南方科技大学詹陈长课题组在JSSC发表无线传电整流器芯片研究成果

近日，南方科技大学深港微电子学院副教授詹陈长和澳门大学微电子研究院副教授路延团队在无线传电芯片设计领域取得重要进展，双方联合培养的博士生黄晨雨提出了一种同时具有正负双极直流输出的单级整流器，其在6.78MHz工作频率下，双极输出之间发生负载变化时几乎没有交叉调制。相关成果以“A Single-Stage Bipolar-Output Regulating Rectifier with Negligible Cross Regulation for Wireless Display”[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。

无线传电作为更安全和便捷的方式为设备供电，已广泛应用在日常生活中，例如IoT设备，手机/平板电脑，和可植入式医疗设备等。在部分应用场景下，例如显示驱动电路，和医疗设备的电刺激器，通常需要正压和负压双电平，以提高电压范围。它们往往会以有线的方式内置负压转换电路，将供电的正压转换成负压。一些已经发表的具有双输出无线传电整流器电路可以同时输出两个或多个正电压，但如果需要负压电平，仍然要在后级多接入负压转换电路，增加成本的同时，减小系统效率。因此，研究团队在论文[1]中提出了一种同时具有双极直流输出的单级整流电路，其正/负两端电压在负载切换时几乎不会影响另一侧的输出产生电压过冲/下冲，即几乎没有交叉调制效应。且整个整流芯片外围除了两个输出电容之外，不需要其他片外器件，降低电路成本。

图1 具有双极输出的单级整流电路的工作相位示意图

图2 具有双极输出的单级整流电路的结构图

图1展示了本工作提出的双极输出的整流电路的工作相位示意图。电路通过切换合适的相位，使得整流器根据正负输出的负载大小，对应地切换主动/空转模式，以实现正负输出稳压的效果。此外，在相位切换、或者负载发生变化时，由于较高的耦合线圈品质因数，整流器的串联谐振输入的电流幅值几乎不变。这决定了电路通过合适的相位切换时，不会产生双输出之间的交叉调制。

图2展示了本工作提出的双极输出的整流电路结构图，整个电路的功率级通过叠管和体偏置的方式，避免电路的过压风险。两个分别工作在正/负电压的、相互独立的脉冲宽度调制（PWM）电路，其产生的信号进而决定整流器的工作相位，使双极电压稳定在设定值。

图3 （a）芯片照片；（b）双极重载下的稳态测试波形；（c）正压输出端负载发生瞬间跳变时的测试波形；（d）整流器在不同负载下的能量转换效率

图3展示了本工作的芯片版图、稳态测试波形、瞬态测试波形和系统效率。该工作采用0.18μm BCD工艺，仅使用工艺中的5V低压管，同时实现了+5V和-5V的双极输出，每路输出的最大电流为500mA，最大总输出功率为5W，且在负载发生瞬态跳变时几乎没有交叉调制。测试下的整流器最高能量转换效率为86.4%。

黄晨雨是上述论文的第一作者，深港微电子学院詹陈长副教授和澳门大学微电子研究院路延副教授为论文的共同通讯作者，南方科技大学-澳门大学联合培养的白祥龙博士为第三作者。本项目研究获得了国家自然科学基金委，深圳市科创委，以及企业横向课题的经费资助。