随着5G、人工智能及物联网等技术的蓬勃发展和半导体工艺尺寸的不断缩小,终端设备处理器和服务器的数据处理能力及其他性能快速提升,这对电源管理芯片提出了新的需求。而多相并联结构变换器在低压大电流应用、快速瞬态响应等方面具有极大的优势,被公认为处理器电源的最佳解决方案之一。文章从多相Buck变换器的原理及优势出发,研究和探讨了多相Buck变换器设计中的多相电流均衡方法、控制模式及效率提升等关键技术的发展和最新的研究进展,进而明确多相Buck变换器的关键发展趋势和面临的挑战。

随着物联网技术(IoT)的发展,越来越多的IoT传感器被应用于环境检测、物流管理、生产制造和医疗保健等领域。IoT传感器的使用年限取决于内部电池的使用时间,而内部电池是不可拆卸的,因此一旦电池损坏或者电量耗尽,则需要更换新IoT传感器,这大大提高了成本。能量收集技术的发展为解决该难题提供了新方向,该技术将环境中的微弱能量收集起来,通过相关技术转换成电能,为IoT传感器供电,摆脱了其对电池的依赖。文章综述了能量收集系统的关键技术,比较了不同电路结构的优缺点,并且总结了最大功率追踪技术(MPPT),表明MPPT技术从一维MPPT技术发展到三维MPPT技术,现在已有更多的辅助技术来提高MPPT电路的跟踪精度。为了实现更广泛的应用,多输入多输出的转换器已然成为研究重点,文章综述了多能量源输入多输出电压的转换器结构,静态功耗和动态范围等性能指标成为关注的重点。

基于正激变换器结构,设计了一种实时自适应前沿消隐电路。通过振荡时间消隐和振荡幅度消隐,对最优消隐时间进行追踪,实现实时自适应的前沿消隐,在保证消隐可靠性的基础上降低了系统体积与成本,并确保不限制电路高频化发展。设计的前沿消隐电路能获得消除尖峰振荡的输出电流信息,保证系统能对输出负载变化做出快速响应。基于0.18 μm BCD工艺,对电路进行设计。仿真结果表明,该电路在没有其它额外限流功能条件下,启动过冲电压只有50 mV,负载切换时的下掉电压与过冲电压分别为519 mV和578 mV。

设计了一种适用于GaN栅驱动的高速、高共模瞬态抗扰度的电平位移电路。电路受PWM信号和短脉冲协同控制,利用短脉冲控制的加速电路提升了电平转换速度。在浮动电源轨高速切换和减幅振荡过程中,电路内部对地寄生电容的充放电会导致输出逻辑错误。针对此问题,采用一种高速、低功耗的交叉控制式噪声屏蔽电路,实现了极高的共模瞬态抗扰度。采用0.35 μm高压CMOS工艺进行电路设计。仿真结果表明,在100 V电平转换情况下,该电平位移电路的平均传输延时为1.58 ns,延时失配小于100 ps,共模瞬态抗扰度达到200 V/ns。

设计了一种适用于GaN半桥栅驱动的高噪声抗扰度的电容式电平位移电路。在浮动电源轨发生dV/dt切换和减幅振荡时,采用去耦开关完全消除了影响输出状态的共模噪声,采用动态开关减小了电路失配引起的差模噪声。利用电容耦合技术实现了高负压容忍度、亚纳秒级延时和低功耗。采用0.18 μm高压BCD工艺进行电路设计。仿真结果表明,在50 V电平转换下,该电平位移电路的共模瞬态抗扰度达到200 V/ns,200 V/ns转换速率下的失配容忍度达到30%,负压容忍度达到-5 V,平均传输延时为0.56 ns。

针对传统片外电容型LDO噪声较差的问题,基于180 nm BCD工艺,设计了一款具有折返电流限保护功能的低噪声LDO电路。基准与误差放大器间插入一阶RC低通滤波器,可滤除基准输出高频噪声,并取消传统LDO电路中的反馈电阻,从而降低噪声。通过折返电流限保护电路实现限流和折返功能。合理设置短路电流,有效避免LDO在启动或恢复过程中进入锁定状态。仿真结果表明,LDO在输入电压为4~5 V时可稳定输出2 V电压,最大带载电流为70 mA,过流限为120 mA。典型情况下的噪声功率谱在1 kHz处为12.7 nV/Hz,RMS噪声为3.6 μV。

