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中國科大四項芯片設(shè)計成果亮相ISSCC 2025
近日，中國科大國家示范性微電子學(xué)院程林教授課題組設(shè)計的四款電源管理芯片亮相于集成電路設(shè)計領(lǐng)域著名會議IEEE International Solid-State Circuits Conference(ISSCC)。ISSCC是世界學(xué)術(shù)界和工業(yè)界公認的集成電路設(shè)計領(lǐng)域最高級別會議，被認為是集成電路設(shè)計領(lǐng)域的“芯片奧林匹克大會”。ISSCC 2025于2月16日至20日在美國舊金山舉行。
該課題組的潘東方特任研究員以及靳吉、尚銘?zhàn)┖忘S琪奧三位同學(xué)分別為入選論文的第一作者，程林教授為通訊作者，工作方向涵蓋了低EMI多核架構(gòu)隔離電源芯片、高效率單模式降壓-升壓轉(zhuǎn)換器芯片、低紋波快速電壓縮放的5G電源調(diào)制器芯片和高效率雙諧振拓撲隔離電源芯片。作為大會技術(shù)委員會委員，程林教授還擔(dān)任了“Isolated Power and Gate Drivers”技術(shù)專題的主席，并且參加了電源管理分委會會議和遠東區(qū)委員會會議。
2月18日上午，博士研究生尚銘?zhàn)┰?ldquo;Ubiquitous Power Delivery”技術(shù)專題匯報了論文“A 102ns/V 94.3%-Peak-Efficiency Symbol-Power-Tracking Supply Modulator for 5G NR Power Amplifiers”。該工作設(shè)計了一款用于5G功率放大器的電源調(diào)制器，采用紋波消除結(jié)構(gòu)，顯著減少穩(wěn)態(tài)負載電容與輸出紋波。同時，提出的動態(tài)工作模式通過電路拓撲重構(gòu)提升響應(yīng)速度，并避免傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中輔助LDO充電，提高動態(tài)效率。測試表明，該調(diào)制器在220nF負載電容下，穩(wěn)態(tài)紋波小于12mV，并實現(xiàn)了102ns/V的快速響應(yīng)速度。
2月18日上午，課題組與企業(yè)合作研發(fā)的高效率單模式降壓-升壓轉(zhuǎn)換器芯片在“Ubiquitous Power Delivery”技術(shù)專題亮相，博士研究生靳吉以“A 98.3%-Peak-Efficiency Single-Mode Hybrid Buck-Boost Converter with 7mV Maximum Output Ripple for Li-Ion Battery Management”為題匯報了該工作。針對現(xiàn)有混合單模式降壓-升壓轉(zhuǎn)換器效率低和輸出電壓紋波大的問題，提出了一種輸出電流連續(xù)的單模式拓撲結(jié)構(gòu)。通過降低功率管耐壓至輸入電壓的一半，減少導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，實現(xiàn)了顯著的效率提升。該拓撲工作原理類似傳統(tǒng)降壓轉(zhuǎn)換器，輸出電壓紋波小，瞬態(tài)響應(yīng)快。測試結(jié)果表明，峰值效率達到98.3%，輸出電壓紋波最高僅為7mV，較現(xiàn)有同類產(chǎn)品在全工作范圍內(nèi)實現(xiàn)了最高效率。
2月19日下午，碩士研究生黃琪奧在“Isolated Power and Gate Drivers”技術(shù)專題匯報了論文“A Dual-LC-Resonant Isolated DC-DC Converter Achieving 65.4% Peak Efficiency and Inherent Backscattering”。該研究解決了傳統(tǒng)隔離電源系統(tǒng)中的兩大問題：無源整流器中二極管導(dǎo)通損耗大導(dǎo)致效率低，以及依賴額外數(shù)字隔離器進行電壓調(diào)制的問題。通過采用D類LC振蕩器替代傳統(tǒng)無源整流器，利用其低導(dǎo)通損耗和無開關(guān)損耗的特點，提升了系統(tǒng)效率。同時，雙諧振拓撲的固有反饋特性消除了數(shù)字隔離器的需求。測試結(jié)果顯示，采用該拓撲可實現(xiàn)1.5W的最大輸出功率，并達到65.4%的峰值效率，為同類工作中的最高值。
2月19日下午，課題組與企業(yè)合作研發(fā)的低EMI隔離電源芯片在“Isolated Power and Gate Drivers”技術(shù)專題展示，潘東方特任研究員以“A 2W 53.2%-Peak-Efficiency Multi-Core Isolated DC-DC Converter with Embedded Magnetic-Core Transformer Achieving CISPR-32 Class-B EMI Compliance and <5mV Ripple”為題匯報了該工作。該研究提出了一種基于嵌入式磁芯變壓器的多核架構(gòu)隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器解決方案。該架構(gòu)使多個核在不同振蕩頻率下工作，能夠有效抑制輻射電磁干擾，且無需頻率跳變電路。同時，采用多相控制方法抑制傳導(dǎo)電磁干擾，并顯著降低輸出電壓紋波。該轉(zhuǎn)換器在雙層PCB上實現(xiàn)了2.1W最大輸出功率、53.2%峰值效率，輸出電壓紋波低于5mV，并以低成本通過了CISPR-32 Class-B傳導(dǎo)及輻射電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)認證。
2月16日晚，博士研究生劉澤國在ISSCC會議的學(xué)生科研前瞻(Student Research Preview, SRP)技術(shù)專題會上匯報了題為“A 100A 48-60V to 1V Hybrid LLC Resonant Converter with 51mV Droop for a 70A/20ns Load Transient”的研究成果。該研究針對數(shù)據(jù)中心多核CPU/GPU供電瓶頸，提出了一種混合拓撲LLC諧振轉(zhuǎn)換器，以解決傳統(tǒng)LLC轉(zhuǎn)換器電壓調(diào)節(jié)不足和負載瞬態(tài)響應(yīng)慢的問題。實驗表明，該轉(zhuǎn)換器在48–60V輸入下可穩(wěn)定輸出0.8–1V，并支持100A負載；負載電流在20ns跳變70A條件下，輸出跌落僅51mV，瞬態(tài)響應(yīng)速度提升超過3倍，達到業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平?，F(xiàn)場還進行了海報展示和視頻演示。
這四項報告獲得了國際同行的廣泛認可。目前，程林教授課題組已連續(xù)五年在ISSCC上發(fā)表論文，累計13篇。以上研究得到了國家自然科學(xué)基金、安徽省重點研發(fā)計劃和企業(yè)合作項目等課題的資助，也得到了中國科大信息科學(xué)實驗中心的大力支持。
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