DC-DC变换器有源功率电感集成研究

DC-DC converters have been widely used in smart consumer electronics, communication instruments, industry application, military and aerospace areas. Inductor is one of the biggest parts in DC-DC converters. In order to meet the miniaturization and integration trend, based on the deep experience in the field of power management ASIC design, our team will make integrated inductor as the core design conception. The design of active inductor and power inductor would be analyzed. The difficulty in integration would be summarized. The problems of temperature tolerance and thermal management of active inductor would be solved, achieving the monolithic integration of power parts in DC-DC converters. And a compensation method without dynamic compensation network would be proposed. Thus the achieved DC-DC with integrated active inductor works stably. The proposed significantly development in the key techniques of power management design would.be obtained.

DC-DC变换器芯片已经广泛应用于智能消费类电子、通信设备、工业应用、军工安防和航空航天等领域。电感器件是DC-DC变换器中体积最大的部件之一，为满足小型化集成化发展趋势，该项目依托项目组成员多年电源管理芯片的设计经验，围绕实现片上电感这一目标，对电感有源化以及功率化进行深入细致的理论研究，总结目前集成设计中的各种问题，探索适用于DC-DC变换器的新型有源功率电感，克服有源电感温度耐受力以及功率热管理难题，满足DC-DC变换器功率器件的单芯片集成，提出针对集成有源电感的无补偿网络DC-DC变换器环路补偿方法，实现环路稳定性设计。预期相关研究成果可以达到提升我国电源管理芯片设计核心技术的目的。

在4年的研究时间内，项目研究了电感有源化带来的有限工作频率范围、研究了有源电感在功率化过程中的功率能级提升、温度漂移抑制，研究了有源功率电感在DC-DC中集成应用稳定性问题。.取得了一定研究成果，特别是2018年6月，微电子学与集成电路领域国际顶级期刊 《IEEE固态电路学报》（IEEE Journal of Solid-State Circuits，简称JSSC）登载了来新泉教授团队论文“Oversampling Successive Approximation Technique for MEMS Differential Capacitive Sensor”。该论文是西部高校和西电科大在JSSC上历史首篇，且工作全部在西安电子科技大学完成，来新泉教授亲自指导的博士生钟龙杰为该论文第一作者。.针对有源功率电感在DC-DC中的集成提出了很多有价值的想法，大部分已经完成电路设计、仿真验证，并选择性的进行了投片验证。利用DB 0.18um 3V/5V/36V/100V BCD工艺，进行了多次投片验证。2019年-2020年，验证了有源电感功率化研究中的功率能级提升与热处理，达到了在-40℃、30℃、125℃的温度范围内，有源电感在1MHz频率处的感值为107.9uH~116uH，并且该电路在0.5MHz~2MHz频段内的感值波动不超过10%；同时验证了在30℃温度时，在输出电流10mA、200mA、500mA下，该有源电感在1MHz频率处的感值为107.8uH~121.4uH，即在10mA~500mA 输出电流范围内，电感值基本稳定且变化程度不大于10%。.2020年-2021年，投片验证了用于 CMOS 集成电路的电感模拟器的新结构，针对低频应用 该结构的特点是元件数量少，使用的电容小，因此功耗低，芯片面积小。实测结果表明，在工作频率低至600KHz的情况下，这种结构可以产生100uH的电感值。通过比较这种结构和其他现有结构产生的相似电感值，可以得出结论，新结构产生的电感值具有超低的工作频率和显着更高的电感值，而芯片面积非常小。.项目开发了适用于功率处理的有源电感，设计了合理的控制系统工作频率范围以保证在DC-DC中有源电感工作的有效性，达到DC-DC变换器有源与无源功率器件应用的混合集成，实现了在DC-DC中提升面积与效率的折衷灵活性。