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半语-风华 | 路延:专注集成电源,解决“电能传输的最后一厘米”

半导体学报 半导体学报



路延,澳门大学微电子研究院副教授,博士生导师。2013年博士毕业于香港科技大学电子与计算机工程系。2014年加入澳门大学模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室工作至今。目前研究方向包括:(1)模拟与数字混合控制的片上全集成电源;(2)开关电容及混合型DC-DC功率转换器;(3)应用于移动设备及物联网的无线能量传输电路与系统等。

路延教授在被誉为“芯片奥林匹克”的国际固态电路大会(ISSCC)上发表论文10篇(其中9篇为一作/通讯作者,见图1)。2019年起担任ISSCC国际技术委员会成员,2020年起担任ISSCC中国区代表,电源管理分会远东区代表。获邀于ISSCC 2021上做关于“全集成稳压电源”的90分钟Tutorial。发表集成电路顶尖期刊JSSC 11篇(其中8篇为一作/通讯作者),电力电子顶尖期刊IEEE TPEL 9篇,电路与系统旗舰期刊IEEE TCAS-I/-II、TBCAS共19篇,以及其他IEEE一流期刊7篇,共计IEEE期刊46篇(其中32篇为一作或通讯作者)。申请中国专利三项,美国专利已授权两项。2018年由Springer Nature出版专著《CMOS Integrated Circuit Design for Wireless Power Transfer》(第一作者),2017年由River Publishers出版《Selected Topics in Power, RF, and Mixed-Signal ICs》(第一编辑),另发表书籍章节4篇。谷歌学术引用总数1700+,2020单年引用数400+,H指数23。

曾获IEEE固态电路学会博士生成就奖2013-14,IEEE电路与系统学会2017杰出青年作者奖,ISSCC 2017菅野卓雄远东最佳论文奖。2018和2020两次获得澳门科技奖-技术发明二等奖(2018为第一完成人,一等奖空缺)。曾任IEEE TCAS-I和TCAS-II客座编辑。现任ISSCC和CICC的技术委员会委员,及《半导体学报》青年编委。

图1:本人设计或指导设计的二十余款芯片的显微照片





1. 当微电子遇上电力电子




集成电路是电子信息世界的基石,也是国家的重要战略发展方向。其中,电源管理芯片为云端服务器、汽车电子、机器人、智能终端等产品中必不可少的关键组成部分。随着云计算、物联网、智能制造等新应用的兴起,集成电路行业对电源管理芯片提出了新的要求:更快的负载响应速度、更高的功率密度、更强的电流负载能力。

过去大家一直觉得互联网、信息行业是低碳的洁净行业。但是当水滴汇聚成河流,当弱电集聚成强电,有数据显示,信息和通信行业的总耗电量已经占全球耗电总量的8%以上,碳排放占全球总排放量的2%以上,和航空业相当。2018年,我国数据中心用电总量已经超过了上海全社会用电总量(1569亿千瓦时),为1609亿千瓦时,占中国全社会用电量的2.35%。预计2023年中国数据中心总用电量将超过2600亿千瓦时。

图2中红色方框部分是本人研究的领域:“电能传输的最后一厘米”。目前,我们的研究聚焦在大电流全集成稳压电源、大电压转换比的开关电源转换器、更大功率及更高效率的无线充电系统等电源芯片设计方向。未来希望进一步结合产业所需,开展前沿性的课题研究。同时,为产业界输送新鲜血液。

图2:当微电子遇上电力电子




2. 全集成稳压电源




随着片上系统(SoC)、Chiplet、3D堆叠系统对电流的需求持续越大,对电源瞬态响应速度的要求越来越高,全集成的稳压电源被广泛地应用于微处理器及模拟射频芯片当中。模拟负载对电源噪声有明确的需求,而数字负载对电源的瞬态响应速度有着非常高的要求。在很多应用场景,电源品质对负载的性能有着重大影响,为瓶颈之一。分布式、模块化、快速瞬态响应的全集成稳压电源将助力高性能处理器芯片,突破在处理器芯片上大面积大电流供电的瓶颈。

全集成稳压电源选型主要包括低压差稳压电源(Low-Dropout Regulator, LDO)、开关电容(Switched-Capacitor,SC)DC-DC、电感型(Inductor-Based)DC-DC。在片上集成一个降压式的DC-DC转换器可以大大减小输入电流,从而减小电源走线寄生电阻产生的损耗。同时,采用先进工艺集成的电源可以在负载端提供超快速的瞬态响应。全集成的SC DC-DC在近几年得到了广泛关注,因为电容(相对电感)在先进工艺下有更高能量密度的天然优势。

2013年我在欧洲访学期间来到梵蒂冈,登上圣彼得大教堂的圆顶,俯瞰整个圣彼得广场,惊叹于该广场宏伟的布局(见图3)。受圣彼得广场被上百根柱子环绕布局的启发,在罗马前往威尼斯的火车上,构思了一种超多时钟交错的开关电容DC-DC架构。

