高集成度非隔离式AC-DC变换器芯片关键技术研究
批准号:
62104093
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
姜俊敏
依托单位:
学科分类:
集成电路设计
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
姜俊敏
中文摘要
随着5G和物联网的发展,智能家居和办公设备的高速增长带来了对电源管理芯片需求的大幅增加,特别是对高集成度、高效率和低成本的非隔离式AC-DC变换器芯片需求迫切。传统AC-DC变换器由于需要直接处理高压交流电,整流器部分难以实现片上集成和小型化。同时,后级DC-DC要处理高电压差,大幅降低了系统效率。因此,本项目拟围绕非隔离式AC-DC变换器研究提高集成度和系统效率的关键技术。(1)提出高集成度的非隔离式AC-DC变换器的架构,提出可在BCD工艺下实现的电路方案;(2)提出片上主动型AC-DC整流器结构和输出电压的控制方案,提出有源二极管和高边NMOS的电路设计方法;(3)提出高集成度、高效率的具有高电压变换比的DC-DC变换器架构。此项目的开展将为打破现有AC-DC变换器的体积限制,进一步提升系统集成度,系统效率提供新思路和解决方案。
英文摘要
With the development of 5G and the Internet of Things, the rapid growth of smart homes and smart office devices has brought an urgent demand in power management integrated circuits(IC), especially the non-isolated AC-DC converters with high integration levels, miniaturization, high efficiency, and low cost. Because the traditional AC-DC converters need to directly process the AC mains, it is not feasible to fully integrate the rectifier on-chip. At the same time, the step-down DC-DC converter has to deal with a very high voltage conversion ratio, which significantly reduces the system efficiency...Therefore, the target of this project to study the key technologies of non-isolated AC-DC converters to improve integration and achieve high efficiency. In detail, we will (1) Propose a highly integrated non-isolated AC-DC converter architecture, develop an equivalent model, and propose the circuitry that can be implemented in the BCD process; (2) Propose an on-chip active AC-DC rectifier structure and output voltage control scheme, propose a circuit design method of the active diode and high-side NMOS; (3) propose highly integrated, high-efficiency DC-DC converter with high voltage conversion ratio...The goal of this project is to provide new concepts and solutions to break the volume limitation of the AC-DC converter and improve the system integration level and system efficiency.
近年来,随着智能家居和智能楼宇的发展,所包含的智能门锁、物联网节点、烟雾探测器等离线设备的需求日益增长。这些设备通常需要电源变换器将85-264V的通用交流电压直接转换为直流电池电压。其中,非隔离式AC-DC变换器器具有体积小、成本低、易于部署等特点,近年来需求量巨大。传统的非隔离式AC-DC转换器使用高压线性或电感开关稳压器,存在效率低或系统体积庞大等缺点。电容降压型AC-DC电源转换器具有集成度更高、体积更小和整体效率更高的潜在优势,但仍面临静态功耗高、最大输出功率有限、能量密度低等的挑战。.针对上述问题,本项目提出适用于高集成度非隔离式AC-DC 变换器系统设计理论和关键技术,包括完整的系统级架构,系统理论模型,控制方法和电路设计方法,具体包含:(1)提出了三电平模式主动AC-DC整流架构,实现AC-DC功率级98%的整流效率;(2)提出了4相位3电容10x降压DC-DC架构,仅使用3个飞电容实现10倍电压变换比,大幅增加系统功率密度;(3)提出了AC-DC功率级减小静态功耗的拓扑结构,降低静态功耗50%以上;(4)提出了AC-DC与DC-DC协同的控制方法提高瞬态响应等。.基于上述研究,共发表了11篇学术论文,包括2篇IEEE ISSCC,1篇IEEE TCAS1,4篇IEEE TCAS2,申请了6项国家发明专利,其中2项已授权。基于180nm高压工艺,完成了两款非隔离式AC-DC变换器芯片设计,实现了85-264Vac输入、3-12Vdc输出、450mA最大输出电流、2.15W最大输出功率、5mW整体静态功耗、86%峰值效率、1029mW/cm3功率密度等性能,达到了预期指标,提高了系统的集成度和能量密度,适用于智能家居设备等高集成度、小功率场景。芯片样品已在相关公司进行测试,并开始产品化转化工作。同时,项目培养了功率集成电路设计方向硕士研究生3名。
算力芯片应用的高效率高密度集成电源
芯片关键技术研究
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:10.0万元
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批准年份:2025
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负责人:姜俊敏
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依托单位:
纳米尺度CMOS工艺下用于激光雷达传感器的高压全集成电源管理芯片
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:10.0万元
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批准年份:2022
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负责人:姜俊敏
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依托单位:
国内基金
海外基金