1 工作简介

         ——具有超快动态响应的升压变换器芯片

在激光雷达和机器人关节驱动器等应用中，为了提高传感系统的响应速度，通常需要升压变换器从电池电压（2.7-4.2 V）产生12-36 V电源，同时具有快速瞬态响应能力。传统Boost升压变换器在实现高转换比时，开关导通时间过短，导致高频工作下可靠性问题。电感与功率管承受高压应力，增加导通损耗和发热。Boost内生的低频右半平面零点（RHPZ）从根本上限制了带宽和瞬态性能，恢复时间通常在百微秒级。现有开关电容加电感的混合架构采用电感后置或电感前置的方案，能够分别实现连续输出电流、高升压比和较优的瞬态性能，但难以兼顾。

针对以上问题，南方科技大学和清华大学的研究团队提出一种中置电感的具有连续输入和输出电流（CICO）的升压变换器架构。该架构采用功率电感隔离高压和低压侧的开关电容（SC），降低了功率管和飞电容的电压应力，保证系统的高效率和高功率密度。电感左侧的低压变换器采用半开环的SC，具有连续的输入电流，提供电感左侧的跳变电平。电感右侧的高压变换器采用全开环的两相交错SC，提供连续的输出电流以确保低输出纹波，并保持电感右侧节点电压接近直流。该升压变换器无右半平面零点，具有类似传统Buck变换器的传递函数，从根本上克服了传统Boost的带宽限制，具有快速瞬态能力。

图1. 前置电感和后置电感拓扑（上），以及提出的电感中置连续输入输出CICO升压变换器的架构（中）、拓扑（左下）和瞬态响应示意图（右下）。

CICO变换器采用简单的电压型控制器和III型补偿即可实现较高带宽和良好的稳定性（图2）。同时，引入电压校准环路进一步降低电压纹波和硬充电损耗，提高效率。芯片在标准180 nm工艺下流片（图3），稳态测试结果（图4）显示，CICO变换器在宽范围的转换比下均工作正常。电压校准环路使电感右侧节点电压纹波降低近50%。

图2. CICO升压变换器的具体实现以及电压校准模块对效率的对比（右下）。

图3. 芯片和PCB实物照片，以及功率器件选型表。

图4. 稳态波形测试结果。

瞬态测试显示，在50 mA至300 mA输出电流跳变、边沿时间50 ns条件下，输出电压恢复时间分别仅为1.4 μs和0.6 μs，同时平均电压变化仅为1.7%（图5）。这一瞬态性能在高转换比升压变换器中最优，瞬态响应时间相较同类工作提升20倍以上（图6）。CICO变换器可实现最高36 V输出的同时最大300 mA负载电流，输出功率高达10.8 W，峰值效率为93%，综合效率为今年同类工作最优（图5右下）。

图5. 瞬态响应（上）和效率测试结果（左下），以及性能对照图（右下）。

该研究通过拓扑架构和电路设计创新，提出了新的升压变换器设计理论，成功克服了传统升压变换器的速度限制，相比于近年来学术界和工业界的类似芯片（图6），本工作在最大输出功率、功率密度、效率和瞬态响应速度均取得了突破。为高密度、高速度、高效率激光雷达和机器人驱动电源系统的研发提供了设计思路和原型参考。

图6. 性能对照表格。

相关研究成果以题为“A 93%-Peak-Efficiency Battery-Input 12-36V-Output Inductor-in-the-Middle Hybrid Boost Converter with Continuous Input and Output Currents and Fast Transient with No RHP Zero”发表在集成电路设计领域顶尖会议2025 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)。南方科技大学姜俊敏副教授、清华大学路延教授为通讯作者。

2 主要作者简介

通讯作者

姜俊敏，南方科技大学副教授。

2011年获浙江大学电子信息工程学士学位，2017年获香港科技大学电子及计算机工程博士学位。2018-2021年就职于美国德州仪器公司硅谷基尔比实验室，2021年加入南方科技大学电子系。主要研究方向包括模拟与功率集成电路设计。在集成电路设计领域顶尖期刊和会议上共发表学术论文50余篇，包括8篇ISSCC、8篇JSSC，拥有专利40余项，包括美国专利8项，与重点企业开展技术合作。2015年获ADI公司杰出学生设计师奖，2017年获IEEE固态电路学会博士生成果奖，2023年获深圳市产业发展与创新人才奖，2024年获南方科技大学优秀教学奖等。曾任TCAS2副编辑和客座编辑，现任IEEE CAS Shenzhen分部主席、CICC技术委员会委员等。

通讯作者

路延，清华大学长聘教授，兴华讲席教授，博士生导师。

2006和2009年获华南理工大学微电子学士和硕士学位，2013年博士毕业于香港科技大学电子与计算机工程系。2014至2024年就职于澳门大学微电子国家重点实验室；2024年7月1日加入清华大学电子工程系。主要研究方向包括功率转换器设计、电源管理芯片设计、无线能量传输电路与系统等。发表学术论文200余篇，学术专著三本，其中IC设计领域顶尖论文ISSCC+JSSC共60余篇。曾获IEEE固态电路协会博士生成果奖2013-14届（本人）及2024-25届（指导学生）、IEEE电路与系统协会2017杰出青年作者奖、ISSCC 2017菅野卓雄远东最佳论文奖。曾任JSSC、TCAS-I和TCAS-II客座编辑；ISSCC技术委员会成员、CICC电源分会主席、IEEE SSCS杰出讲师。现任IEEE CASS杰出讲师、IEEE JEDS副编辑和《半导体学报（英文）》副主编。

3 原文传递

https://ieeexplore.ieee.org/document/10904669