电源|中国科大在电源管理芯片设计领域取得重要进展

IT之家 3 月 1 日消息，据中国科大官方发布，近日，中国科大国家示范性微电子学院程林教授课题组设计的两款电源管理芯片（高效率低 EMI 隔离电源芯片和快速大转换比 DC-DC 转换器芯片）亮相集成电路设计领域最高级别会议 IEEE International Solid-State Circuits Conference （ISSCC）。ISSCC 是国际上最尖端芯片技术发表之地，其在学术界和产业界受到极大关注，也被称为“芯片奥林匹克”。ISSCC2022 于今年 2 月 20 日至 28 日在线上举行。
高效率低 EMI 隔离电源芯片随着隔离电源的尺寸越来越小，芯片内部功率振荡信号频率和功率密度也越来越高。隔离 DC-DC 转换器往往会成为辐射源，导致电磁干扰（EMI）问题。传统隔离 DC-DC 转换器降低 EMI 的方法大多局限于板级层面，开发成本高且无法从根源上解决 EMI 辐射问题。本研究提出了一种对称型 D 类振荡器的发射端拓扑结构，在芯片层面上减小隔离电源系统的共模电流以降低 EMI 辐射。同时，该研究提出的死区控制方法可以巧妙避免从电源到地的瞬时短路电流。此外，该研究提出的架构只采用了低压功率管，从而有效提高了振荡器的转换效率，降低了芯片成本。

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图 1 隔离电源芯片电路结构与 EMI 测试结果
最终测试结果表明该芯片实现了 51% 的峰值转换效率和最大 1.2W 的输出功率，并且在专业的 10 米场暗室中实测通过了 CISPR-32 的 B 类 EMI 辐射国际标准，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”为题发表在 ISSCC2022 上。第一作者为我校微电子学院特任副研究员潘东方，程林教授为通讯作者，苏州纳芯微电子为论文合作单位。这是课题组连续第二年在隔离电源芯片设计领域发表的 ISSCC 论文。

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图 2 隔离电源芯片和封装照片
快速大转换比 DC-DC 转换器芯片单级大转换比 DC-DC 转换器因其具备低传输线损耗、综合效率高等优势，在数据中心、5G 通信基站等领域具有广阔的应用前景。现有的大转换比 DC-DC 转换器多采用多相 DC-DC 转换器与串联电容相结合的混合拓扑结构，以实现等效转换比的扩展，但其负载瞬态响应速度受多相间固定相位差以及多相结构无法同时导通的限制。

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图 3 快速大转换比 DC-DC 转换器电路结构与芯片照片
本研究基于两相串联电容式 DC-DC 转换器拓扑结构，提出了双反馈环路的电压模式 PWM 控制方法，实现对输出电压和串联电容电压的调制。同时，本研究还提出了快速瞬态响应技术，既克服传统 PWM 控制方法存在的环路响应速度与负载跳变时刻有关的缺点，也可以利用两相电感电流同步对负载充电以进一步提高转换器的响应速度。最终测试结果表明本研究在 3A 电流的负载跳变下实现了仅 0.9μs 的恢复时间，取得了目前同类研究中最快的负载瞬态响应速度，研究成果以“A 12V / 24V-to-1V DSD Power Converter with56mV Droop and 0.9μs 1% Settling Timefor a 3A / 20ns Load Transient”为题发表在 ISSCC2022 上。第一作者为我校微电子学院博士生苑竞艺，程林教授为通讯作者。

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【电源|中国科大在电源管理芯片设计领域取得重要进展】图 4DC-DC 转换器芯片负载瞬态测试结果
上述两项研究得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院等项目的资助。