中国科大五项芯片设计成果亮相ISSCC 2024

闲庭漫步 · 发表于 2024-3-2 17:14:09

中国科大五项芯片设计成果亮相ISSCC 2024

近日，中国科大国家示范性微电子学院程林教授课题组设计的五款电源管理芯片亮相于集成电路设计领域知名会议 IEEE International Solid-State Circuits Conference（ISSCC）。ISSCC是世界学术界和工业界公认的集成电路设计领域最高级别会议，被认为是集成电路设计领域的“芯片奥林匹克大会”。ISSCC 2024于今年2月18日至22日在美国旧金山举行。

该课题组的季逸超、靳吉、陈昶金、葛俊飞和王保创五位同学分别入选论文的第一作者，程林教授为通讯作者，工作方向涵盖了高功率密度混合拓扑架构电源芯片、高效率AMOLED驱动供电芯片、200MHz 5G功率放大器包络追踪电源芯片、高效率无线充电芯片和高功率低交调单电感多输出电源芯片。微电子学院林福江教授和程林教授带队参加此次大会，并在大会中分享相关研究成果。作为大会技术委员会委员，程林教授还担任了混合型DC-DC转换器专题的共同主席，并且参加了电源管理分委会会议和远东区委员会议。

图一ISSCC 2024参会人员合影

2月20日上午，由微电子学院与合肥乘翎微电子有限公司合作研发的一款高效率、高密度单电感双极性输出（SIBO）转换器芯片亮相于ISSCC混合型DC-DC转换器专题，博士研究生靳吉以“A 94.5%-Peak-Efficiency 3.99W/mm2 Power-Density Single-Inductor Bipolar-Output Converter with a Concise PWM Control for AMOLED Displays”为题汇报了该项工作。该研究针对如今普遍使用的AMOLED屏幕的供电芯片低效率、低功率密度的问题，提出一种新型拓扑结构，显著降低电感电流应力和功率管电压应力，实现了当前最高的94.5%的峰值效率和3.99W/mm2功率密度，同时还针对SIBO转换器提出了一种简洁的PWM控制方案，实现了高鲁棒性和快速瞬态响应。该工作被评为混合型DC-DC转换器专题的亮点论文。

图二高效率AMOLED驱动供电芯片报告现场

2月21日上午，微电子学院特任副研究员潘东方与博士研究生葛俊飞在无线充电专题汇报了论文“A 6.78MHz 79.5%-Peak-Efficiency Wireless Power Transfer System Using a Wireless Mode-Recognition Technique and a Fully-On/off Class-D Power Amplifier”。该研究解决了传统无线充电系统的两个关键问题：发射端在轻载时不能完全关闭导致系统低效率，以及发射端和接收端之间的信息交互需要专门的通讯模块。研究提出的控制技术能够根据负载变化自适应地开启/关闭发射端的功率放大器，从而提高了系统效率，同时，提出的无线模式识别技术消除了无线充电系统通信所需的外部组件。测试结果显示，采用该技术在轻载时可实现高达20.1%的效率提升，并且在同类工作中实现了最高的79.5%峰值效率。该工作被评为无线充电专题的亮点论文。

图三高效率无线充电芯片报告现场

2月21日上午，博士研究生季逸超在高密度电源管理专题汇报了论文“A 12V-Input 1V-1.8V-Output 94.7%-Peak-Efficiency 685A/cm3-Current-Density Hybrid DC-DC Converter with a Charge Converging Phase”。该工作设计了一款12V输入、1V-1.8V输出的混合直流-直流转换器，通过提出的电荷汇聚相位，将电感均值电流在全转换比范围降低至输出负载电流的一半以下，电感损耗得到充分降低，避免了对大尺寸、高性能电感的依赖，有效提升了电流密度；并且通过开关电容的堆叠，避免采用高压功率管，降低了功率管的损耗，有效提升了转换器效率。本工作仅需采用小尺寸电感，以最小的片外无源器件尺寸与成本，实现了当前最高的效率94.7%与最高的电流密度685A/cm3。该工作被评为高密度电源管理专题的亮点论文。

图四高功率密度混合拓扑架构电源芯片报告现场

2月21日下午，博士研究生陈昶金与苑竞艺在功率转换器技术专题汇报了论文“An 83.4%-Peak-Efficiency Envelope-Tracking Supply Modulator Using a Class-G Linear Amplifier and a Single-Inductor Dual-Input-Dual-Output Converter for 200MHz Bandwidth 5G New Radio RF Applications”。针对5G应用下射频信号的包络带宽高、摆幅大，功率放大器的去耦电容高频充放电电流大，导致电源调制器效率低的问题，论文提出了一种新型的混合结构包络跟踪电源调制器，通过采用G类线性放大器和单电感双输入双输出转换器，有效降低了电流在线性放大器输出晶体管的平均电压降，提升了系统效率。并且G类线性放大器可在高低电源轨之间平滑过渡，保证了高线性度和低失真。该设计在同时满足200MHz跟踪带宽，200pF负载电容和1V-5V大输出摆幅的条件下，实现了当前最高的83.4%的峰值效率，为5G应用下的高效电源调制器设计提供了新的解决思路。该工作被评为功率转换器技术专题的亮点论文。

图五200MHz 5G功率放大器包络追踪电源芯片报告现场

2月21日下午，硕士研究生王保创在功率转换器技术专题汇报了论文“A 11.7W 9mV/A-Cross-Regulation Single-Inductor Triple-Output Buck Converter using Unordered Power-Distributive Control for a 2A Load Transient”。现有的单电感多输出直流-直流转换器（SIMO）面临着严重的交叉调整问题，一直限制着其应用于大功率快速负载瞬态跳变的场景。该论文提出了一种应用于SIMO拓扑的一种新型的控制方法，利用变序能量分配策略解决了SIMO的交叉调整问题。测试结果表明，在快速负载瞬态跳变下，本工作实现了最低的交叉调整（9mV/A）以及最大的带载能力（11.7W）。

图六高功率低交调单电感多输出电源芯片报告现场

以上五项报告获得了国际同行的广泛好评，目前，程林教授课题组已连续四年在ISSCC上发表了9篇论文，在中国大陆地区单个课题组单年论文接收数量和亮点论文数量上取得新突破。

以上研究得到了国家自然科学基金、中国科学院战略性先导研究计划、安徽省重点研发计划和企业合作项目等课题的资助，也得到了中国科大信息科学实验中心的大力支持。

ISSCC会议官网：[backcolor=transparent !important]http://isscc.org/

（微电子学院、科研部）