以满足不同电源拓扑灵活需求。

相关研究成果“A Dual-Mode Direct-Drive D-GaN Driver with Reused Inductor and Power Switches for Negative Voltage Generation and Gate Energy Recycling” 已于 2025 年 6 月在日本京都召开的超大规模集成电路国际研讨会（2025 Symposium on VLSI Technology and Circuits, VLSI Symposium）上报告。论文第一作者为南方科技大学 2022 级博士生储鹏，高源助理教授为通讯作者，南方科技大学为第一完成单位。本研究得到了国家自然科学基金和深圳市科技创新委员会的支持。 

图1. 高压高可靠GaN负压直驱芯片（论文1）

论文2：紧凑型可重构开关电容激光二极管驱动芯片

激光二极管（LD）驱动广泛应用于自动驾驶与具身智能中的激光雷达，以及医疗光声成像等新兴领域。此类应用要求单脉冲产生足够大的激光峰值能量。然而，传统电容放电式 LD 驱动存在硬充电导致效率不足（通常低于 50%）、能量浪费严重、体积庞大及散热困难等问题。开关电容方案虽可降低损耗，但需多个片外电容，且不支持连续电压调节，难以满足设备小型化需求。针对这些挑战，团队提出了一种紧凑型可重构开关电容充电器，采用自适应多步充电技术，并基于电流检测实现动态切换，从而最大化开关电容阵列的利用率。在该架构下，5 V 输入条件下的闭环控制可实现 32.6 V 高压脉冲输出，单周期脉冲能量达 46 μJ，整体效率提升 31%。该方案目前应用于光声成像脉冲激励产生，在实现高能量与高效率的同时，显著缩小系统尺寸，为集成化 LD 驱动器的小型化奠定了核心基础。此外，该技术亦可扩展至阵列激光雷达等场景，用于驱动多脉冲的激光二极管阵列。

相关研究成果“A 5V Input Pulse-Charge-Regulated 46μJ/cycle Laser Diode Driver with a Reconfigurable Switched-Capacitor Charger for Portable Photoacoustic Imaging” 于2025年9月8-12日在德国慕尼黑举办的the European Solid-State Electronics Research Conference (ESSERC 2025)上报告。论文由南方科技大学 2020 级硕士生林大智与 2024 级硕士生徐茂棠共同担任第一作者，高源助理教授为通讯作者，南方科技大学为第一完成单位。本研究得到国家自然科学基金和深圳市科技创新委员会的支持。

图2. 紧凑型可重构开关电容激光二极管驱动芯片（论文2）

论文3：自动对齐电流相位的负载无关的高效率E类功率放大器芯片

随着对消费电子设备快速无线充电的需求不断增长，紧凑型高功率无线电能传输（WPT）系统的需求也在迅速上升。相比 D 类功率放大器，E 类功率放大器能够在更高效率下处理更大功率，因此非常适合中高功率 WPT 应用。E 类功率放大器依赖于零电压开关（ZVS）来降低开关损耗，但在实际应用中，负载变化会导致难以维持 ZVS。具体表现为：实部阻抗 Re(Z) 的波动（源于耦合系数 k 或负载电阻RL 的变化），以及虚部阻抗 Im(Z) 的偏移（由开关频率与发射端/接收端 LC 谐振频率失配引起），均会扭曲输出电压波形，从而导致硬开关损耗与体二极管导通损耗，显著降低效率。为解决上述问题，团队提出了一种6.78 MHz 自动对齐电流相位的负载无关 E 类功率放大器。基于 E 类逆变器的负载独立原理，设计了一种自动对齐回路：通过占空比控制的开关电容结构，能够快速适应实部阻抗变化，并有效补偿虚部阻抗失配。因此，该功率放大器在所有开关条件下均能保持 ZVS，并在负载瞬态及驱动可重构谐振调节整流器时实现高效功率传输。实验结果显示，系统最大输出功率达到 37.8 W，发射端峰值效率为 94%，端到端峰值效率为 86.3%。