设计了一种应用于有源箝位正激变换器拓扑的线缆压降补偿电路。在适当时刻对电路CS引脚进行采样,得到负载电流信息,再根据该信息自适应调整误差放大器的基准电压,有效降低了负载调整率,提高了输出电压精度。该电路基于0.18 μm 40 V BCD工艺设计。仿真结果表明,在3~30 A负载电流范围内,未经线缆补偿时,有源箝位正激变换器的整体负载调整率为9.8 mV/A;引入线缆补偿后,整体负载调整率降低为0.096 mV/A,仅为未经线缆补偿前的0.98%。

介绍了一种适用于多相交错开关电容功率转换器的静态模型。分析了电容与电容之间的电荷传递行为,将开关电容功率转换器中的电荷再分配损耗和开关导通损耗等价地描述为电荷传递子过程的电压损失。该模型可以简便、准确地描述任意开关频率下开关电容功率转换器的等效输出电阻。同时,运用了一种新的“比例电流近似”方法,建立了带电流负载时的电荷传递模型,用以描述和分析负载和输出去耦电容对电容功率转换器静态特性的影响。相比于传统模型,提出的模型在中等开关频率下能准确地描述开关电容功率转换器的静态特性,同时能准确地描述多相交错控制中开关电容功率转换器的输出电压纹波。

设计了一种适用于GaN栅极驱动的自适应死区时间控制电路,该电路具有低延时、低功耗、高速、高开关频率的特点。电路通过单脉冲产生电路检测开关节点电压,以实现零静态功耗;加入互锁电路以防误触发,消除了由开关节点毛刺导致的上下管直通的现象。电路基于SMIC 0.18 μm BCD工艺设计,仿真结果表明,死区时间可随负载变化而自适应调整,且当最坏情况开关节点电压的dv/dt=48 V/ns时,电路高低侧死区时间误差仅为1.59 ns和2.69 ns。

设计了一种适用于峰值电流模式Boost电路的自适应斜坡补偿电路。电路通过动态检测Boost电路的输入输出电压,产生随Boost电路开关控制信号占空比变化的斜坡电压,实现补偿斜坡斜率的最优化。由于本设计采用了高精度减法器,斜坡补偿精度得到提高,在消除次谐波振荡、提升Boost电路稳定性的同时,将补偿对Boost电路的负面影响最小化,保证了Boost电路的带载能力和动态响应速度。采用SMIC 0.18 μm CMOS工艺完成电路设计和版图绘制,并进行了后仿验证,结果显示,工作电压为3.3 V时,在不同工作条件下,随着开关占空比的变化,补偿斜率可以实现自适应调整,与理论最佳补偿斜率的误差范围仅为1.39%~2.33%。

设计了一种适用于环境振动能量俘获系统的高效率电源管理电路。电路采用了最大功率点跟踪(MPPT)技术,以解决环境振动能量不稳定和经换能器换能后的输出功率负载依赖性强的问题。针对MPPT工作过程中电压调整阶段功率损耗过大的问题,提出了高频开关控制的类Buck结构拓扑,以减小电压调整阶段的开关损耗,进一步提高了系统效率,并可实现预稳压,为后级电源管理电路减轻负担。电路采用0.18 μm CMOS工艺设计,仿真结果表明,随着振动环境及负载的变化,最大功率点跟踪效率始终维持在98.55%~99.45%,系统效率提高至94.2%。

提高功率放大器效率主要有三种方案：Doherty技术、包络线消除与恢复技术和包络跟踪技术。其中,包络跟踪技术在性能和可实现性方面具有显著优势。为了降低包络跟踪技术的电能损耗,以进一步提高包络跟踪系统性能,文章设计了一种混合型包络跟踪电源电路。测试实验表明,该电源电路的效率达到60%、平均输出功率为1 W,可以在不同频率的输入下,保持稳定的传输效率和良好的输出波形线性度,适用于高效率功率放大器应用。

对一种车用恒流/恒压模式的四开关Buck-Boost变换器的控制策略进行了研究。在输入输出电压接近时引入Buck-Boost模式,从而在不同输入输出电压大小关系下,通过检测功率管占空比大小,实现Buck模式、Boost模式和Buck-Boost模式之间的平滑切换,提高了系统的稳定性。通过设计最大值选择电路,使变换器在充电应用中自动从恒流模式切换到恒压模式,模式切换平滑稳定。仿真结果表明,在24 V输出电压下,变换器从Buck模式切换到Buck-Boost模式时,输出电压下冲为9.2 mV,变换器从Boost模式切换到Buck-Boost模式时,输出电压下冲为92 mV。变换器在Buck模式与Boost模式下均能实现恒流/恒压模式的自动平滑切换。

