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中國(guó)科大國(guó)家示范性微電子學(xué)院程林教授課題組設(shè)計(jì)的兩款電源管理芯片(高效率低EMI隔離電源芯片和快速大轉(zhuǎn)換比DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片)亮相集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域最高級(jí)別會(huì)議 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)，ISSCC是國(guó)際上最尖端芯片技術(shù)發(fā)表之地，其在學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界受到極大關(guān)注，也被稱(chēng)為“芯片奧林匹克”。ISSCC 2022于今年2月20日至28日在線(xiàn)上舉行。
1. 高效率低EMI隔離電源芯片
隨著隔離電源的尺寸越來(lái)越小，芯片內(nèi)部功率振蕩信號(hào)頻率和功率密度也越來(lái)越高。隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器往往會(huì)成為輻射源，導(dǎo)致電磁干擾(EMI)問(wèn)題。傳統(tǒng)隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器降低EMI的方法大多局限于板級(jí)層面，開(kāi)發(fā)成本高且無(wú)法從根源上解決EMI輻射問(wèn)題。本研究提出了一種對(duì)稱(chēng)型D類(lèi)振蕩器的發(fā)射端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在芯片層面上減小隔離電源系統(tǒng)的共模電流以降低EMI輻射。同時(shí)，該研究提出的死區(qū)控制方法可以巧妙避免從電源到地的瞬時(shí)短路電流。此外，該研究提出的架構(gòu)只采用了低壓功率管，從而有效提高了振蕩器的轉(zhuǎn)換效率，降低了芯片成本。
圖1 隔離電源芯片電路結(jié)構(gòu)與EMI測(cè)試結(jié)果
最終測(cè)試結(jié)果表明該芯片實(shí)現(xiàn)了51%的峰值轉(zhuǎn)換效率和最大1.2W的輸出功率，并且在專(zhuān)業(yè)的10米場(chǎng)暗室中實(shí)測(cè)通過(guò)了CISPR-32的B類(lèi)EMI輻射國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，研究成果以“A 1.2W 51%-Peak-Efficiency Isolated DC-DC Converter with a Cross-Coupled Shoot-Through-Free Class-D Oscillator Meeting the CISPR-32 Class-B EMI Standard”為題發(fā)表在ISSCC 2022上。第一作者為我校微電子學(xué)院特任副研究員潘東方，程林教授為通訊作者，蘇州納芯微電子為論文合作單位。這是課題組連續(xù)第二年在隔離電源芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)表的ISSCC論文。
圖2 隔離電源芯片和封裝照片
2. 快速大轉(zhuǎn)換比DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片單級(jí)大轉(zhuǎn)換比DC-DC轉(zhuǎn)換器因其具備低傳輸線(xiàn)損耗、綜合效率高等優(yōu)勢(shì)，在數(shù)據(jù)中心、5G通信基站等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。現(xiàn)有的大轉(zhuǎn)換比DC-DC轉(zhuǎn)換器多采用多相DC-DC轉(zhuǎn)換器與串聯(lián)電容相結(jié)合的混合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)等效轉(zhuǎn)換比的擴(kuò)展，但其負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度受多相間固定相位差以及多相結(jié)構(gòu)無(wú)法同時(shí)導(dǎo)通的限制。
圖3 快速大轉(zhuǎn)換比DC-DC轉(zhuǎn)換器電路結(jié)構(gòu)與芯片照片
研究基于兩相串聯(lián)電容式DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了雙反饋環(huán)路的電壓模式PWM控制方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓和串聯(lián)電容電壓的調(diào)制。同時(shí)，本研究還提出了快速瞬態(tài)響應(yīng)技術(shù)，既克服傳統(tǒng)PWM控制方法存在的環(huán)路響應(yīng)速度與負(fù)載跳變時(shí)刻有關(guān)的缺點(diǎn)，也可以利用兩相電感電流同步對(duì)負(fù)載充電以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換器的響應(yīng)速度。最終測(cè)試結(jié)果表明本研究在3A電流的負(fù)載跳變下實(shí)現(xiàn)了僅0.9μs的恢復(fù)時(shí)間，取得了目前同類(lèi)研究中最快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度，研究成果以“A 12V/24V-to-1V DSD Power Converter with 56mV Droop and 0.9μs 1% Settling Time for a 3A/20ns Load Transient”為題發(fā)表在ISSCC 2022上。
圖4 DC-DC轉(zhuǎn)換器芯片負(fù)載瞬態(tài)測(cè)試結(jié)果上述兩項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中科院等項(xiàng)目的資助。