相关研究成果“A 94% Peak Efficiency Class-E Power Amplifier with Auto-Aligned Current Phase for Guaranteed ZVS under Impedance Variations” 已于 2025 年 9 月 8–12 日在德国慕尼黑举行的 欧洲固态电子研究会议（ESSERC 2025）上报告。论文第一作者为南方科技大学 2021 级联培博士生刘映铭，高源助理教授为通讯作者，南方科技大学为第一完成单位。本研究得到了国家自然科学基金和深圳市科技创新委员会的支持。 

图3. 自动对齐电流相位的负载无关的高效率E类功率放大器芯片（论文3）

论文4：高集成度锂电池双向充放电芯片

随着便携式电子设备的普及，传统碱性电池带来的环境污染与资源浪费问题日益凸显。以锂电池替代传统 AA/AAA 电池逐渐成为趋势。然而，锂电池电压与现有 1.5 V 系统不兼容，且目前线性充电方案效率低、发热严重，难以在AA/AAA电池内提供大能量的转换，制约了锂电池的功能。这就要求开发一种高度集成、支持双向能量转换的电路，在兼顾充电与放电效率的同时，显著缩减系统体积。基于此，本研究提出一种新架构的双向 Buck/Buck 混合变换器：在放电模式下，通过并联电容路径降低电感电流，减少传导损耗；在充电模式下，采用反向 Buck 结构实现高效能量回充。实验结果表明，该设计在充电模式下峰值效率达 96.3%，放电模式下峰值效率达 91.4%，并能在全输入电压范围内保持 90%以上 的效率。芯片核心测试板面积仅 5.1 mm × 5.0 mm，远小于AA/AAA 电池截面。需要强调的是，高集成度的双向充放电电路是所有锂电池应用的共性需求。在具身智能等新兴领域，大量分布式设备均需内置类似的双向能量转换单元，本研究提出的方案不仅满足便携设备需求，还具备良好的普适性与可扩展性，可为更广泛的应用场景提供基础支撑。

相关研究成果“A Bidirectional Buck/Buck Hybrid Converter Achieving 96.3% Charging and 91.4% Discharging Peak Efficiency for Alkaline-to-Li-Ion Replacement” 已在 ESSERC 2025 上报告。论文第一作者为南方科技大学 2024 级硕士生武璇和访问博士生童猜裕，高源助理教授为通讯作者，南方科技大学为第一完成单位。本研究得到国家自然科学基金和广东省自然科学基金的支持。

图4. 高集成度锂电池双向充放电芯片

关于VLSI

超大规模集成电路国际研讨会(VLSI Symposium) 始于1987年，是与ISSCC、IEDM齐名的集成电路与半导体领域最高级别会议，每年夏季轮流在美国和日本举办，汇聚全球芯片行业的顶尖专家，共同探讨VLSI技术的最新突破与未来趋势。该会议在集成电路与半导体领域的学术界以及工业界均享有很高的学术地位和广泛影响，入选的会议文章不仅需要学术上的创新，更需要体现成果的产业价值和技术前沿性。

关于ESSERC

欧洲固态电子研究会议ESSERC始于1975年的ESSCIRC（2024年与ESSDERC合并成为ESSERC），是芯片设计领域顶级会议之一，代表电路设计领域最高水平，备受国内外产业界和学术界的高度关注。本年度ESSERC电源管理芯片领域共设个4分会场，面向全球工业界和学术界接收17篇论文；其中，3篇论文来自南科大高源团队，是该领域中稿最多的研究团队。

关于高源助理教授课题组

高源助理教授（IEEE ISSCC TPC）课题组长期致力于高性能电源管理集成电路研究。聚焦人工智能、汽车电子和生物医疗等新兴应用中电源管理芯片在能效、尺寸与可靠性上的关键瓶颈，围绕高可靠功率器件驱动、小尺寸高性能光电器件驱动及低功耗低噪声电源管理等方向提出系统性的电路与架构创新。团队欢迎来自国内外顶尖学校的学生申请博士后/博士生/硕士生等。