南科大姜俊敏團隊在功率集成電路設計領域取得系列進展

2025-09-11 11:21:34南方科技大學閱讀量：20111

　　近日，南方科技大學電子與電氣工程系副教授姜俊敏團隊在高密度直流電壓變換器芯片方面取得系列研究進展，相關成果分別發表在IEEE Transactions on Power Electronics (TPEL)、IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers (TCAS-I)、2025 IEEE Custom Integrated Circuits Conference(CICC)。

　　賦能MicroLED的高效率、快速動態響應的負壓直流降壓變換器

圖1.負壓降壓變換器的應用示意圖

　　該研究成果成功應用于MicroLED等先進顯示屏幕供電場景，以“Design and Analysis of a Hybrid Inverting Buck Converter with 5μs Response Time and 92.9?ficiency for Micro-LED Displays”為題發表在集成電路設計領域頂級期刊IEEE Transactions on Power Electronics(TPEL)。

　　如圖1所示，隨著顯示屏幕像素分辨率的提升，單像素尺寸由大于1mm縮小為數十μm，發光二極管(LED)的開啟電壓也由大于10V顯著下降至4 V以內。為采用低壓驅動器件以保證顯示屏的刷新速度，顯示屏的供電電壓需要盡可能低，因此LED的開啟電壓由負壓電源提供。傳統的負壓電源變換器大多面向更高壓降的OLED，多為負壓升降壓(IBB)或負壓升壓變換器，由于拓撲的限制難以獲得快速的動態響應，且電壓變換比較大，嚴重限制了在先進MicroLED顯示中的應用。

圖2.課題組提出的混合型負壓降壓(HIB)轉換器拓撲

　　針對這一技術瓶頸，研究團隊提出混合型負壓降壓(HIB)轉換器，創新性地將−1×開關電容(SC)與降壓轉換器集成，如圖2所示，僅需三個功率開關、一個飛跨電容和一個電感，該拓撲實現了3至4V輸入電壓下，-1至-2 V的可調負輸出電壓。與傳統的反相降壓-升壓(IBB)和Cuk轉換器相比，該設計具有三個優勢：1.體積更小，功率級拓撲僅需兩個片外器件；2.輸出電流連續，能夠實現遠超傳統方案的負載動態響應；3.拓撲不存在右半平面零點，極大簡化了環路補償的設計。

圖3.(a)芯片與(b)測試和PCB照片

　　圖3展示了HIB芯片的照片，該芯片實現了在3至4V的輸入電壓下，輸出-1至-2 V的輸出電壓，最高2.2 A的輸出電流，92.9%的峰值效率，高達295mW/mm3的體積功率密度，以及低至5μs的動態響應時間。

　　南方科技大學電子與電氣工程系2025屆畢業生顏興發和劉剛為共同第一作者，南方科技大學為論文第一單位，姜俊敏副教授、胡琛研究助理教授和香港中文大學劉尋助理教授為共同通訊作者。

　　創新提出單級四相位混合升壓轉換器架構

圖4.光伏板直接驅動激光傳感器的應用示意圖

　　該研究聚焦于激光雷達驅動，相關成果以“A Single-Stage Four-Phase Hybrid Boost Converter With 11-to-20 VCRs for LiDAR Driver Applications”為題發表在IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers(TCAS-I)。

　　隨著物聯網(IoT)設備的廣泛應用，高效電源管理系統成為延長設備壽命、降低維護成本的關鍵所在。以光伏板驅動的激光傳感器為例，傳統解決方案采用兩級升壓轉換器架構，系統效率通常低于70%，且體積大、成本高的缺陷明顯。為了實現單級升壓以提升系統效率，近年來，學界對高升壓比的單級升壓變換器拓撲開展了一系列研究，然而現有研究大多基于兩相位的工作模式，升壓變換比受到嚴重限制，通常需要超過5個飛跨電容以獲得10-20倍的升壓比，難以滿足實際需求。