提出了一种基于开关电流积分器的RB-COT Buck变换器。通过注入电感电流纹波补偿控制环路,引入采样保持电路消除电感电流纹波的直流分量,提高了输出电压的精度。在此基础上,开关电流积分器替代原架构中的固定RC滤波器,有效提升了高工作频率下系统的响应速度,并在全频率范围内兼顾稳定性与响应速度。以全频率范围内环路稳定性作为设计基本准则,该Buck变换器在高开关频率下响应速度得到了有效提升。在1 MHz开关频率下,负载阶跃的恢复时间相比于采用固定RC滤波减少了20 μs。

提出了一种应用于48 V-1 V系统的隔离型混合模式降压变换器,利用飞电容和变压器实现高转换比应用下的高转换效率。混合变换器结合了开关电容变换器和开关电感变换器,其中飞电容承担了部分电压降,实现了功率开关管电压应力的降低。由于开关节点处的电压摆幅较小,开关损耗随之减小;通过使用更低压的功率开关管,实现功率开关管导通损耗减小。在此基础上,隔离型混合模式降压变换器通过时序控制可以实现软开关,进而实现功率开关管开关损耗减小,使得整体效率提升。在隔离型混合模式降压变换器中,飞电容还具有隔直电容的作用,可以防止变压器偏磁。在典型应用下,即在48 V输入电压、1 V输出电压、500 kHz开关频率下,峰值效率为94.84%。

提出了一种自适应时间常数匹配Gm-C电感电流采样方法。该方法通过比较Buck变换器SW点电压的过零时间与Gm-C滤波采样电压的过零时间,判断Gm-C时间常数是否与DCR时间常数匹配。使用鉴频鉴相器检测二者过零时间差,并控制双向计数器,实现对电容阵列等效容值的调制,最终实现自适应时间常数匹配Gm-C电感电流采样。与前序工作相比,该校准过程平滑,并且可以在DC-DC变换器正常工作情况下进行在线调制,能有效适应DC-DC变换器工作中温度、电压、电流等外部条件的变化。

设计了一种带自适应斜坡补偿的峰值电流模式(PCM)控制Boost变换器。采用一种低功耗自适应斜坡补偿电路,使得升压(Boost)变换器能够实现宽输出范围和高带载能力。在此基础上,提出了一种应用于Boost变换器的电感电流采样电路,该电路实现了高采样速度和高采样精度,且具备全周期的电感电流采样特点。变换器基于SMIC 180 nm BCD CMOS工艺设计。仿真结果表明,该带自适应斜坡补偿的PCM控制Boost变换器输入电压转换范围为2.8 V~5.5 V,输出电压转换范围为4.96 V~36.1 V,最大输出负载电流高达5 A。

采用高压0.6 μm CMOS工艺,设计了一种可以同时对压电、光电进行高效收集的多源能量收集电源管理芯片。该收集芯片由光电接口电路、压电接口电路和DC-DC电路等单元构成。光电接口电路中采用全局最大功率追踪电路,减少了阴影对太阳能板收集光能的影响,提高了最大功率追踪效率。DC-DC电路中,采用导通时间可调、频率可调的控制模式,在更宽的输入功率范围内实现更高效率的同时保持输出端较小的电压纹波。仿真结果表明,该收集芯片的整体平均动态电流为7.6 μA,能量转换效率最高为91.2%。版图尺寸为9 623 μm×3 655 μm。

提出了一种基于电流比较的无基准电压型Cap-less LDO。将输出电压转换为电流后与参考电流比较,无需独立的基准电压模块,可降低功耗。在环路中插入了一个带有源反馈补偿网络的误差放大器,可增加环路增益，从而提升精度,在减少片上补偿电容的同时维持宽负载范围内的环路稳定性。该LDO采用65 nm标准CMOS工艺仿真验证,仿真结果显示,当负载电容为100 pF时,静态电流为9.4 μA,片上补偿电容仅需0.25 pF,当输出负载在100 μA和50 mA之间处切换时,恢复时间小于1 μs,带有源反馈LDO的上冲和下冲分别为94 mV和21 mV,和不带有源反馈的LDO相比，上冲和下冲分别减少了28%和79%。

