中國金宝搏入口188在電源管理芯片設計領域取得重要進展
近日，中國(guo)(guo)金宝搏入口188國(guo)(guo)家示范性(xing)微電(dian)子學(xue)院(yuan)程林教授課題組設(she)(she)計的兩款電(dian)源管理芯片（高(gao)效率低(di)EMI隔離電(dian)源芯片和快速(su)大(da)轉換比DC-DC轉換器芯片）亮相集成電(dian)路設(she)(she)計領域最(zui)高(gao)級(ji)別會議 IEEE International Solid-State Circuits Conference （ISSCC）。ISSCC是國(guo)(guo)際上最(zui)尖(jian)端芯片技術(shu)發表之地，其在學(xue)術(shu)界(jie)和產業界(jie)受(shou)到極大(da)關注，也(ye)被稱為 “芯片奧林匹克”。ISSCC2022于今年2月20日至28日在線上舉行。
高效率低EMI隔離電源芯片
隨著隔(ge)離電源的尺寸越(yue)來(lai)越(yue)小，芯片(pian)內部功(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)振(zhen)蕩(dang)信號頻率(lv)(lv)(lv)和(he)功(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)密度也越(yue)來(lai)越(yue)高。隔(ge)離DC-DC轉換器(qi)(qi)往往會(hui)成為輻射源，導致電磁干擾（EMI）問題。傳(chuan)統(tong)(tong)隔(ge)離DC-DC轉換器(qi)(qi)降(jiang)低EMI的方(fang)法大多局(ju)限于板級層面，開發成本高且無法從根源上解決(jue)EMI輻射問題。本研(yan)究(jiu)提(ti)出了一種對稱型D類振(zhen)蕩(dang)器(qi)(qi)的發射端拓撲結構(gou)，在芯片(pian)層面上減小隔(ge)離電源系統(tong)(tong)的共(gong)模電流以(yi)降(jiang)低EMI輻射。同時，該研(yan)究(jiu)提(ti)出的死區控制方(fang)法可以(yi)巧(qiao)妙避(bi)免從電源到地的瞬時短路電流。此外，該研(yan)究(jiu)提(ti)出的架(jia)構(gou)只采用了低壓功(gong)(gong)率(lv)(lv)(lv)管(guan)，從而有效提(ti)高了振(zhen)蕩(dang)器(qi)(qi)的轉換效率(lv)(lv)(lv)，降(jiang)低了芯片(pian)成本。
圖1隔離電源芯片電路(lu)結(jie)構與EMI測試結(jie)果
最終測試結果表明該芯片實(shi)現了51%的峰值轉換效率和(he)最大1.2W的輸出功率，并(bing)且在專業(ye)的10米場暗(an)室中實(shi)測通過了CISPR-32的B類EMI輻(fu)射國(guo)際(ji)標準，研究成果以“A 1.2W 51%-Peak-Efficiency Isolated DC-DC Converterwith a Cross-Coupled Shoot-Through-Free Class-DOscillator Meeting the CISPR-32 Class-B EMI Standard”為(wei)題發(fa)(fa)表在ISSCC2022上。第一作(zuo)者(zhe)(zhe)為(wei)我校微(wei)(wei)電(dian)子學院特任副研究員(yuan)潘東方，程林教授為(wei)通訊作(zuo)者(zhe)(zhe)，蘇州納芯微(wei)(wei)電(dian)子為(wei)論(lun)(lun)文合作(zuo)單(dan)位。這是課題組(zu)連續(xu)第二年在隔離(li)電(dian)源芯片設計領域(yu)發(fa)(fa)表的ISSCC論(lun)(lun)文。
圖2隔離電源芯片(pian)和(he)封裝照片(pian)
快速大轉換比DC-DC轉換器芯片
單級大(da)轉換比(bi)DC-DC轉換器因(yin)其具備低傳輸線(xian)損耗、綜合(he)效率(lv)高(gao)等優勢，在(zai)數據(ju)中心(xin)、5G通信基站等領域具有(you)(you)廣闊(kuo)的應用前景(jing)。現有(you)(you)的大(da)轉換比(bi)DC-DC轉換器多采用多相(xiang)DC-DC轉換器與串聯電容相(xiang)結合(he)的混合(he)拓撲結構(gou)，以實現等效轉換比(bi)的擴(kuo)展，但其負載瞬態響應速度受多相(xiang)間固定相(xiang)位差以及多相(xiang)結構(gou)無法同時導通的限制(zhi)。
圖(tu)3快速(su)大轉換比DC-DC轉換器(qi)電(dian)路結構與芯(xin)片照片
本研究基于兩相串聯電容式DC-DC轉換器拓撲結構，提出了雙反饋環路的電壓模式PWM控制方法，實現對輸出電壓和串聯電容電壓的調制。同時，本研究還提出了快速瞬態響應技術，既克服傳統PWM控制方法存在的環路響應速度與負載跳變時刻有關的缺點，也可以利用兩相電感電流同步對負載充電以進一步提高轉換器的響應速度。最終測試結果表明本研究在3A電流的負載跳變下實現了僅0.9μs的(de)恢(hui)復時間，取(qu)得(de)了目(mu)前同類研(yan)究中最快的(de)負載瞬態響應(ying)速度，研(yan)究成果以“A 12V/24V-to-1V DSD Power Converter with56mV Droop and 0.9μs 1% Settling Timefor a 3A/20ns Load Transient”為(wei)題發表在(zai)ISSCC2022上。第一(yi)作(zuo)者(zhe)為(wei)我校(xiao)微電(dian)子(zi)學院博士生苑競藝，程(cheng)林(lin)教授為(wei)通訊作(zuo)者(zhe)。
圖4DC-DC轉換(huan)器芯片負(fu)載瞬態測(ce)試結(jie)果
上述兩項研究得到(dao)了國家(jia)自然科(ke)學(xue)基金(jin)委、科(ke)技部和中(zhong)科(ke)院等項目(mu)的(de)資助。
ISSCC會議官網：//www.isscc.org/
（微(wei)電子(zi)學(xue)院(yuan)、信息科學(xue)技術學(xue)院(yuan)、科研部）