圖5.變換器工作模式與電壓電流波形示意圖

　　為了提高升壓變換器拓撲的功率密度，研究團隊創新性地提出了一種單級四相位混合升壓轉換器架構，僅需三個飛跨電容和一個電感，即可實現11-20倍的電壓轉換比(VCR)，成功將1.2-1.8V的光伏電壓提升至LiDAR所需的20-24V工作電壓。圖5展示了研究團隊所提出的變換器拓撲的工作模式，三個電容在四個相位之間切換，從而實現十倍的升壓比，這也是三個電容所能實現的最大升壓比；同時，通過引入開關電感，實現可調輸出電壓并降低開關電容的充放電損耗。相比于傳統的Boost型升壓變換器，該拓撲可以降低約55%的平均電感電流和52%的電感電流紋波，極大降低了對電感體積的需求。

圖6.芯片與PCB照片

　　該芯片采用0.18μm工藝制造，芯片面積僅2.23mm²，在1.2-1.8V輸入電壓下實現了20至24V的輸出電壓，升壓比達到11-20，并獲得76.7%的峰值效率和12mW/mm3的功率密度，在同類產品中表現突出。

　　南方科技大學電子與電氣工程系研究助理教授胡琛為論文第一作者，南方科技大學為論文第一單位，姜俊敏為通訊作者。

　　提出寬輸出范圍的SC Sigma變換器架構和芯片設計

　　研究團隊在高壓高速度無電感升壓芯片的設計方面取得重要突破，相關成果以“A 6.87W 3.7-5V Input 12.6-24V Output Switched-Capacitor Sigma Converter with Multiple Voltage Domains”為題發表在集成電路頂會2025 IEEE Custom Integrated Circuits Conference(CICC)。

　　高速度和高密度的直流升壓變換器在顯示和傳感等領域具有廣泛的應用。然而，傳統的Boost變換器中的功率電感限制了系統的功率密度和響應速度。研究團隊在2024年集成電路的旗艦會議上提出了Sigma型開關電容(SC)升壓變換器，在功率密度和輸出響應上取得了突破，然而由于固定輸出電壓，其應用范圍受到較大限制。

圖7.寬輸出電壓范圍的SC Sigma變換器

　　為了解決固定變比的開關電容輸出范圍較窄這一關鍵問題，本研究提出了寬輸出范圍的SC Sigma變換器架構和芯片設計。芯片架構如圖7所示，由輸出電壓高壓側的可重構開關電容和低壓側的高帶寬LDO疊加得到。開關電容的輸出電壓可以在3×/4×輸入電壓之間切換，LDO的輸入電壓又可以在1×/0.5×之間切換，因此該架構相比于ISSCC2024中采用的固定變比的開關電容變換器，輸出電壓的范圍拓寬10倍以上。同時，低壓側的LDO可以提供快速和高精度的輸出電壓穩壓能力，兼顧寬范圍與高性能。

圖8.功率級工作原理及輸出電壓拓寬效果示意圖

　　芯片功率級電路的工作原理如圖8所示，開關電容在3相位工作時，可以獲得4倍升壓，在2相位工作時，可以獲得3倍升壓。加上LDO的連續可變的電壓調節能力，最終該芯片的輸出電壓可達12.6-24 V，是ISSCC2024上提出的Sigma型開關電容(SC)升壓變換器的10.4倍。

圖9.芯片及PCB照片

　　此芯片設計在0.18μm工藝下的流片驗證，在3.7-5V的輸入電壓、0-300mA的輸出電流下實現了6.87W的最大輸出功率，并在輸出4.18 W下獲得了95%的峰值效率。同時，0-200mA的負載瞬態響應時間低至350ns，功率密度高達179mW/mm3。

　　南方科技大學電子與電氣工程系訪問學生朱凌峰為該論文第一作者，南方科技大學為論文第一單位，姜俊敏副教授為通訊作者。

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