近日，郭建平教授課題組低功耗電源管理芯片研究成果被集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域頂級(jí)期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）錄用，論文題目為A Single Li-Ion Battery Powered Buck Converter With >90% Efficiency Over 10-μA to 500-mA Loading Range by Utilizing Compensator-Based Built-In Mode Tracking Technology，2022屆微電子科學(xué)與工程專業(yè)本科生王保創(chuàng)同學(xué)為論文第一作者，2022級(jí)集成電路工程碩士研究生謝依玲同學(xué)為第二作者，郭建平教授為通訊作者。
低功耗降壓轉(zhuǎn)換器廣泛應(yīng)用于電池供電的物聯(lián)網(wǎng)及便攜式電子設(shè)備中，這類設(shè)備在睡眠狀態(tài)下功耗往往低至亞微安級(jí)別，而在工作狀態(tài)下則要求電源具備快速響應(yīng)能力，并能提供較大的電流（數(shù)百毫安）。因此，電源轉(zhuǎn)換器必須在不同負(fù)載電流條件下切換不同的控制模式，以實(shí)現(xiàn)超寬負(fù)載范圍內(nèi)的高效能。
目前較先進(jìn)的設(shè)計(jì)往往通過多模式控制來平衡休眠狀態(tài)與工作狀態(tài)下對(duì)電源管理的不同需求。然而，在休眠模式下的電源轉(zhuǎn)換電路需要監(jiān)測(cè)負(fù)載電流以實(shí)現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，一方面需要消耗一定電流，無法實(shí)現(xiàn)極低功耗，另一方面，由于檢測(cè)電路功耗要維持在一個(gè)相對(duì)較低水準(zhǔn)，使得瞬態(tài)響應(yīng)速度大打折扣。針對(duì)上述問題，本研究提出了一種基于補(bǔ)償器的內(nèi)置模式跟蹤技術(shù)，利用補(bǔ)償器增益與頻率的線性關(guān)系以及頻率和負(fù)載電流的線性關(guān)系，通過補(bǔ)償器輸出的動(dòng)態(tài)特性直接反映負(fù)載變化，從而實(shí)現(xiàn)輕載與重載之間的平滑模式切換。在電路實(shí)現(xiàn)上，進(jìn)一步通過復(fù)用放大器，無需額外的負(fù)載檢測(cè)電路，顯著簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低了靜態(tài)功耗，在輕載條件下有效地提升了系統(tǒng)效率。
圖1 本研究中提出的低功耗降壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)框圖及芯片顯微照片
相關(guān)設(shè)計(jì)已在180nm BCD工藝下完成流片驗(yàn)證。芯片測(cè)試結(jié)果表明，在單節(jié)鋰電池輸出的情況（2.7V-4.2V）下，該轉(zhuǎn)換器僅需約150nA靜態(tài)電流，實(shí)現(xiàn)了在10μA-500mA負(fù)載下大于90%的轉(zhuǎn)換效率。在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)電池供電的苛刻要求下，該轉(zhuǎn)換器可以顯著延長(zhǎng)電池壽命，在穿戴式電子設(shè)備、無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)等領(lǐng)域中應(yīng)用前景廣闊。
圖2. 芯片效率測(cè)試結(jié)果圖
圖3. 芯片瞬態(tài)性能測(cè)試結(jié)果圖
JSSC是集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域影響力最大，錄用難度最高的國際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊，旨在發(fā)布領(lǐng)域內(nèi)最新技術(shù)進(jìn)展和突破性成果，代表著當(dāng)前集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)W術(shù)界的最高技術(shù)水平。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金和中山大學(xué)廣東省集成電路工程技術(shù)研究中心的大力支持。
郭建平教授簡(jiǎn)介
郭建平博士，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院（微電子學(xué)院）教授、微電子科學(xué)與工程教研室主任、IEEE固態(tài)電路學(xué)會(huì)廣州分會(huì)主席、廣東省集成電路工程技術(shù)研究中心副主任。主要從事模擬與數(shù)模混合集成電路的研究與設(shè)計(jì)，研究方向?yàn)殡娫垂芾砑凹す饫走_(dá)芯片。
在集成電路設(shè)計(jì)方向發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，含多篇集成電路設(shè)計(jì)頂級(jí)期刊/會(huì)議（JSSC/ISSCC）論文。發(fā)表的LDO頻率補(bǔ)償技術(shù)廣泛應(yīng)用于國內(nèi)頭部芯片公司產(chǎn)品中，發(fā)表的全集成FVF-LDO論文單篇被引超過400次（谷歌學(xué)術(shù)），為近十年來被引最高的LDO芯片論文。主持研發(fā)了十余款商用量產(chǎn)芯片，其中部分電源管理芯片已應(yīng)用于國內(nèi)知名通信廠商。授權(quán)中國發(fā)明專利近40項(xiàng)，其中20余項(xiàng)已成功實(shí)施轉(zhuǎn)讓，激光雷達(dá)芯片實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
郭建平教授指導(dǎo)了眾多學(xué)生開展大創(chuàng)及競(jìng)賽等學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，指導(dǎo)的學(xué)生在2020-2022年連續(xù)三年獲得集創(chuàng)賽模擬IC賽道全國一等獎(jiǎng)，2023-2024連續(xù)兩年獲得IEEE ICTA最佳論文獎(jiǎng)。指導(dǎo)多名學(xué)生在本科階段完成了芯片流片，并在IC設(shè)計(jì)領(lǐng)域旗艦期刊或會(huì)議發(fā)表多篇學(xué)術(shù)論文。
文章來源：中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院
