CN113452249B - 一种基于异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开基于异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器，片上集成电路由驱动放大器SD、电感LD、L1、Lr、功率开关管S1、电容CS、CD1、CD2、二极管D1、D2构成；驱动放大器SD基极接输入RFin，集电极接电感LD，发射极接地，电感LD另一端接电源Vdd，功率开关管S1基极接驱动放大器SD集电极，功率开关管S1集电极接电感L1、电感Lr、电容CS一端，电感L1另一端接电源Vin，电容CS另一端接功率开关管S1发射极后接地，电感Lr另一端接二极管D1、二极管D2一端，二极管D1另一端接地，二极管D2另一端作为片上集成电路输出端。本发明实现了谐振式功率转换器在Si基芯片上的全集成。

Description

一种基于异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器
技术领域
本发明涉及电源管理芯片技术领域，特别是涉及一种基于异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器。
背景技术
提高电源管理设备的功率密度和集成度一直是中小型用电设备关注的问题。由于摩尔定律的限制，对于同衬底的电源系统。减小电源管理芯片的面积必然导致输出功率的降低，这是因为受限于互联金属最大电流密度和功率晶体管的漏极电压电流积。提高开关电源的开关频率是减小系统体积的有效方法，因为开关电源中的无源元件(电感，电容)都与开关频率呈反比例关系，但开关频率的提高会导致传统的硬开关升/降压结构变换器的开关功率损耗增大，因为功率管寄生电容充放电的频率也随着开关频率的提高而变快了从而导致开关转换过程漏极电压/电流交叠更加严重。谐振模式功率变换器被多次证明可在较高开关频率保持高效功率传输，因为谐振变换器中的电流为正弦或几个正弦的叠加，开关管的电压、电流可以设计成互不交叠的工作，称为“零电压开关”或“零电流开关”，于是大大减小了开关损耗。
目前几十兆赫兹开关频率的谐振式转换器可在印刷电路板上制造，采用分立的有源/无源器件，整体功率密度低于20mW/mm2。当开关频率增加到几百兆赫兹，无源器件可集成在高阻硅衬底(IPD平台)上，系统功率密度可达到40mW/mm2。对于更高频率实现方案，可实现很高的集成度，将全部器件平面集成在Si基芯片上，但输出功率一般低于1W，且只能工作在较低电压工况。
因此，如何提高电源管理芯片的集成度且同时保持较高功率输出成为了下一代功率电子技术面临的关键问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器，实现了谐振式功率转换器在Si基芯片上的全集成，且该转换器可实现宽负载范围内高效率工作，具有较大的输出功率。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种基于异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器，由片上集成电路以及片外电路组成，片上集成电路由驱动放大器SD、电感LD、电感L1和电感Lr、功率开关管S1、电容CS、电容CD1、电容CD2、二极管D1、二极管D2构成，；驱动放大器SD的基极接输入RFin，集电极接电感LD，发射极接地，电感LD另一端接电源Vdd，功率开关管S1的基极接驱动放大器SD的集电极，功率开关管S1的集电极接电感L1、电感Lr、电容CS的一端，电感L1另一端接电源Vin，电容CS的另一端接功率开关管S1的发射极后接地，电感Lr的另一端接二极管D1、二极管D2的一端，二极管D1的另一端接地，二极管D2的另一端作为片上集成电路的输出端；电容CD2与二极管D2并联，电容CD1与二极管D1并联；
片外电路由输出滤波电容COUT以及负载RL组成，输出滤波电容COUT以及负载RL并联，一端与片上集成电路的输出端连接，另一端接地。
其中，电容CS，电容CD1，电容CD2分别是功率开关管S1和二极管D1、二极管D2的寄生电容。
其中，输出滤波电容COUT外的无源元件均实现片上集成，尺寸小，电流密度大，寄生损耗小，功率器件倒装集成在硅基芯片上。
本发明的基于异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器技术，可以在保证转换器在轻载条件下保持高效率工作，且无需任何额外的反馈回路。
本发明的基于异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器的技术原理不基于频率，设计者可根据工艺本身的参数选择开关频率，且该设计方案可充分利用晶体管寄生电容，利于集成。
本发明的基于异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器的技术适用于任何电压级别、任何材质的功率管和Si基射频工艺库，设计者可根据输出功率、产品应用、封装方式等要求自由选择。
附图说明
图1是本发明实施例的异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器示意图。
图2是本发明实施例的异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器版图示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例的基于异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器，由片上集成电路以及片外电路组成，片上集成电路由驱动放大器SD、电感LD、电感L1和电感Lr、功率开关管S1、电容CS、电容CD1、电容CD2、二极管D1、二极管D2构成，；驱动放大器SD的基极接输入RFin，集电极接电感LD，发射极接地，电感LD另一端接电源Vdd，功率开关管S1的基极接驱动放大器SD的集电极，功率开关管S1的集电极接电感L1、电感Lr、电容CS的一端，电感L1另一端接电源Vin，电容CS的另一端接功率开关管S1的发射极后接地，电感Lr的另一端接二极管D1、二极管D2的一端，二极管D1的另一端接地，二极管D2的另一端作为片上集成电路的输出端；电容CD2与二极管D2并联，电容CD1与二极管D1并联；
