南科大姜俊敏團(tuán)隊(duì)在功率集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得系列進(jìn)展
2025-09-11 11:21:34南方科技大學(xué)閱讀量：19855 我要評(píng)論
近日，南方科技大學(xué)電子與電氣工程系副教授姜俊敏團(tuán)隊(duì)在高密度直流電壓變換器芯片方面取得系列研究進(jìn)展，相關(guān)成果分別發(fā)表在IEEE Transactions on Power Electronics (TPEL)、IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers (TCAS-I)、2025 IEEE Custom Integrated Circuits Conference(CICC)。 
賦能MicroLED的高效率、快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的負(fù)壓直流降壓變換器
圖1.負(fù)壓降壓變換器的應(yīng)用示意圖
該研究成果成功應(yīng)用于MicroLED等先進(jìn)顯示屏幕供電場(chǎng)景，以“Design and Analysis of a Hybrid Inverting Buck Converter with 5μs Response Time and 92.9?ficiency for Micro-LED Displays”為題發(fā)表在集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域頂級(jí)期刊IEEE Transactions on Power Electronics(TPEL)。
如圖1所示，隨著顯示屏幕像素分辨率的提升，單像素尺寸由大于1mm縮小為數(shù)十μm，發(fā)光二極管(LED)的開啟電壓也由大于10V顯著下降至4 V以內(nèi)。為采用低壓驅(qū)動(dòng)器件以保證顯示屏的刷新速度，顯示屏的供電電壓需要盡可能低，因此LED的開啟電壓由負(fù)壓電源提供。傳統(tǒng)的負(fù)壓電源變換器大多面向更高壓降的OLED，多為負(fù)壓升降壓(IBB)或負(fù)壓升壓變換器，由于拓?fù)涞南拗齐y以獲得快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，且電壓變換比較大，嚴(yán)重限制了在先進(jìn)MicroLED顯示中的應(yīng)用。
圖2.課題組提出的混合型負(fù)壓降壓(HIB)轉(zhuǎn)換器拓?fù)?br />
針對(duì)這一技術(shù)瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)提出混合型負(fù)壓降壓(HIB)轉(zhuǎn)換器，創(chuàng)新性地將−1×開關(guān)電容(SC)與降壓轉(zhuǎn)換器集成，如圖2所示，僅需三個(gè)功率開關(guān)、一個(gè)飛跨電容和一個(gè)電感，該拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了3至4V輸入電壓下，-1至-2 V的可調(diào)負(fù)輸出電壓。與傳統(tǒng)的反相降壓-升壓(IBB)和Cuk轉(zhuǎn)換器相比，該設(shè)計(jì)具有三個(gè)優(yōu)勢(shì)：1.體積更小，功率級(jí)拓?fù)鋬H需兩個(gè)片外器件；2.輸出電流連續(xù)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)超傳統(tǒng)方案的負(fù)載動(dòng)態(tài)響應(yīng)；3.拓?fù)洳淮嬖谟野肫矫媪泓c(diǎn)，極大簡(jiǎn)化了環(huán)路補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)。
圖3.(a)芯片與(b)測(cè)試和PCB照片
圖3展示了HIB芯片的照片，該芯片實(shí)現(xiàn)了在3至4V的輸入電壓下，輸出-1至-2 V的輸出電壓，最高2.2 A的輸出電流，92.9%的峰值效率，高達(dá)295mW/mm3的體積功率密度，以及低至5μs的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。
南方科技大學(xué)電子與電氣工程系2025屆畢業(yè)生顏興發(fā)和劉剛為共同第一作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位，姜俊敏副教授、胡琛研究助理教授和香港中文大學(xué)劉尋助理教授為共同通訊作者。
創(chuàng)新提出單級(jí)四相位混合升壓轉(zhuǎn)換器架構(gòu)
圖4.光伏板直接驅(qū)動(dòng)激光傳感器的應(yīng)用示意圖
該研究聚焦于激光雷達(dá)驅(qū)動(dòng)，相關(guān)成果以“A Single-Stage Four-Phase Hybrid Boost Converter With 11-to-20 VCRs for LiDAR Driver Applications”為題發(fā)表在IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers(TCAS-I)。
隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備的廣泛應(yīng)用，高效電源管理系統(tǒng)成為延長設(shè)備壽命、降低維護(hù)成本的關(guān)鍵所在。以光伏板驅(qū)動(dòng)的激光傳感器為例，傳統(tǒng)解決方案采用兩級(jí)升壓轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，系統(tǒng)效率通常低于70%，且體積大、成本高的缺陷明顯。為了實(shí)現(xiàn)單級(jí)升壓以提升系統(tǒng)效率，近年來，學(xué)界對(duì)高升壓比的單級(jí)升壓變換器拓?fù)溟_展了一系列研究，然而現(xiàn)有研究大多基于兩相位的工作模式，升壓變換比受到嚴(yán)重限制，通常需要超過5個(gè)飛跨電容以獲得10-20倍的升壓比，難以滿足實(shí)際需求。
圖5.變換器工作模式與電壓電流波形示意圖
為了提高升壓變換器拓?fù)涞墓β拭芏龋芯繄F(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種單級(jí)四相位混合升壓轉(zhuǎn)換器架構(gòu)，僅需三個(gè)飛跨電容和一個(gè)電感，即可實(shí)現(xiàn)11-20倍的電壓轉(zhuǎn)換比(VCR)，成功將1.2-1.8V的光伏電壓提升至LiDAR所需的20-24V工作電壓。圖5展示了研究團(tuán)隊(duì)所提出的變換器拓?fù)涞墓ぷ髂Ｊ剑齻€(gè)電容在四個(gè)相位之間切換，從而實(shí)現(xiàn)十倍的升壓比，這也是三個(gè)電容所能實(shí)現(xiàn)的最大升壓比；同時(shí)，通過引入開關(guān)電感，實(shí)現(xiàn)可調(diào)輸出電壓并降低開關(guān)電容的充放電損耗。相比于傳統(tǒng)的Boost型升壓變換器，該拓?fù)淇梢越档图s55%的平均電感電流和52%的電感電流紋波，極大降低了對(duì)電感體積的需求。
圖6.芯片與PCB照片
該芯片采用0.18μm工藝制造，芯片面積僅2.23mm²，在1.2-1.8V輸入電壓下實(shí)現(xiàn)了20至24V的輸出電壓，升壓比達(dá)到11-20，并獲得76.7%的峰值效率和12mW/mm3的功率密度，在同類產(chǎn)品中表現(xiàn)突出。
南方科技大學(xué)電子與電氣工程系研究助理教授胡琛為論文第一作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位，姜俊敏為通訊作者。
提出寬輸出范圍的SC Sigma變換器架構(gòu)和芯片設(shè)計(jì)
研究團(tuán)隊(duì)在高壓高速度無電感升壓芯片的設(shè)計(jì)方面取得重要突破，相關(guān)成果以“A 6.87W 3.7-5V Input 12.6-24V Output Switched-Capacitor Sigma Converter with Multiple Voltage Domains”為題發(fā)表在集成電路頂會(huì)2025 IEEE Custom Integrated Circuits Conference(CICC)。
高速度和高密度的直流升壓變換器在顯示和傳感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)的Boost變換器中的功率電感限制了系統(tǒng)的功率密度和響應(yīng)速度。研究團(tuán)隊(duì)在2024年集成電路的旗艦會(huì)議上提出了Sigma型開關(guān)電容(SC)升壓變換器，在功率密度和輸出響應(yīng)上取得了突破，然而由于固定輸出電壓，其應(yīng)用范圍受到較大限制。
圖7.寬輸出電壓范圍的SC Sigma變換器
為了解決固定變比的開關(guān)電容輸出范圍較窄這一關(guān)鍵問題，本研究提出了寬輸出范圍的SC Sigma變換器架構(gòu)和芯片設(shè)計(jì)。芯片架構(gòu)如圖7所示，由輸出電壓高壓側(cè)的可重構(gòu)開關(guān)電容和低壓側(cè)的高帶寬LDO疊加得到。開關(guān)電容的輸出電壓可以在3×/4×輸入電壓之間切換，LDO的輸入電壓又可以在1×/0.5×之間切換，因此該架構(gòu)相比于ISSCC2024中采用的固定變比的開關(guān)電容變換器，輸出電壓的范圍拓寬10倍以上。同時(shí)，低壓側(cè)的LDO可以提供快速和高精度的輸出電壓穩(wěn)壓能力，兼顧寬范圍與高性能。
圖8.功率級(jí)工作原理及輸出電壓拓寬效果示意圖
芯片功率級(jí)電路的工作原理如圖8所示，開關(guān)電容在3相位工作時(shí)，可以獲得4倍升壓，在2相位工作時(shí)，可以獲得3倍升壓。加上LDO的連續(xù)可變的電壓調(diào)節(jié)能力，最終該芯片的輸出電壓可達(dá)12.6-24 V，是ISSCC2024上提出的Sigma型開關(guān)電容(SC)升壓變換器的10.4倍。
圖9.芯片及PCB照片
此芯片設(shè)計(jì)在0.18μm工藝下的流片驗(yàn)證，在3.7-5V的輸入電壓、0-300mA的輸出電流下實(shí)現(xiàn)了6.87W的最大輸出功率，并在輸出4.18 W下獲得了95%的峰值效率。同時(shí)，0-200mA的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間低至350ns，功率密度高達(dá)179mW/mm3。
南方科技大學(xué)電子與電氣工程系訪問學(xué)生朱凌峰為該論文第一作者，南方科技大學(xué)為論文第一單位，姜俊敏副教授為通訊作者。
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