2025-09-02 | 科研部南科大姜俊敏团队在功率集成电路设计领域取得系列进展

近日，南方科技大学电子与电气工程系副教授姜俊敏团队在高密度直流电压变换器芯片方面取得系列研究进展，相关成果分别发表在IEEE Transactions on Power Electronics (TPEL)、IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers (TCAS-I)、2025 IEEE Custom Integrated Circuits Conference(CICC）。

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赋能MicroLED的高效率、快速动态响应的负压直流降压变换器

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图1.负压降压变换器的应用示意图

该研究成果成功应用于MicroLED等先进显示屏幕供电场景，以“Design and Analysis of a Hybrid Inverting Buck Converter with 5μs Response Time and 92.9%Efficiency for Micro-LED Displays”为题发表在集成电路设计领域顶级期刊IEEE Transactions on Power Electronics(TPEL)。

如图1所示，随着显示屏幕像素分辨率的提升，单像素尺寸由大于1mm缩小为数十μm，发光二极管（LED）的开启电压也由大于10V显著下降至4 V以内。为采用低压驱动器件以保证显示屏的刷新速度，显示屏的供电电压需要尽可能低，因此LED的开启电压由负压电源提供。传统的负压电源变换器大多面向更高压降的OLED，多为负压升降压（IBB）或负压升压变换器，由于拓扑的限制难以获得快速的动态响应，且电压变换比较大，严重限制了在先进MicroLED显示中的应用。

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图2.课题组提出的混合型负压降压（HIB）转换器拓扑

针对这一技术瓶颈，研究团队提出混合型负压降压（HIB）转换器，创新性地将−1×开关电容（SC）与降压转换器集成，如图2所示，仅需三个功率开关、一个飞跨电容和一个电感，该拓扑实现了3至4V输入电压下，-1至-2 V的可调负输出电压。与传统的反相降压-升压(IBB)和Cuk转换器相比，该设计具有三个优势：1.体积更小，功率级拓扑仅需两个片外器件；2.输出电流连续，能够实现远超传统方案的负载动态响应；3.拓扑不存在右半平面零点，极大简化了环路补偿的设计。

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图3.(a)芯片与(b)测试和PCB照片

图3展示了HIB芯片的照片，该芯片实现了在3至4V的输入电压下，输出-1至-2 V的输出电压，最高2.2 A的输出电流，92.9%的峰值效率，高达295mW/mm³的体积功率密度，以及低至5μs的动态响应时间。

南方科技大学电子与电气工程系2025届毕业生颜兴发和刘刚为共同第一作者，南方科技大学为论文第一单位，姜俊敏副教授、胡琛研究助理教授和香港中文大学刘寻助理教授为共同通讯作者。

创新提出单级四相位混合升压转换器架构

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图4.光伏板直接驱动激光传感器的应用示意图

该研究聚焦于激光雷达驱动，相关成果以“A Single-Stage Four-Phase Hybrid Boost Converter With 11-to-20 VCRs for LiDAR Driver Applications”为题发表在IEEE Transactions on Circuits and Systems I:Regular Papers(TCAS-I)。

随着物联网(IoT)设备的广泛应用，高效电源管理系统成为延长设备寿命、降低维护成本的关键所在。以光伏板驱动的激光传感器为例，传统解决方案采用两级升压转换器架构，系统效率通常低于70%，且体积大、成本高的缺陷明显。为了实现单级升压以提升系统效率，近年来，学界对高升压比的单级升压变换器拓扑开展了一系列研究，然而现有研究大多基于两相位的工作模式，升压变换比受到严重限制，通常需要超过5个飞跨电容以获得10-20倍的升压比，难以满足实际需求。

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图5.变换器工作模式与电压电流波形示意图

为了提高升压变换器拓扑的功率密度，研究团队创新性地提出了一种单级四相位混合升压转换器架构，仅需三个飞跨电容和一个电感，即可实现11-20倍的电压转换比(VCR)，成功将1.2-1.8V的光伏电压提升至LiDAR所需的20-24V工作电压。图5展示了研究团队所提出的变换器拓扑的工作模式，三个电容在四个相位之间切换，从而实现十倍的升压比，这也是三个电容所能实现的最大升压比；同时，通过引入开关电感，实现可调输出电压并降低开关电容的充放电损耗。相比于传统的Boost型升压变换器，该拓扑可以降低约55%的平均电感电流和52%的电感电流纹波，极大降低了对电感体积的需求。

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图6.芯片与PCB照片

该芯片采用0.18μm工艺制造，芯片面积仅2.23mm²，在1.2-1.8V输入电压下实现了20至24V的输出电压，升压比达到11-20，并获得76.7%的峰值效率和12mW/mm³的功率密度，在同类产品中表现突出。

南方科技大学电子与电气工程系研究助理教授胡琛为论文第一作者，南方科技大学为论文第一单位，姜俊敏为通讯作者。

提出宽输出范围的SC Sigma变换器架构和芯片设计

研究团队在高压高速度无电感升压芯片的设计方面取得重要突破，相关成果以“A 6.87W 3.7-5V Input 12.6-24V Output Switched-Capacitor Sigma Converter with Multiple Voltage Domains”为题发表在集成电路顶会2025 IEEE Custom Integrated Circuits Conference(CICC)。

高速度和高密度的直流升压变换器在显示和传感等领域具有广泛的应用。然而，传统的Boost变换器中的功率电感限制了系统的功率密度和响应速度。研究团队在2024年集成电路的旗舰会议上提出了Sigma型开关电容（SC）升压变换器，在功率密度和输出响应上取得了突破，然而由于固定输出电压，其应用范围受到较大限制。

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图7.宽输出电压范围的SC Sigma变换器

为了解决固定变比的开关电容输出范围较窄这一关键问题，本研究提出了宽输出范围的SC Sigma变换器架构和芯片设计。芯片架构如图7所示，由输出电压高压侧的可重构开关电容和低压侧的高带宽LDO叠加得到。开关电容的输出电压可以在3×/4×输入电压之间切换，LDO的输入电压又可以在1×/0.5×之间切换，因此该架构相比于ISSCC2024中采用的固定变比的开关电容变换器，输出电压的范围拓宽10倍以上。同时，低压侧的LDO可以提供快速和高精度的输出电压稳压能力，兼顾宽范围与高性能。

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