【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】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)計領(lǐng)域頂級期刊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屆微電子專業(yè)本科生王保創(chuàng)同學(xué)為論文第一作者，2022級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)換器必須在不同負載電流條件下切換不同的控制模式，以實現(xiàn)超寬負載范圍內(nèi)的高效能。
目前較先進的設(shè)計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)測負載電流以實現(xiàn)模式轉(zhuǎn)換，一方面需要消耗一定電流，無法實現(xiàn)極低功耗，另一方面，由于檢測電路功耗要維持在一個相對較低水準，使得瞬態(tài)響應(yīng)速度大打折扣。針對上述問題，本研究提出了一種基于補償器的內(nèi)置模式跟蹤技術(shù)，利用補償器增益與頻率的線性關(guān)系以及頻率和負載電流的線性關(guān)系，通過補償器輸出的動態(tài)特性直接反映負載變化，從而實現(xiàn)輕載與重載之間的平滑模式切換。在電路實現(xiàn)上，進一步通過復(fù)用放大器，無需額外的負載檢測電路，顯著簡化了系統(tǒng)設(shè)計，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。
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)計已在180nm BCD工藝下完成流片驗證。芯片測試結(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，實現(xiàn)了在10μA-500mA負載下大于90%的轉(zhuǎn)換效率。在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對電池供電的苛刻要求下，該轉(zhuǎn)換器可以顯著延長電池壽命，在穿戴式電子設(shè)備、無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點等領(lǐng)域中應(yīng)用前景廣闊。
芯片效率測試結(jié)果圖
芯片瞬態(tài)性能測試結(jié)果圖
JSSC是集成電路設(shè)計領(lǐng)域影響力最大，錄用難度最高的國際頂級學(xué)術(shù)期刊，旨在發(fā)布領(lǐng)域內(nèi)最新技術(shù)進展和突破性成果，代表著當(dāng)前集成電路設(shè)計領(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。
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