近日，南方科技大学深港微电子学院副教授詹陈长和清华大学长聘教授路延团队在混合型DC-DC电源管理芯片领域取得重要进展，双方联合指导的博士生赵双星提出了一种高效率、具有快速瞬态响应的Buck-Boost（升降压）混合型DC-DC转换器。相关成果以“A Three-Fine-Level Buck-Boost Hybrid Converter Achieving Half-VIN-Stress on All Switches and Fast Transient Response” [1]为题发表在集成电路设计领域顶级期刊《固态电路杂志》(IEEE Journal of Solid-State Circuits, JSSC)上。该期刊论文是基于 2024年2月在ISSCC会议上发表的论文[2]，经过深入拓展与全面完善后而获得的成果。ISSCC是世界学术界和工业界公认的集成电路设计领域最高级别会议，被认为是集成电路设计领域的“芯片奥林匹克大会”。本期刊论文在原先会议论文的基础上（详情见新闻报道[3]），增加了对功率级拓扑的损耗分析、系统控制级各个模块的工作原理分析，以及详细的测试结果说明，更加完整地介绍了这个设计。
本工作针对如今普遍使用的锂电池的输出电压管理芯片低效率、慢瞬态响应的问题，提出一种新型拓扑结构，将传统转换器功率管耐压降低为1/2VIN，从而可用低压管来取代高压管，实现更高的转换效率，以及更小的芯片制造成本， 图1展示了锂电池的功率传输特性以及传统的同向Buck-Boost转换器拓扑。
图 1 锂电池的功率传输特性和传统的同向Buck-Boost转换器拓扑
图 2 (a)品质因素和(b)MOS的导通电阻
图 2 展示了三种不同类型开关管的品质因数与导通电阻随面积变化的情况，从中可明显看出低压管在导通电阻和栅荷系数方面具有显著优势，因此有潜力实现更高的转换效率。同时，针对传统架构环路带宽受到右半平面零点影响而难以提高的问题，该结构也取得了有效的改进。
图 3 本工作提出的转换器工作状态。(a)Φ1，(b)Φ2，(c)Φ3，(d)Φ4，and(e)三种模式的时序图
图3展示了本工作提出的混合Buck-boost转换器（3FLBB）功率级拓扑图以及工作时序图。该功率级模块由七个开关管，两个飞电容，一个电感和一个输出电容组成。从工作时序图中可以看出，两个飞电容电压均为1/2VIN，本工作提出的混合型DC-DC转换器能够保证在三种工作模式下（Buck、Boost、Buck-Boost， 降压、升压、升降压），所有的开关管均只耐受1/2VIN的电压。因此，该架构能够用更低耐压的开关管来取代传统结构中的5V开关管，在本次实现的设计中，利用了1.8V开关管获得更小的损耗从而提高效率。同时，所提出的新结构是在Buck基础上改进，因而能够消掉传统Buck-Boost结构中的环路右半平面零点，从而提高瞬态响应速度。
图4 芯片效率、瞬态响应测试结果
图4展示了本工作的芯片效率、瞬态响应测试结果。本设计采用0.18μm BCD工艺，仅使用工艺中的1.8V低压管，针对物联网设备中最常用的锂电池（电压范围4.2-2.7V），输出固定的3.3V电压，最终实现了98.2%的峰值效率和快速的瞬态响应。
赵双星是上述论文的第一作者，赵双星同学已经于今年5月顺利毕业获得博士学位，并加入了小米公司（上海），担任小米未来星-高级芯片工程师。深港微电子学院詹陈长副教授和清华大学电子工程系路延教授为上述论文的共同通讯作者。南方科技大学为上述论文的第一通讯单位；本研究获得了国家自然科学基金委，河套深圳-香港科技创新合作区，澳门特别行政区科技发展基金以及企业横向课题的经费资助。
