【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基金和中山大學廣東省集成電路工程技術(shù)研究中心的大力支持。