图3:我在圣彼得大教堂顶部拍摄的圣彼得广场全景


回到香港后,我按此思路设计了一款把负载完全包围在中间的有上百个交错相位的环形开关电容DC-DC。在[Y. Lu, ISSCC 2015]上首次提出了这种全新的开关电容DC-DC的布局方式。并且,利用多交错相位带来的伪连续性优势,突破性地把DC-DC的环路主极点放在输出端,从而在较低时钟频率(<30MHz)下,实现了非常快的瞬态响应(<3ns)。随后,这个工作的长文发表于集成电路顶尖期刊[Y. Lu, IEEE JSSC 2017]。并且,后续的深入分析也整理成另一篇长文发表于[Y. Lu, IEEE JESTPE 2018]


图4:环形布局的开关电容DC-DC,并且实现了远高于开关频率的增益带宽积


随后,香港科技大学的同事们在此工作路线上,将环形开关电容DC-DC电源布局的思路实践在AMLED微显示系统中,可均匀地低损耗地供给微显示芯片,提高像素成像的一致性[J. Jiang, TPEL 2020]




3. 模拟与数字混合控制的LDO




随着数字电路工作电压越降越低,模拟控制环路很难在低电压下提供足够的电压精度。数字控制常见于大功率的应用当中。近年来,数字控制在全集成的电源方案中也迅速兴起。但是,数字LDO有着两个根本的缺陷:模拟到数字介面的转换能效低,限制了功耗和速度的折中;输出电流受量化误差影响,数字控制位会在有限周期内震荡。近几年,我们在模拟LDO、数字LDO、和模拟与数字混合控制的LDO方向上,均做了大量的工作。

本人的模拟LDO论文[Y. Lu, ISSCC 2014]提出了一种基于折叠电压跟随器(Flipped Voltage Follower, FVF)架构的三环路LDO,将快速响应、宽频带电源噪声抑制、增强的输出电压调制能力等集于一身,并成功集成于25Gb/s的光通信接收系统中,提高了光通信接收端的信号敏感度。长文发表于IEEE电路与系统学会的旗舰期刊[Y. Lu, TCAS-I 2015],并被评选为IEEE电路与系统学会杰出青年作者(每年仅一篇论文获奖)。该工作得到了集成电路顶尖公司如英特尔、高通、三星等的广泛引用。

数字LDO非常适合在低电压下工作,并且功耗和速度的性能都会随着先进工艺变好,也可以很好地和数字负载进行沟通进行预操作。但是,如前所述,数字LDO的性能受到模拟-数字界面转换能效的影响,从本质上来说,能效是不如模拟LDO的。我们首次提出的模拟辅助(Analog-Assisted)数字LDO连续发表两篇ISSCC论文[M. Huang, ISSCC 2017][X. Ma, ISSCC 2018]。在第一个工作中,我们创新性地提出了一种模拟辅助的高通信号通道,在负载发生瞬态变化后,输出电压的快速变化会被耦合到已打开的功率开关管的栅极,从而迅速地提供响应电流,减小输出电压的波动。在第二个工作中,我们提出使用NMOS作为数字LDO的功率开关管,利用NMOS源跟随器的本征响应,大大减小了对时钟频率的要求,将静态功耗降到了1uA以下。同时,我们延用模拟辅助的思路,设计了一种基于与非门的模拟辅助通路,不光可以将输出电压耦合至NMOS的栅极,还有一定的放大效果,可以提供更大的瞬态响应电流。所以,我们的此项工作的品质因素(FoM)相比当时世界一流水平,得到了近两个数量级的提升。由此可见,数字LDO更适用于服务大面积大电流的高性能处理器,是一个极具潜力的研究方向,希望我们的技术能够应用于下一代国产微处理器芯片当中。


图5:我们首次提出的模拟辅助(Analog-Assisted)数字LDO


图6:基于NAND的模拟辅助(Analog-Assisted)NMOS数字LDO




4. 无线能量传输电路与系统




无线能量传输(Wireless Power Transfer, WPT)在生物医疗植入式设备、便携式电子设备、电动汽车等领域中有着广泛的应用前景。WPT可以很好地解决植入式设备(如心脏起搏器)的电池续航问题,不需要通过手术来更换电池。或对一些植入式设备(如人工耳蜗,人工视网膜)进行实时供电,从而避免安装电池进入人体。在消费电子领域,电源线接口为最后一个被无线技术代替的接口,而目前的无线充电方案还略显鸡肋。下一代无线充电技术需要显著提升空间自由度,实现真无线充电。

