近日，南方科技大学电子与电气工程系助理教授姜俊敏联合香港中文大学（深圳）和香港科技大学等合作单位，于射频包络跟踪器和全集成开关电容变换器等电源管理芯片领域取得多项进展。一方面在射频包络跟踪器领域，对下一代通信技术中的应用和设计挑战进行了总结和展望，对包络跟踪器设计中传递函数和稳定性进行了分析；另一方面在全集成开关电容变换器领域，提出多相共享的技术，大幅提高变换器的电流密度。

课题组在集成电路领域国际高水平期刊IEEE Transaction on Circuits and Systems II: Express Briefs (T-CAS II)以通讯作者身份发表三篇文章，分别题为（1）受邀综述文章“Design Techniques for High-Efficiency Envelope-Tracking Supply Modulator for 5th Generation Communication”；（2）“Loop Analysis and Stability Considerations of Hybrid PA Supply Modulators”和（3）“Fully-Integrated Switched-Capacitor Converter With Capacitor Bridging for Improved Current Density”。

第五代通信技术5G(5thGeneration)是下一代工业革命的基础技术，有着全面的性能提升，包括更快的速度和更低的延时。然而5G通信中的高峰值平均功率比（peak-to-average power ratio (PAPR) around 10 dB）严重降低了射频功率放大器的效率，带来了很高的能量损失，影响移动设备电池的续航时间同时导致发热问题。如图1所示，功放系统主要由射频功放和电源调制器构成。传统方案采用恒定电压供电，功放系统整体效率仅有10%。包络跟踪（EnvelopeTracking，ET）系统中的电源调制器跟踪射频信号的包络信号，可将整体效率提高至30-40%，从而延长待机时间，是目前高性能射频功放系统中的核心技术。

图1.恒定电压调制器和包络跟踪调制器的功放对比图 

5G通信对于包络跟踪电源调制器的要求极具挑战性，需要同时实现大于80%的效率，1GHz左右的带宽，低至1V高至6V的输出电压范围，以及数瓦输出功率。为了应对这些挑战，用于包络跟踪的电源调制器通常采用线性放大器与开关变换器相结合的混合型结构。基本思路是用高宽带的线性放大器来提供高频的能量，同时有限带宽但高效率的开关变换器来提供低频的能量。

然而5G信号带宽高达100MHz/200MHz，传统的电源调制器已经不能满足其要求，因此本文系统地阐述了针对5G通信的挑战，可以采用的最前沿技术，同时这些技术存在的优缺点，内容涵盖了架构的创新，开关变换器的多电平拓扑实现、快速响应控制和升压降压功能实现，线性放大器的带宽拓展方法，以及系统测试指南。

表1.不同包络跟踪器设计的性能比较

在日常使用的智能手机中，射频（RF）功率放大器（PA）是手机中最耗电的组件之一。该模块的输入信号是手机接收到的射频信号，由于该信号的包络是时变的，这意味着如果电源调制器提供一个恒定的电压给该模块，那么将有大量的能量被浪费掉。同时随着峰均功率比（PAPR）的增加，在现代通信协议中，这个能量浪费的问题变得越来越严重。为了解决这个问题，几十年前就提出了包络跟踪（ET）技术。在ET系统中，电源调制器能有效地跟踪瞬时包络从而减少了功率浪费。然而随着包络变化的频率越来越高，甚至达到了GHz，这让电源调制器很难同时实现宽带宽和高效率。

在本篇论文中，提出了对电流和电压环路进行建模和补偿的方法，电流环路在带宽和稳定性方面的设计注意事项，以及分析了电流环和电压环之间的相互作用。如果我们能正确地对线性放大器进行补偿，那么电流环就不会影响电压环的单位增益频率(UGF)和相位裕度，从而可以输出稳定的电压。但是如果电流环路的相位裕度较低则会导致电感电流出现振铃现象，从而将导致额外的功率损耗。该篇论文中提出的以上分析都通过仿真和测量得到了验证，为设计具有良好稳定性和优化效率的电源调制器提供了帮助和指导。

图2.电源调制器的电路模型

图3.电源调制器的仿真波形

近阈值计算对低电压转换比（VCR，或大降压比）的DC-DC电源转换器提出了严格的要求。要为接近阈值的计算系统供电，电源电压通常必须将3V~5V的输入电压桥接至<600mV的电压。混合转换器是实现大降压比的一个可行方案，但其中的高成本电感器使它在市场上没有优势。而开关电容转换器(SCC)是一个更好的选择，因为开关和电容器都很容易获得且可以做成全集成的。

多相开关电容转换器（SCC）存在空载电容器，这限制了SCC的功率。但同时，消除空载电容器也存在很多挑战。首先，直接实施interleaving的交错方案会破坏原SCC的充放电平衡。其次，对于多相SCC和可重构SCC，翻转功率晶体管的漏极和源极会导致电流泄漏问题，从而导致效率低下。

图4.利用电容桥接消除空载电容的示意图

本篇论文提出了一种在多相SCC设计中避免空载电容器的方案。一是交错式电容器桥接和相位扩展，以解决空载电容器问题并减少面积开销。二是相位钳位，以避免漏极和源极翻转问题，并最大限度地减少泄漏电流。该设计采用65nmCMOS工艺制造，测量结果表明电流密度提高了25%，同时没有牺牲效率。

表2. 不同多相SCC设计的性能对比

在以上发表的论文中：（1）（2）香港中文大学（深圳）刘寻教授为第一作者；（3）香港科技大学钟樾为第一作者；姜俊敏均为通讯作者。

以上研究工作得到了国家自然科学基金、广东省自然基金、深圳市创新团队的资助以及南科大电子系-爱协生科技联合实验室的支持。

论文链接：

1、https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9751599 

2、https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9803277 

3、https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9790872 

供稿：电子与电气工程系

通讯员：李佰英

主图：丘妍

编辑：朱增光