设计了一种基于28 nm CMOS工艺的低噪声高电源抑制LDO电路。采用折叠共源共栅结构设计了高输出阻抗、高增益误差的放大器,降低了电源噪声对输出端的影响。采用共源共栅密勒补偿结构,保证电路在负载处于轻载/重载下保持较高的相位裕度,增强了环路稳定性。误差放大器输入端采用降噪模块电路,降低了噪声对整体LDO电路的影响。基于Cadence Spectre进行仿真分析的结果表明,在1.9 V电源电压下,负载由轻载10 mA突变为重载60 mA时,环路增益为77.6~91 dB,相位裕度达到76°~79°。在中间负载电流30 mA下,对电源抑制(PSR)和噪声进行了仿真。结果表明,电源抑制为-81.9 dB,低频噪声(1 kHz)为258 nV·Hz-1/2。对LDO整体电路进行了版图设计和后仿比对。结果表明,环路增益为83.2 dB,相位裕度为78°,PSR为-78.3 dB,低频噪声(1 kHz)为283 nV·Hz-1/2。

针对某电源模块产品中的SOD-323型双端器件在环境试验中出现焊点开裂的失效问题，对其焊点开裂机理进行研究。结合三防漆的温度特性，对其进行仿真和多种条件下的应力试验摸底。根据试验结果，提出了针对SOD-323型双端器件焊点开裂的应用解决方案。

变压器、电感等磁性器件性能显著影响电源参数指标。针对E型变压器磁芯气隙制作一致性差、效率低的问题,建立了不同点胶方案的有限元分析模型,进行了高黏度环氧绝缘胶非牛顿流体的剪切力机理分析。结果表明,通过减小胶点尺寸、改变胶点形态及分布的方法,可以提高磁芯器件的一致性和加工效率。采用全自动点胶工艺精确控制胶点半径和中心距,制作出了满足电感量要求的变压器,提升了加工效率,验证了仿真和机理分析的正确性。获得了一种高精度、高效的环面点胶和磁性器件制作工艺方法。

环境动能收集器的工作频带窄,导致其难以与频率随机变化的环境激励相匹配而制约其实用化。基于频率自调节技术的频率匹配方法具有频率匹配范围宽、精度高、无需人工干预等优点,是解决该问题的有效技术方案之一。根据近年来国内外该类技术研究进展,首先从频率自调节原理、实现方法和具体实现等方面对振动激励和转动激励下的频率自调节技术进行了总结;然后介绍了基于频率自调节技术与非线性技术结合的频率匹配方法的研究进展。最后,对比分析了不同频率自调节方法的优缺点,总结归纳了频率自调节技术的发展方向。

室温下石墨烯具有较大的分子吸附比表面积、低噪声、高载流子迁移率等优异电学性能,是一种性能极佳的传感材料。与传统无机氧化物气体传感器相比,石墨烯气体传感器具有工作温度低、能耗小、恢复性高的优点。文章对两种石墨烯气体传感器的研究进展进行了综述。首先根据气体选择性不同,研究了NO2和NH3两种石墨烯气体传感器。然后对它们的灵敏度、气体响应灵敏度、响应时间等特性进行了分析对比。该项分析研究工作对气体传感器的实际应用与推广具有一定参考价值。

采用0.13 μm SiGe BiCMOS工艺,设计并实现了一种应用于高速光通信的全集成注入锁定四倍频器芯片。该设计包括单端转差分放大器、注入锁定二倍频器(ILFD)以及分频器(Divider-by-2)。测试结果表明,该四倍频器的输出锁定范围达到了48~68 GHz,输出锁定在65 GHz时的谐波抑制比为36 dBc。芯片核心面积为0.36 mm2,在3.3 V供电电压下,核心功耗为247 mW。该设计可以满足下一代超高速光电互联芯片对高速时钟的应用需求。

采用0.13 μm SiGe BiCMOS工艺,设计了一种分段式马赫-曾德尔调制器(MZM)高速驱动电路。驱动电路输入级中,采用容性负反馈来提高带宽,采用共模反馈来稳定共模输出电平,并通过共模反馈实现了可变增益。输出级中,采用负密勒电容、T-coil和电感峰化技术来提高带宽。输出级之间的延迟时间由微带线产生,提出了一种微带线的设计方法。仿真结果表明,驱动电路的最高工作速率可达50 Gbit/s,输出VPP可达3 V,相邻输出级之间的延迟时间为4.9 ps。该驱动电路能较好地适用于分段式MZM。

