中科大在电源管理芯片设计领域取得新进展

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一款高效率、高电流密度的降压-升压直流-直流转换器(Buck-Boost DC-DC Converter)芯片亮相于集成电路设计领域最高级别会议 ISSCC。ISSCC是国际上最尖端芯片设计技术发表之地,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”。ISSCC 2023于今年2月19日至23日在美国旧金山举行。

Buck-Boost转换器广泛应用于锂电池供电的移动电子设备中,将在实际使用时变化的电池电压(2.7 V-4.2 V) 转换为3.4V左右的固定电压,为应用端如射频功放、蓝牙等模块供电。为了延长电池的使用时间,需要转换器在全电池电压范围内保持高效率。同时为了满足移动电子设备的小型化需求,要求转换器具有高电流密度。

现有的Buck-Boost转换器通过引入飞电容减少功率路径上的功率管数量来降低导通损耗,但同时也导致了功率管的耐压问题,限制了效率的提升;为了克服耐压问题,一些工作又引入更多的功率管和飞电容,增加了成本并且降低了芯片的电流密度。随着移动电子设备集成的功能越来越多,负载电流越来越大,现有Buck-Boost结构在效率与电流密度之间的折中愈发挑战。

中科大在电源管理芯片设计领域取得新进展

为此,本研究提出一种新型Buck-Boost转换器拓扑结构,该结构中只包含4个低压功率管、1个飞电容、1个电感,是现有结构中唯一一种仅使用4个功率管和1个飞电容而无耐压问题的结构。此外,在飞电容的辅助下,该结构的电感电流以及导通损耗在全电池电压范围内都得到有效降低。

测试结果表明,该芯片可实现98.6%的峰值效率,在1.7 mm2的芯片面积下实现了最大2.5A的输出电流。与同类研究相比,本设计以最低的芯片成本取得了全电压转换比下最高效率以及最高电流密度,实现了效率与电流密度较为完美的折中。该研究成果发表在ISSCC 2023上。第一作者为该校微电子学院博士生靳吉,程林教授为通讯作者,合肥乘翎微电子有限公司为论文合作单位。这也是程林教授课题组连续第三年在ISSCC上发表关于电源管理芯片设计的工作。

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