【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科大國家示范性微電子學院程林教授課題組設(shè)計的一款高效率、高電流密度的降壓-升壓直流-直流轉(zhuǎn)換器(Buck-Boost DC-DC Converter)芯片亮相于集成電路設(shè)計領(lǐng)域最高級別會議 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)。ISSCC是國際上最尖端芯片設(shè)計技術(shù)發(fā)表之地，其在學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界受到極大關(guān)注，也被稱為 “芯片奧林匹克”。ISSCC 2023于今年2月19日至23日在美國舊金山舉行。
Buck-Boost轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于鋰電池供電的移動電子設(shè)備中，將在實際使用時變化的電池電壓(2.7 V-4.2 V) 轉(zhuǎn)換為3.4V左右的固定電壓，為應(yīng)用端如射頻功放、藍牙等模塊供電。為了延長電池的使用時間，需要轉(zhuǎn)換器在全電池電壓范圍內(nèi)保持高效率。同時為了滿足移動電子設(shè)備的小型化需求，要求轉(zhuǎn)換器具有高電流密度。
現(xiàn)有的Buck-Boost轉(zhuǎn)換器通過引入飛電容減少功率路徑上的功率管數(shù)量來降低導通損耗，但同時也導致了功率管的耐壓問題，限制了效率的提升；為了克服耐壓問題，一些工作又引入更多的功率管和飛電容，增加了成本并且降低了芯片的電流密度。隨著移動電子設(shè)備集成的功能越來越多，負載電流越來越大，現(xiàn)有Buck-Boost結(jié)構(gòu)在效率與電流密度之間的折中愈發(fā)挑戰(zhàn)。
為此，本研究提出一種新型Buck-Boost轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中只包含4個低壓功率管、1個飛電容、1個電感，是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)中唯一一種僅使用4個功率管和1個飛電容而無耐壓問題的結(jié)構(gòu)。此外，在飛電容的輔助下，該結(jié)構(gòu)的電感電流以及導通損耗在全電池電壓范圍內(nèi)都得到有效降低。
圖1 論文提出的芯片架構(gòu)
測試結(jié)果表明，該芯片可實現(xiàn)98.6%的峰值效率，在1.7 mm2的芯片面積下實現(xiàn)了最大2.5A的輸出電流。與同類研究相比，本設(shè)計以最低的芯片成本取得了全電壓轉(zhuǎn)換比下最高效率以及最高電流密度，實現(xiàn)了效率與電流密度較為完美的折中。該研究成果以“A 98.6%-Peak-Efficiency 1.47A/mm2Current-Density Buck-Boost Converter with Always Reduced Conduction Loss”為題發(fā)表在ISSCC 2023上。第一作者為我校微電子學院博士生靳吉，程林教授為通訊作者，合肥乘翎微電子有限公司為論文合作單位。這也是程林教授課題組連續(xù)第三年在ISSCC上發(fā)表關(guān)于電源管理芯片設(shè)計的工作。
圖2 芯片照片
圖3 芯片測試性能對比
本項研究得到了中國科學院戰(zhàn)略性先導研究計劃、國家自然科學基金等課題的資助，也得到了中國科大信息科學實驗中心的支持。(微電子學院、科研部)
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