近日，南方科技大学电子与电气工程系副教授姜俊敏课题组的“快速响应Sigma激光雷达驱动芯片”和“高效率、高能量密度非隔离AC-DC变换器芯片”两项工作入选集成电路设计顶会IEEE International Solid-State Circuit Conference (ISSCC 2024)。同时，电子与电气工程系21级研究生刘刚在会上获颁IEEE固态电路协会STGA（Solid-State Circuits Society Student Travel Grant Award）奖。

工作一：快速响应Sigma激光雷达驱动器芯片

随着激光雷达系统在智能手机、车载雷达和三维成像领域的应用，接收激光信号的单光子雪崩二极管(SPAD)模块对直流偏置电源的性能提出了更高的要求。在典型的应用场景中，电源模块需要实现低电压约至16V左右的SPAD偏置电压提升，同时保持低纹波、快速瞬态响应、高效率和小体积。然而，目前学术界和业界广泛使用的DC-DC电源变换器难以同时满足SPAD对电源模块功率密度、瞬态响应速度和电压调节精度的要求。鉴于此情况，本课题组在文章中提出了一种适用于激光雷达驱动电源的DC-DC电源变换器芯片为“A 3.6W 16V-Output 180ns-Response-Time 94%-Efficiency SC Sigma Converter with Output Impedance Compensation and Ripple Mitigation for LiDAR Driver Applications”。

图1.课题组提出的SC Sigma升压变换器的系统架构和优势

如图1所示，本课题组设计了一种升压型Sigma变换器的系统架构，该架构将电源变换器分为高压和低压两个电压域，分别由两个独立的变换器电路负责电源变换。其中，高压域的变换器主要负责功率传输，以实现高效率和高能量密度；低压侧则由高增益和高带宽的线性稳压器（LDO）进行电压调节，保证电路的电压调节精度和响应速度。该SC Sigma变换器架构通过结合两个电源变换器的优势，有效满足SPAD偏置电源的需求。

图2.芯片照片和系统照片

图2展示了课题组所设计芯片的示意图。课题组提出的Sigma升压变换器实现了5V输入下16V输出、44µV/mA的输出电压误差、3.6W输出功率下94%的峰值效率、低至180ns的瞬态响应时间和152mW/mm3的功率密度，均系同类最优。

图3 电子系研究助理教授胡琛在ISSCC2024上作大会报告

该工作由电子与电气工程系研究助理教授胡琛作现场报告。南方科技大学为第一单位，副教授姜俊敏为通讯作者，电子与电气工程系研究助理教授胡琛和研究生黄欣然为共同第一作者。

工作二：高效率、高能量密度非隔离AC-DC变换器芯片

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3至4.2V的直流电池电压。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。由此，本课题组提出了一种用于交流市电的AC-DC电源换器芯片，“An 85-264Vac to 3-4.2Vdc 1.05W Capacitive Power Converter with Idle Power Reduction and 4-Phase 1/10X SC Converter Achieving 5.11mW Quiescent Power and 78.2% Peak Efficiency”。该芯片提出了静态功耗减小技术、输出功率增强技术、输出电压纹波减小技术等。如图5所示，该设计能够减小静态电流，降低了约50%的静态功耗，实现了5.11mW的超低静态功耗；提高了约75%的输出功率，实现了1.05W的输出功率；能量密度达到了477mW/cm3，为目前同类产品中能量密度最高值。

图4 AC-DC变换器原理与应用示意图

图5 芯片照片和PCB照片

图6 电子系硕士生刘刚在ISSCC2024上作大会报告

此项工作由电子与电气工程系2021级研究生刘刚作现场报告。南方科技大学为第一单位，姜俊敏教授和香港中文大学（深圳）刘寻教授为该论文的共同通讯作者。

两项研究工作均得到了国家自然科学基金、广东省科技厅、深圳市科创委、南科大电子系-爱协生科技联合实验室项目、深圳市高层次人才和南科大启动经费的支持。

据悉，IEEE International Solid-State Circuit Conference (ISSCC)是世界学术界和企业界公认的集成电路设计领域最高级别会议，被认为是集成电路设计领域的“世界奥林匹克大会”，也是各个时期国际上最尖端固态电路技术最先发表之地。ISSCC每年吸引了超过3000名来自世界各地工业界和学术界的参加者。

供稿：电子与电气工程系

通讯员：姜俊敏

主图：丘妍

编辑：任奕霏