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　　近日(ri)，中國科(ke)大(da)國家示范性微電子學(xue)院程林(lin)教授課題(ti)組設(she)(she)計的一款(kuan)高(gao)效率、高(gao)電流(liu)(liu)密度的降壓-升壓直流(liu)(liu)-直流(liu)(liu)轉換器(qi)(Buck-Boost DC-DC Converter)芯(xin)片(pian)亮相于集成電路設(she)(she)計領域最(zui)高(gao)級別會議(yi) IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)。ISSCC是國際上最(zui)尖端芯(xin)片(pian)設(she)(she)計技(ji)術發(fa)表之地，其在學(xue)術界和產業界受到極大(da)關注，也被(bei)稱為 “芯(xin)片(pian)奧林(lin)匹克”。ISSCC 2023于今年2月19日(ri)至23日(ri)在美國舊金山舉(ju)行。

　　Buck-Boost轉(zhuan)(zhuan)換器(qi)廣泛應用于鋰電(dian)(dian)池(chi)供電(dian)(dian)的移動電(dian)(dian)子設(she)備(bei)中，將在(zai)實際使用時(shi)變化的電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓(ya)(2.7 V-4.2 V) 轉(zhuan)(zhuan)換為3.4V左右的固定(ding)電(dian)(dian)壓(ya)，為應用端如射頻功放、藍牙等模(mo)塊供電(dian)(dian)。為了(le)延(yan)長(chang)電(dian)(dian)池(chi)的使用時(shi)間，需要轉(zhuan)(zhuan)換器(qi)在(zai)全(quan)電(dian)(dian)池(chi)電(dian)(dian)壓(ya)范圍(wei)內保持(chi)高效率。同時(shi)為了(le)滿足移動電(dian)(dian)子設(she)備(bei)的小型化需求，要求轉(zhuan)(zhuan)換器(qi)具有(you)高電(dian)(dian)流(liu)密(mi)度。

　　現(xian)有的(de)(de)(de)Buck-Boost轉換器通過引入(ru)飛電容減(jian)少功(gong)率路徑上的(de)(de)(de)功(gong)率管數量(liang)來降(jiang)低(di)導通損耗，但同時也導致了(le)功(gong)率管的(de)(de)(de)耐壓(ya)問題(ti)(ti)，限(xian)制了(le)效(xiao)(xiao)率的(de)(de)(de)提升；為了(le)克服耐壓(ya)問題(ti)(ti)，一些工(gong)作(zuo)又(you)引入(ru)更多(duo)的(de)(de)(de)功(gong)率管和飛電容，增加了(le)成(cheng)本并且降(jiang)低(di)了(le)芯片的(de)(de)(de)電流密度。隨著移(yi)動電子設備集成(cheng)的(de)(de)(de)功(gong)能越(yue)來越(yue)多(duo)，負載電流越(yue)來越(yue)大，現(xian)有Buck-Boost結構(gou)在效(xiao)(xiao)率與電流密度之(zhi)間的(de)(de)(de)折中愈發挑戰。

　　為(wei)此(ci)，本(ben)研究提出一種新型(xing)Buck-Boost轉換器拓撲結構(gou)，該結構(gou)中(zhong)只包含(han)4個低壓(ya)功(gong)率管、1個飛(fei)電(dian)容、1個電(dian)感，是現有(you)結構(gou)中(zhong)唯(wei)一一種僅(jin)使(shi)用(yong)4個功(gong)率管和1個飛(fei)電(dian)容而(er)無耐(nai)壓(ya)問題的結構(gou)。此(ci)外(wai)，在(zai)飛(fei)電(dian)容的輔(fu)助下，該結構(gou)的電(dian)感電(dian)流以(yi)及(ji)導通損耗在(zai)全電(dian)池電(dian)壓(ya)范圍內(nei)都得(de)到有(you)效降低。

圖(tu)1 論文提出(chu)的芯片架構

　　測(ce)試結果表(biao)明，該芯(xin)片(pian)可實現98.6%的峰(feng)值(zhi)效率(lv)，在(zai)1.7 mm2的芯(xin)片(pian)面積(ji)下(xia)實現了最(zui)(zui)大(da)2.5A的輸出電(dian)流。與同類研究相比，本設計(ji)以(yi)最(zui)(zui)低的芯(xin)片(pian)成(cheng)本取得了全電(dian)壓轉換比下(xia)最(zui)(zui)高效率(lv)以(yi)及最(zui)(zui)高電(dian)流密(mi)度，實現了效率(lv)與電(dian)流密(mi)度較(jiao)為(wei)完美的折(zhe)中。該研究成(cheng)果以(yi)“A 98.6%-Peak-Efficiency 1.47A/mm2Current-Density Buck-Boost Converter with Always Reduced Conduction Loss”為(wei)題(ti)發(fa)表(biao)在(zai)ISSCC 2023上(shang)。第一作(zuo)者為(wei)中國科大(da)微電(dian)子學院博士生靳吉(ji)，程林教(jiao)授為(wei)通(tong)訊(xun)作(zuo)者，合肥乘翎(ling)微電(dian)子有限公司為(wei)論文合作(zuo)單位。這(zhe)也是程林教(jiao)授課題(ti)組連續(xu)第三年(nian)在(zai)ISSCC上(shang)發(fa)表(biao)關于電(dian)源管(guan)理芯(xin)片(pian)設計(ji)的工作(zuo)。

圖2 芯片照片

圖(tu)3 芯片測試性(xing)能對比

　　本項研究(jiu)得(de)到了(le)中(zhong)國科學院(yuan)戰略性先導(dao)研究(jiu)計(ji)劃、國家(jia)自然科學基金等課題(ti)的資助，也得(de)到了(le)中(zhong)國科大信息科學實驗中(zhong)心的支持。