【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(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(guò)多模式控制來(lái)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(wú)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(wèn)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(guò)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(guò)復(fù)用放大器，無(wú)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。
 

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(wú)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。
 

芯片效率測(cè)試結(jié)果圖
 

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(guó)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(guó)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。