科研速递 | 应用于算力供电的3D集成芯片-理工学院刘寻教授团队在顶级期刊JSSC和会议ASSCC发表新工作
近日，香港中文大学（深圳）理工学院刘寻教授团队分别在集成电路设计领域顶级期刊IEEE Journal of Solid-State Circuits（JSSC）和旗舰会议Asian Solid-State Circuits Conference（A-SSCC）发表文章。
论文一
论文题目：A 4-Phase Integrated Voltage Regulator withIn-Package Inductors Achieving 89.0% Peak Efficiency and 65% Droop Improvementfor 6A/2ns Transient
会议介绍
亚洲固态电路会议（Asian Solid-State Circuits Conference，A-SSCC）是IC设计领域国际顶级会议之一。该会议用于展示固态和半导体领域最新、最先进的芯片和电路设计，由IEEE固态电路协会全资支持。近年来，亚洲各国已成为集成电路设计、制造和应用成长幅度最大的区域。在此背景下，兼具学术与产业影响力的A-SSCC已成为全球芯片设计领域的重要国际会议。
论文简介
研究背景
随着人工智能（AI）的进步，计算处理器和图像处理器的电流消耗急剧增加。如图1所示，在传统的电压调节器（VR）和处理器之间的布线路径上可能会产生显著的功率损失和热量。为解决该问题，VR需要具有高电流密度和高效率，以确保它们可以放置于离处理器最近处以减小路径寄生阻抗。而VR中的电感由于其低功率密度和高集成难度，是实现高密度集成电压调节器（IVR）的最大挑战。英特尔公司的全集成电压调节器（FIVR）采用高性能封装内空气芯/磁芯电感实现高电流密度和效率，然而这需要昂贵且专用的制造工艺。此外，也有研究者利用芯片键合线作为集成电感，但键合线电感的最大输出电流受限，且键合线与目前主流的先进工艺倒装芯片封装并不兼容。另一方面，VR必须具有快速的瞬态响应，以在处理器经历极端负载波动期间提供稳定的输出电压，而当前VR的瞬态增强技术无法应对各种瞬态条件，输出电压仍可能出现较大的下冲。
研究内容
本研究设计了一种创新的采用封装内集成电感的高频高密度四相位IVR，以实现面向处理器应用的高效垂直供电架构（参见图1）。该IVR的各相位工作于50MHz开关频率以使用低达7nH的封装内电感并实现高达20MHz的带宽。为在高频下仍能获得较高效率，我们使用级联低压器件的功率级和功率管尺寸调整技术，以在较宽负载范围内平衡开关损耗与导通损耗。另一方面，各相位之间的电流均衡是保证多相变换器稳定工作、发挥多相优势的重要条件。对此我们设计了如图2所示的基于斜坡电平高度调整的电流均衡策略，避免在高带宽的主电压环路中产生额外的极点，同时保证斜坡电压幅值不变以实现恒定的直流环路增益，实现高带宽的主电压环路与相对低带宽的电流均衡环路间的完全解耦控制，保证高频大电流应用下多相位IVR的可靠工作。
本研究还设计了具有多次触发能力的瞬态增强电路，如图3所示，其由输出电压跌落快速检测电路和多次触发窗口-屏蔽窗口产生电路两部分组成，以在经历快速负载跳变、输出电压瞬间跌落时同时打开所有相位充电；同时，该电路允许非线性响应的多次触发，可避免由于噪声和脉冲宽度调制控制环路特性导致的输出电压大幅二次下冲，以尽量减小在负载极端波动期间的输出电压跌落。
图1
图2
图3
研究结论
本次研究中的芯片采用28纳米CMOS工艺制造并在倒桩芯片封装（FCCSP）中实现了芯片与无源器件的集成，芯片与封装照片如图4所示。通过这项工作，我们设计并验证了高频高密度的多相位IVR原型，为实现面向下一代处理器的高效垂直供电奠定了基础。该IVR通过功率管尺寸调整技术和封装内集成电感实现了89.0%的峰值效率，并在7A负载下实现83.9%的峰值效率，如图5所示。此外如图6所示，在加入所设计的非线性控制瞬态增强电路后，该IVR在快速负载跳变下的输出电压跌落比只采用电压模脉冲宽度调制控制减小了65%，展现了其在有限的输出电容下应对快速负载变化的能力。
文章地址：https://ieeexplore.ieee.org/document/10849005
DOI：10.1109/A-SSCC60305.2024.10849005.
