近日，南方科技大學深港微電子學院副教授詹陳長和清華大學長聘教授路延團隊在混合型DC-DC電源管理芯片領域取得重要進展，雙方聯(lián)合指導的博士生趙雙星提出了一種高效率、具有快速瞬態(tài)響應的Buck-Boost（升降壓）混合型DC-DC轉換器。相關成果以“A Three-Fine-Level Buck-Boost Hybrid Converter Achieving Half-VIN-Stress on All Switches and Fast Transient Response” [1]為題發(fā)表在集成電路設計領域頂級期刊《固態(tài)電路雜志》(IEEE Journal of Solid-State Circuits, JSSC)上。該期刊論文是基于 2024年2月在ISSCC會議上發(fā)表的論文[2]，經(jīng)過深入拓展與全面完善后而獲得的成果。ISSCC是世界學術界和工業(yè)界公認的集成電路設計領域最高級別會議，被認為是集成電路設計領域的“芯片奧林匹克大會”。本期刊論文在原先會議論文的基礎上（詳情見新聞報道[3]），增加了對功率級拓撲的損耗分析、系統(tǒng)控制級各個模塊的工作原理分析，以及詳細的測試結果說明，更加完整地介紹了這個設計。

本工作針對如今普遍使用的鋰電池的輸出電壓管理芯片低效率、慢瞬態(tài)響應的問題，提出一種新型拓撲結構，將傳統(tǒng)轉換器功率管耐壓降低為1/2VIN，從而可用低壓管來取代高壓管，實現(xiàn)更高的轉換效率，以及更小的芯片制造成本， 圖1展示了鋰電池的功率傳輸特性以及傳統(tǒng)的同向Buck-Boost轉換器拓撲。

圖 1 鋰電池的功率傳輸特性和傳統(tǒng)的同向Buck-Boost轉換器拓撲

圖 2 (a)品質(zhì)因素和(b)MOS的導通電阻

圖 2 展示了三種不同類型開關管的品質(zhì)因數(shù)與導通電阻隨面積變化的情況，從中可明顯看出低壓管在導通電阻和柵荷系數(shù)方面具有顯著優(yōu)勢，因此有潛力實現(xiàn)更高的轉換效率。同時，針對傳統(tǒng)架構環(huán)路帶寬受到右半平面零點影響而難以提高的問題，該結構也取得了有效的改進。

圖 3 本工作提出的轉換器工作狀態(tài)。(a)Φ1，(b)Φ2，(c)Φ3，(d)Φ4，and(e)三種模式的時序圖

圖3展示了本工作提出的混合Buck-boost轉換器（3FLBB）功率級拓撲圖以及工作時序圖。該功率級模塊由七個開關管，兩個飛電容，一個電感和一個輸出電容組成。從工作時序圖中可以看出，兩個飛電容電壓均為1/2VIN，本工作提出的混合型DC-DC轉換器能夠保證在三種工作模式下（Buck、Boost、Buck-Boost， 降壓、升壓、升降壓），所有的開關管均只耐受1/2VIN的電壓。因此，該架構能夠用更低耐壓的開關管來取代傳統(tǒng)結構中的5V開關管，在本次實現(xiàn)的設計中，利用了1.8V開關管獲得更小的損耗從而提高效率。同時，所提出的新結構是在Buck基礎上改進，因而能夠消掉傳統(tǒng)Buck-Boost結構中的環(huán)路右半平面零點，從而提高瞬態(tài)響應速度。

圖4 芯片照片、效率瞬態(tài)響應測試結果

圖4展示了本工作的芯片效率、瞬態(tài)響應測試結果。本設計采用0.18μm BCD工藝，僅使用工藝中的1.8V低壓管，針對物聯(lián)網(wǎng)設備中最常用的鋰電池（電壓范圍4.2-2.7V），輸出固定的3.3V電壓，最終實現(xiàn)了98.2%的峰值效率和快速的瞬態(tài)響應。/n趙雙星是上述論文的第一作者，趙雙星同學已經(jīng)于今年5月順利畢業(yè)獲得博士學位，并加入了小米公司（上海），擔任小米未來星-高級芯片工程師。深港微電子學院詹陳長副教授和清華大學電子工程系路延教授為上述論文的共同通訊作者。南方科技大學為上述論文的第一通訊單位；本研究獲得了國家自然科學基金委，河套深圳-香港科技創(chuàng)新合作區(qū)，澳門特別行政區(qū)科技發(fā)展基金以及企業(yè)橫向課題的經(jīng)費資助。