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  中國科大國家示范性微電子學院程林教授課題組設計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)亮相集成電路設計領域最高級別會議 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)，ISSCC是國際上最尖端芯片技術(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 2022于今年2月20日至28日在線上舉行。

  1. 高效率低EMI隔離電源芯片

  隨著隔離電源的尺寸越來越小，芯片內(nèi)部功率振蕩信號頻率和功率密度也越來越高。隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器往往會成為輻射源，導致電磁干擾(EMI)問題。傳統(tǒng)隔離DC-DC轉(zhuǎn)換器降低EMI的方法大多局限于板級層面，開發(fā)成本高且無法從根源上解決EMI輻射問題。本研究提出了一種對稱型D類振蕩器的發(fā)射端拓撲結(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，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測試結(jié)果

  最終測試結(jié)果表明該芯片實現(xiàn)了51%的峰值轉(zhuǎn)換效率和最大1.2W的輸出功率，并且在專業(yè)的10米場暗室中實測通過了CISPR-32的B類EMI輻射國際標準，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計領域發(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)換器芯片單級大轉(zhuǎn)換比DC-DC轉(zhuǎn)換器因其具備低傳輸線損耗、綜合效率高等優(yōu)勢，在數(shù)據(jù)中心、5G通信基站等領域具有廣闊的應用前景。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)合的混合拓撲結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)等效轉(zhuǎn)換比的擴展，但其負載瞬態(tài)響應速度受多相間固定相位差以及多相結(jié)構(gòu)無法同時導通的限制。

  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)換器拓撲結(jié)構(gòu)，提出了雙反饋環(huán)路的電壓模式PWM控制方法，實現(xiàn)對輸出電壓和串聯(lián)電容電壓的調(diào)制。同時，本研究還提出了快速瞬態(tài)響應技術(shù)，既克服傳統(tǒng)PWM控制方法存在的環(huán)路響應速度與負載跳變時刻有關(guān)的缺點，也可以利用兩相電感電流同步對負載充電以進一步提高轉(zhuǎn)換器的響應速度。最終測試結(jié)果表明本研究在3A電流的負載跳變下實現(xiàn)了僅0.9μs的恢復時間，取得了目前同類研究中最快的負載瞬態(tài)響應速度，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)換器芯片負載瞬態(tài)測試結(jié)果上述兩項研究得到了國家自然科學基金委、科技部和中科院等項目的資助。