图4
图5
图6
作者简介
本文通讯作者为香港中文大学（深圳）理工学院助理教授刘寻，第一作者为香港中文大学（深圳）理工学院博士生袁恺。
袁恺，2022年本科毕业于浙江大学，获得电子信息工程工学学士学位；现于香港中文大学（深圳）刘寻教授课题组攻读博士学位，研究方向为高频直流-直流转换器和混合型直流-直流转换器设计等。
论文二
论文题目：A Hybrid Buck-or-Boost Converter for Fast-Transient andWide-Voltage-Range Applications With Continuous Output Delivery Current
期刊介绍
Journal of Solid-State Circuits（JSSC）是集成电路设计领域的顶级期刊，旨在发布领域内最新技术进展和纪录性成果，代表着当前学术界和工业界的最高技术水平。
论文简介
研究背景
在现代移动电子设备中，锂电池的电压通常在2.7至4.2伏之间。然而，对于LED驱动器，PA（功率放大器）的平均功率跟踪技术这类需宽输出的输出电压范围、高带宽供电的应用，升降压变换器（Buck-Boost Converter）成为不可或缺的关键组件。尤其是动态响应方面，需要升降压变换器能够提供更短的瞬态负载电流响应的恢复时间（load transient recovery time）和更快的动态电压变化速度(dynamic voltage scaling rate, DVS rate)。随着负载端对于变换器响应速度的需求不断提高，传统升降压变换器面临的挑战是其结构中存在的右半平面零点导致瞬态响应较慢，并且传统结构的输出电压纹波较大。因此，开发一种具有宽转换范围、快速响应和小纹波的升降压变换器显得尤为重要。
研究内容
本研究提出了一种创新的Buck-or-Boost变换器拓扑结构（参见图1）。该结构特别采用了两个飞电容CF1和CF2，构成了一个由S1和S2组成的降压桥和另一个由S3-S7组成的升压桥。在降压模式下，只有降压桥处于不断开关的状态而升压桥保持静止状态。如图2所示，在降压模式的第一阶段（Φ1），电感L左端接输入电压VIN，右端接输出电压VO，电感L被充电；在降压模式的第二阶段（Φ2），电感L左端接地，右端接输出电压VO，电感L被放电；而两个飞电容CF1和CF2一直与输出电容CO并联形成更大的容值。在升压模式下有三个阶段，如图3所示，第一阶段（Φ1），由于升压模式VO高于VIN，此时电感L处于放电状态，且CF1和CF2处于充电状态；第三A阶段（Φ3A）中CF2的位置不变继续保持充电而CF1则将VX2压到0V使得电感L进入充电状态。第三B阶段（Φ3B）中CF1则与CO保持并联充电而CF2则将VX2压到0V使得电感L也进入充电状态。理论上，这种变换器的电压转换比没有限制，能达到和传统升降压变换器相同的范围。但是，该变换器没有消除了右半平面零点，并且通过图3中双相位交替工作的技术减小了输出电压纹波。如图4所示，在控制技术上，设计了简洁的PWM双三角波电压控制器和升降压模式共享的Type-II补偿方式，使得开关频率约为2MHz时，系统带宽能够达到120-160KHz，同时在所需的电压转换比范围内保持高效率。研究还详细介绍了关于DVS rate增强技术的原理和细节，进一步优化了动态电压变化的性能。
图1
图2
图3
图4
研究结论
本次研究中的芯片采用180纳米BCD工艺制造，芯片照片如图5所示。通过这项工作，我们实现了高达97.3%的峰值效率，显示出优异的能效表现。此外，该升压变换器在瞬态响应上表现卓越，瞬态负载电流响应的恢复时间仅为5-6μs（参见图4），DVS rate在1.1-2.3μs/V左右。此变换器支持2.7至4.2伏的输入电压和0.9至6伏的输出电压，电压转换比在0.21至2.22之间，最大输出功率达到6瓦，展示了其在不同工作条件下的广泛适用性和高性能。
文章地址：https://ieeexplore.ieee.org/document/10834550
DOI：10.1109/JSSC.2024.3523914
图5
图6
作者简介
本文通讯作者为香港中文大学（深圳）理工学院助理教授刘寻，第一作者为香港中文大学（深圳）理工学院博士生阮珺逸。
阮珺逸，2021年本科毕业于电子科技大学（UESTC），获得集成电路设计与集成系统工学学士学位；现于香港中文大学（深圳）刘寻教授课题组攻读博士学位，研究方向为混合型变换器设计，电源管理系统等。
通讯作者简介
刘寻教授现担任香港中文大学（深圳）助理教授、副研究员及博士生导师，获得国家青年拔尖和校长青年学者等称号。主要研究方向包括高频、快速响应开关电源变换器的理论与设计研究。发表论文30余篇，其中包括中IC设计领域顶尖论文ISSCC 4篇和JSSC 5篇。2024年指导学生获得ISSCC会议的Silkroad Award奖项。自2021年起，担任ISSCC技术委员会委员、ISSCC分组报告主席，以及功率集成电路旗舰会议PwrSoC技术委员会委员。刘寻教授于2018至2021年就职于美国高通射频前端电源管理芯片部门，共研发了三代高带宽包络跟踪电源调制器产品：QET5100、QET6100和QET7100，并获高通公司专利奖。
供稿 | 刘寻教授团队
