科研速递 | 理工学院刘寻教授团队在Journal of solid-state circuits (JSSC)上发表文章

近日，香港中文大学（深圳）理工学院刘寻助理教授在顶级期刊Journal of solid state circuits上发表题为“A 2.8 μs Response Time 95.1% Efficiency Hybrid Boost Converter With RHP Zero Elimination for Fast-Transient Applications”的文章。

01/ 期刊介绍

Journal of solid-state circuits (JSSC)是集成电路设计领域的顶级期刊，旨在发布领域内最新技术进展和纪录性成果，代表着当前学术界和工业界的最高技术水平。

02/ 研究背景

在现代移动电子设备中，锂电池的电压通常在2.7至4.2伏之间。然而，对于PA（功率放大器）、LED、LCD这类需超过5伏供电的应用，升压变换器（Boost Converter）成为不可或缺的关键组件。这些升压变换器需能够提供宽广的电压转换比，以应对从宽输入至宽输出的电压需求。随着负载端对于升压变换器响应速度的需求不断提高，传统升压变换器面临的挑战是其存在的右半平面零点导致瞬态响应较慢。因此，开发一种具有宽转换范围并能迅速响应的升压变换器显得尤为重要。

03/ 研究内容

本研究提出了一种创新的Boost变换器拓扑结构（参见图1）。该结构特别采用了飞电容C_F，在第一阶段（Φ1）与输出电容C_O并联充电，第二阶段（Φ2）中C_F和输入电压V_IN进行堆叠，从而在开关节点产生高于V_IN的电压，实现升压功能。理论上，这种变换器的电压转换比没有限制。与传统降压变换器工作模式类似，该变换器没有右半平面零点的问题，并且通过寄生电阻r_F引入了左半平面零点，有助于改善系统的稳定性。如图2所示，在控制技术上，设计了简洁的PWM电压控制器和Type-II补偿方式，使得开关频率约为2MHz时，系统带宽能够达到200-300KHz，同时在所需的电压转换比范围内保持高效率。研究还详细介绍了驱动电路和启动电路的技术细节，进一步优化了整体性能。

图1

图2

04/ 研究结论

本次研究中的芯片采用180纳米CMOS工艺制造，芯片照片如图3所示。通过这项工作，我们实现了高达95.1%的峰值效率，显示出优异的能效表现。此外，该升压变换器在瞬态响应上表现卓越，恢复时间仅为2-3微秒（参见图4），明显快于现有文献中报道的其他升压变换器。此变换器支持2.7至4.2伏的输入电压和5至6伏的输出电压，电压转换比在1.2至2.2之间，最大输出功率达到4.8瓦，展示了其在不同工作条件下的广泛适用性和高性能。

图3

图4

文章地址：

https://ieeexplore.ieee.org/document/10480401

DOI：10.1109/JSSC.2024.3376251

05/ 作者简介

本文通讯作者为香港中文大学（深圳）理工学院助理教授刘寻。

刘寻教授分别于2011年和2017年在浙江大学和香港科技大学获得本科和博士学位。在集成电路设计领域期刊和会议上共表论文25篇，包括4篇ISSCC（芯片设计顶会）和3篇JSSC（芯片设计顶刊）。以第一/通讯作者发表顶级论文13篇，包括IEEE J. Solid-State Circuits（JSSC）3篇、ISSCC 3篇、IEEE Trans. Power Electron.（T-PEL，功率电子顶刊）2篇。自2021年起，担任集成电路设计顶会ISSCC技术委员会委员、ISSCC 2022-2024分组报告主席、功率集成电路旗舰会议PwrSoC技术委员会委员。2024年指导学生获得ISSCC会议Silkroad Award奖（远东地区优秀论文）。2020年获美国高通公司专利奖；2017年于ASP-DAC获颁University LSI Design Contest Special Feature Award（唯二篇）。

本文第一作者为香港中文大学（深圳）博士生阮珺逸。

阮珺逸，2021年本科毕业于电子科技大学（UESTC），获得集成电路设计与集成系统工学学士学位；现于香港中文大学（深圳）刘寻教授课题组读博士，研究方向为混合型变换器设计，电源管理系统等。

供稿 | 刘寻教授团队

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