提出了一种采用双调零电阻嵌套密勒补偿的方法,设计了一种具有高增益前馈跨导级的大电容驱动放大器。该放大器在无需严格无源补偿元件匹配要求的情况下,获得了高增益带宽积和大相角裕度,从而增强了设计系统对工艺、电压、温度变化的抗干扰性。该放大器结构简单,可应用于具有轨对轨输入和输出的放大器。给出了一个基于0.35 μm CMOS工艺的三级轨-轨AB类放大器的设计实例,测试了放大器的性能。结果表明,在200 kΩ电阻负载与600 pF容性负载并联的条件下,增益带宽积为4.4 MHz,相角裕度为85°,功耗为3.6 mW,总谐波失真THD为0.25％。该放大器适用于高输出驱动器件。

采用0.18 μm CMOS工艺设计和实现了一种适用于100 Gbit/s以太网PCS链路的高速异步FIFO 芯片。采用双端口8T结构替代存储器,提高了工作速率。灵敏放大器利用锁存放大器和预充电技术来放大位线上微小信号,减少了传播延迟。为了减小读写时间,研究了存储单元晶体管尺寸对电平翻转时间的影响,既满足了快速访问的要求,又获得了高可靠性的信号传输。芯片(包括焊盘)面积为1.43 mm2。测量结果表明,该FIFO可工作于1.05 GHz,输出信号的眼图清晰,水平张开度达到0.91UI。当电源电压为1.8 V时,电路功耗为143.3 mW。该FIFO适用于16×6.25 Gbit/s以太网PCS链路系统。

提出了一种具有谐波抑制特性的小型化分支线耦合器。通过分析枝节加载传输线的传输特性,发现可以采用小型化的枝节加载传输线去等效替换传统分支线耦合器中的四分之一波长传输线，此方法可以极大地减小分支线耦合器的电路尺寸。同时,由于枝节引入传输零点,耦合器的谐波响应也得到抑制。为了验证理论分析的有效性,建立了等效电路模型和传输线方程,对电路性能进行分析,最后进行了仿真以及实验验证。

为了提高车间监控系统智能化程度和工作场景中行人检测精度,提出了一种基于计算机视觉技术的行人检测方法。采用基于高级语义信息的无锚框特征检测技术,将检测任务简化为中心点和尺度的回归预测。特征提取模块通过四阶段降采样卷积网络,得到多尺度的图像特征并融合。头探测模块分成两路卷积,并行处理特征图,获得中心点热力图和尺度信息,输出检测结果。结果表明,在CityPersons数据集R子集上,MR-2达到11.61%,加入偏移量预测分支后MR-2提升了0.6%。这证明了该人员检测方法的性能优良。

研究了混合模式应力损伤对SiGe HBT器件直流电性能的影响,对比了混合模式损伤前后器件1/f噪声特性的变化。结果表明,在SiGe HBT器件中,混合模式损伤在Si/SiO2界面产生界面态缺陷Pb,导致小注入下基极电流增加;H原子对多晶硅晶界悬挂键的钝化作用引起中等注入区基极电流减小,导致电流增益增强。混合模式损伤缺陷位于硅禁带宽度内本征费米能级附近,虽然使基区SRH复合电流增加,却不会改变器件的低频噪声特性。

传统矩形悬臂梁上的应力呈非均匀分布,在梁固定端存在一个应力集中区,且沿轴向方向衰减,从而影响压电层的极化效果。同时,矩形悬臂梁结构能量收集器的谐振频率较高。为解决这一问题,文章提出了一种“倒”梯形结构的能量收集器结构。该梯形结构可以有效扩展极化区域,从而捕获到更低频的振动能量。实验发现,在1g振动加速度下,该能量收集器在124 Hz下输出电压为404 mV,输出功率达到41.3 μW。

当集成电路工艺进步到鳍式场效应晶体管(FinFET)技术节点时,二极管仍广泛用于输入/输出端口(I/O)的静电放电(ESD)防护工程,但二极管单位宽度鲁棒性比平面工艺有所降低。文章基于14 nm FinFET工艺,对栅隔离型二极管的失效电流(It2)、失效电压(Vt2)、单位宽度失效电流(It2/Width)以及单位面积失效电流(It2/Area)进行了详细研究,并给出了ESD器件特性随尺寸参数的变化趋势。实测数据表明,It2/Width随着Fin数目(nfin)、沿Fin方向的倍乘因子(Fn)、垂直于Fin方向的倍乘因子(Yarray)等的增加均会有所降低,但It2/Area却有所提高,且开启电阻几乎不受nfin和Fn的影响。