近日，中國(guo)金宝搏入口188國(guo)家示范(fan)性微(wei)電(dian)子學院(yuan)程(cheng)林教授(shou)課題(ti)組設計(ji)的一款高(gao)(gao)(gao)效率、高(gao)(gao)(gao)電(dian)流(liu)密度的降壓-升(sheng)壓直(zhi)流(liu)-直(zhi)流(liu)轉(zhuan)換器(qi)(Buck-Boost DC-DC Converter)芯片亮相于集成電(dian)路設計(ji)領域最(zui)高(gao)(gao)(gao)級別會議 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)。ISSCC是國(guo)際上最(zui)尖端芯片設計(ji)技術發表之地，其在學術界(jie)和產業(ye)界(jie)受到極大關注，也被稱為 “芯片奧林匹克”。ISSCC 2023于今年2月19日至23日在美國(guo)舊金山舉行。
Buck-Boost轉換器廣泛應(ying)用于鋰電(dian)(dian)池(chi)供電(dian)(dian)的(de)(de)移(yi)動(dong)電(dian)(dian)子設(she)備中(zhong)，將在實際使(shi)(shi)用時變化的(de)(de)電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓(2.7 V-4.2 V) 轉換為(wei)3.4V左右的(de)(de)固(gu)定電(dian)(dian)壓，為(wei)應(ying)用端(duan)如射頻功放、藍牙等(deng)模塊供電(dian)(dian)。為(wei)了延長(chang)電(dian)(dian)池(chi)的(de)(de)使(shi)(shi)用時間，需要(yao)轉換器在全電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓范圍內保持高效率。同時為(wei)了滿(man)足移(yi)動(dong)電(dian)(dian)子設(she)備的(de)(de)小型化需求，要(yao)求轉換器具有高電(dian)(dian)流(liu)密度。
現(xian)有的(de)(de)Buck-Boost轉換(huan)器(qi)通(tong)過引入飛電(dian)容減少功(gong)率(lv)(lv)路徑上的(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)管數量(liang)來(lai)降(jiang)低導通(tong)損耗(hao)，但同時也導致了功(gong)率(lv)(lv)管的(de)(de)耐(nai)壓(ya)問題，限制(zhi)了效(xiao)率(lv)(lv)的(de)(de)提升；為了克服耐(nai)壓(ya)問題，一些工作又引入更多的(de)(de)功(gong)率(lv)(lv)管和(he)飛電(dian)容，增加了成本并且降(jiang)低了芯片的(de)(de)電(dian)流(liu)(liu)(liu)密度。隨著(zhu)移動電(dian)子設備集成的(de)(de)功(gong)能越來(lai)越多，負載(zai)電(dian)流(liu)(liu)(liu)越來(lai)越大，現(xian)有Buck-Boost結構(gou)在效(xiao)率(lv)(lv)與(yu)電(dian)流(liu)(liu)(liu)密度之(zhi)間的(de)(de)折中愈發挑(tiao)戰。
為此，本研究提出一種新(xin)型Buck-Boost轉換器(qi)拓撲結(jie)構，該結(jie)構中(zhong)只包含4個低(di)壓功(gong)(gong)率管、1個飛電容(rong)、1個電感，是(shi)現有(you)(you)結(jie)構中(zhong)唯一一種僅使用(yong)4個功(gong)(gong)率管和1個飛電容(rong)而無耐壓問題的(de)(de)結(jie)構。此外，在(zai)飛電容(rong)的(de)(de)輔助(zhu)下，該結(jie)構的(de)(de)電感電流以及(ji)導通損耗在(zai)全電池電壓范(fan)圍(wei)內(nei)都得到有(you)(you)效降(jiang)低(di)。
圖1 論文(wen)提出的芯片架構
測(ce)試結果表明，該芯片可實現(xian)98.6%的峰值效率，在1.7 mm2的(de)(de)芯片(pian)面積(ji)下實現了(le)(le)最(zui)大2.5A的(de)(de)輸出電(dian)(dian)(dian)流。與同(tong)類研究(jiu)相比，本(ben)設(she)計以最(zui)低的(de)(de)芯片(pian)成本(ben)取得了(le)(le)全電(dian)(dian)(dian)壓轉換比下最(zui)高(gao)效(xiao)率以及最(zui)高(gao)電(dian)(dian)(dian)流密度(du)，實現了(le)(le)效(xiao)率與電(dian)(dian)(dian)流密度(du)較(jiao)為完美的(de)(de)折(zhe)中(zhong)。該(gai)研究(jiu)成果以“A 98.6%-Peak-Efficiency 1.47A/mm2Current-Density Buck-Boost Converter with Always Reduced Conduction Loss”為題發表在ISSCC 2023上。第(di)(di)一(yi)作(zuo)者為我校微電子學院博士生靳(jin)吉，程(cheng)(cheng)林教授為通訊作(zuo)者，合(he)(he)肥(fei)乘翎微電子有限公司為論文合(he)(he)作(zuo)單位。這也是程(cheng)(cheng)林教授課題組連續第(di)(di)三年在ISSCC上發表關(guan)于電源管(guan)理(li)芯片(pian)設計的工作(zuo)。
圖2 芯片照片
圖3 芯片測試性能對比
本項(xiang)研(yan)究得到(dao)了中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)科(ke)學院戰略性(xing)先導研(yan)究計劃(hua)、國(guo)(guo)家自然科(ke)學基金等課題的資(zi)助，也得到(dao)了中(zhong)(zhong)國(guo)(guo)金宝搏入口188信息科(ke)學實驗中(zhong)(zhong)心的支持(chi)。
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（微(wei)電(dian)子學院、科(ke)研部）