近日，中國科大國家示範性微電子學院程林教授課題組設計的一款高效率、高電流密度的降壓-升壓直流-直流轉換器(Buck-Boost DC-DC Converter)芯片亮相於集成電路設計領域最高級別會議 IEEE International Solid-State Circuits Conference (ISSCC)。ISSCC是國際上最尖端芯片設計技術發表之地，其在學術界和產業界受到極大關注，也被稱為 “芯片奧林匹克”。ISSCC 2023於今年2月19日至23日在美國舊金山舉行。

　　Buck-Boost轉換器廣泛應用於鋰電池供電的移動電子設備中，將在實際使用時變化的電池電壓(2.7 V-4.2 V) 轉換為3.4V左右的固定電壓，為應用端如射頻功放、藍牙等模塊供電。為了延長電池的使用時間，需要轉換器在全電池電壓範圍內保持高效率。同時為了滿足移動電子設備的小型化需求，要求轉換器具有高電流密度。

　　現有的Buck-Boost轉換器通過引入飛電容減少功率路徑上的功率管數量來降低導通損耗，但同時也導致了功率管的耐壓問題，限製了效率的提升；為了克服耐壓問題，一些工作又引入更多的功率管和飛電容，增加了成本並且降低了芯片的電流密度。隨著移動電子設備集成的功能越來越多，負載電流越來越大，現有Buck-Boost結構在效率與電流密度之間的折中愈發挑戰。

　　為此，本研究提出一種新型Buck-Boost轉換器拓撲結構，該結構中隻包含4個低壓功率管、1個飛電容、1個電感，是現有結構中唯一一種僅使用4個功率管和1個飛電容而無耐壓問題的結構。此外，在飛電容的輔助下，該結構的電感電流以及導通損耗在全電池電壓範圍內都得到有效降低。

圖1 論文提出的芯片架構

　　測試結果表明，該芯片可實現98.6%的峰值效率，在1.7 mm2的芯片麵積下實現了最大2.5A的輸出電流。與同類研究相比，本設計以最低的芯片成本取得了全電壓轉換比下最高效率以及最高電流密度，實現了效率與電流密度較為完美的折中。該研究成果以“A 98.6%-Peak-Efficiency 1.47A/mm2Current-Density Buck-Boost Converter with Always Reduced Conduction Loss”為題發表在ISSCC 2023上。第一作者為中國科大微電子學院博士生靳吉，程林教授為通訊作者，合肥乘翎微電子有限公司為論文合作單位。這也是程林教授課題組連續第三年在ISSCC上發表關於電源管理芯片設計的工作。

圖2 芯片照片

圖3 芯片測試性能對比

　　本項研究得到了中國科學院戰略性先導研究計劃、國家自然科學基金等課題的資助，也得到了中國科大信息科學實驗中心的支持。