本人在香港科技大学攻读博士期间(2009-2013)以生物医疗植入式设备为切入点,研发了三款工作在13.56MHz频率近场(Near-Field)模式的无线能量接收端的有源整流器芯片。通过提出一种无需启动电路并对电源电压不敏感的偏置电流源,以及巧妙地实现了Full-Wave Rectifier和Voltage Doubler两种工作模式的转换,从而增加了输入电压的工作范围和无线传输的有效距离。重点解决了有源整流器中的反向电流、有源二极管单周期内多次误导通等问题。并首次提出了芯片上全集成功率管交叉耦合以提高整流器转换效率的问题分析。相应成果分别发表于[Y. Lu, VLSIC 2011], [Y. Lu, ISSCC 2013], [Y. Lu, TBCAS 2014]

我在澳门大学任职助理教授期间(2014-2020),基于之前电路级设计的积累,逐步向系统级设计发展。主持研发了几款工作在6.78MHz谐振模式的无线充电系统。我们在2015年构思,2016年流片验证,2017年在ISSCC上发表了全球首款全集成的双向无线充电(Bidirectional Wireless Charging)芯片[M. Huang, ISSCC 2017]。通过复用无线充电接收端的功率管、匹配电容、以及WPT的线圈,在不增加硬件成本的前提下,将一个无线充电接收器反向运作,变成一个无线充电发射器,实现了手机与手机的无线互充,或者是手机对智能手表的充电。同时,我们采用了最大电流模式,去除了功率通路中的DC-DC充电器,在1.6W的接收功率下,实现了58%的电池到电池的整体充电效率。该设计获得了ISSCC技术委员会和听众的一致好评,被评选为ISSCC 2017菅野卓雄远东最佳论文奖,为中国内地和港澳首次(目前也是唯一)获得该奖项。随后,该作品的期刊论文发表于[M. Huang, TPEL 2019]。值得一提的是,2018年华为推出的旗舰手机Mate 20 Pro上就首次用上了反向无线充电技术(Reverse Wireless Charging)。2019年三星旗舰手机Galaxy S10也配备了类似的双向无线充电技术(Wireless PowerShare)。可以预计,双向无线充电技术必然是未来手机的标配。


图7:应用于移动手持设备的全集成双向无线充电收发机


图8:双边交叉耦合的双向无线充电收发机大大提升了发射端效率


为了进一步提高双向充电的整体效率,我们发现工作在发射模式下的全差分Class-D功率放大器也可以通过交叉连接两个PMOS功率管的栅极到谐振的AC端,实现PMOS功率管的自驱动,从而完全消除了两个大号PMOS功率管的驱动损耗[F. Mao, ISSCC 2018]。此外,我们还采用了延迟控制环路来实现Class-D功率放大器工作模式下的过零电压开关和接收模式下整流器的过零电流开关。从而实现了端对端78%的整体效率,较上一个设计提高了近20%。随后,该工作的期刊论文发表在集成电路顶尖期刊[F. Mao, JSSC 2019]

With great power comes great responsibility.




《半导体学报》简介

《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物,1980年创刊,首任主编是王守武院士,黄昆先生撰写了创刊号首篇论文,2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors(简称JOS),同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是中科院副院长、国科大校长李树深院士。2019年,JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年,JOS被EI收录。


“半语-风华”栏目简介

科技的竞争本质上是人才的竞争,历次科技革新都是由闪耀在历史长河中的科技巨人创造的,正如牛顿力学、瓦特蒸汽机、西门子发电机、爱迪生电灯、德布罗意波、爱因斯坦光电效应、冯·诺依曼计算机、肖克莱集成电路、高琨光纤等等,而这些伟大的科技贡献往往都是在他们风华正茂的年轻时代创造的。半导体器件作为信息时代的钢铁,深刻改变着人类的生活形态,目前正遭遇到尺寸微缩、功耗墙、存储墙等发展瓶颈。当今世界正处高科技大争之世,呼唤年轻一代涌现出更多的科技英雄。《半导体学报》微信号开设“半语-风华”栏目,旨在宣传和激励我国半导体领域的青年科学家,“恰同学少年,风华正茂;书生意气,挥斥方遒。”(《毛泽东诗词·沁园春·长沙》),期望我们的半导体青年科学家们能够在风采动人和才华横溢的年纪,朝气蓬勃,奋发有为,创造出彪炳史册的半导体科技成果。


“半语-益言”系列讲座

借一言半语,聊“核芯”科技,“半语-益言”直播讲座2020年全28期回放链接:https://www.koushare.com/periodical/periodicallist?ptid=5

今年首播时间:2021年4月7日(周三)晚19:30-21:00


JOSarXiv预发布平台简介:

半导体科技发展迅猛,科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台,保障优秀科研成果首发权的认定,促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立,编辑部负责运行和管理,是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台,提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务

JOSarXiv于2020年1月1日正式上线(http://arxiv.jos.ac.cn/),通过《半导体学报》官网(http://www.jos.ac.cn/)亦可访问。敬请关注和投稿!





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