片外电路由输出滤波电容COUT以及负载RL组成，输出滤波电容COUT以及负载RL并联，一端与片上集成电路的输出端连接，另一端接地。
其中，电容CS，电容CD1，电容CD2分别是功率开关管S1和二极管D1、二极管D2的寄生电容。
其中，输出滤波电容COUT外的无源元件均实现片上集成，尺寸小，电流密度大，寄生损耗小，功率器件倒装集成在硅基芯片上。
本发明实施例的基于异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器，采用的基本原理可归纳为三步：
第一步：工作原理。使用两个并联电感-电容谐振网络作为带通滤波网络，整流器采用低输入阻抗的电流模式整流器。设计带通滤波网络的元件值，使得开关频率基频处阻抗为0，二次谐波处阻抗最小，这样可以保证基频和二次谐波电流分量完整通过，其中谐振网络中的电容可以选择为功率器件的寄生电容。
第二步：原理图仿真。功率管采用LDMOS/III-V器件，通过导入器件模型和Si基工艺库联合仿真得到设计的输出功率和升压比。并进行驱动放大器设计，采用共源谐振式驱动放大器。
第三步：版图设计。根据选用的功率管引脚说明设计flip-chip专用bonding pad。绘制厚金属电感器使其在开关频率处达到不低于10的品质因数。版图绘制后提取RC参数进行后仿真，根据前仿性能对版图进行优化。
其中，如图1所示，I区域为片上集成的部分，包括驱动放大器、电感LD，电感L1和电感Lr，功率开关管S1以及二极管D1、二极管D2，电容CS，电容CD1，电容CD2是功率开关管和二极管的寄生电容。II区域为片外的输出滤波电容以及负载。
根据工作原理设计带通滤波网络L1-CS，Lr-CD(CD1+CD2)，为了达到交流电流无耗通过滤波网络的效果，将带通网络在基频(Zf0)和二次谐波频率(Z2f0)处的阻抗设计到最低，如下式：
Figure BDA0003129061540000051
Zf0＝Z1+Z2＝0 (2)
其中f0为基频，ω0为基频的角频率，Z1，Z2分别表示L1-CS，Lr-CD的特征阻抗。为了具体给出设计带通滤波网络元件值的过程，(3)-(5)式辅助分析：
L1＝aLr(a≥1) (3)
Figure BDA0003129061540000052
Figure BDA0003129061540000053
如此即可得到满足基频阻抗为0时的带通LC网络元件取值的关系。为了确定设计参数，本发明实施例将带通网络二次谐波频率阻抗值最小作为约束条件，同时将带通网络中的CS，CD为功率器件寄生电容，具体过程如下：
Figure BDA0003129061540000054
Figure BDA0003129061540000055
这样就可以得到使得基频和高次谐波频率的电流分量都能低耗通过的带通滤波网络，电路的整体效率可在宽负载范围内保持较高水平。
图2是异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器版图示意图，其中1为片上高品质因数电感器；2为硅基场效应晶体管(用作驱动管)；3为LDMOS或III-V等材质的功率器件芯片；4为连接硅基芯片flip-chip专用bonding-pad和功率器件的片上焊球(锡，金，铜等)；5为硅基芯片上放置的bonding-pad。所有无源元件(除输出滤波电容)均实现片上集成，尺寸小，电流密度大，寄生损耗小，功率器件倒装集成在硅基芯片上，可根据不同功率等级和应用场景选取不同的功率器件。
本发明的基于异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器技术，可以在保证转换器在轻载条件下保持高效率工作，且无需任何额外的反馈回路。
本发明的基于异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器的技术原理不基于频率，设计者可根据工艺本身的参数选择开关频率，且该设计方案可充分利用晶体管寄生电容，利于集成。
本发明的基于异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器的技术适用于任何电压级别、任何材质的功率管和Si基射频工艺库，设计者可根据输出功率、产品应用、封装方式等要求自由选择。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.基于异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器，其特征在于，由片上集成电路以及片外电路组成，片上集成电路由驱动放大器SD、电感LD、电感L1和电感Lr、功率开关管S1、电容CS、电容CD1、电容CD2、二极管D1、二极管D2构成；驱动放大器SD的基极接输入RFin，集电极接电感LD，发射极接地，电感LD另一端接电源Vdd，功率开关管S1的基极接驱动放大器SD的集电极，功率开关管S1的集电极接电感L1、电感Lr、电容CS的一端，电感L1另一端接电源Vin，电容CS的另一端接功率开关管S1的发射极后接地，电感Lr的另一端接二极管D1、二极管D2的一端，二极管D1的另一端接地，二极管D2的另一端作为片上集成电路的输出端；电容CD2与二极管D2并联，电容CD1与二极管D1并联；
功率开关管采用LDMOS器件，采用共源谐振式驱动放大器；整流器采用低输入阻抗的电流模式整流器；
片外电路由输出滤波电容COUT以及负载RL组成，输出滤波电容COUT以及负载RL并联，一端与片上集成电路的输出端连接，另一端接地；
输出滤波电容COUT外的无源元件均实现片上集成，尺寸小，电流密度大，寄生损耗小，功率器件倒装集成在硅基芯片上。
2.根据权利要求1所述基于异质集成的新型全集成升压dc/dc转换器，其特征在于，其中，电容CS，电容CD1，电容CD2分别是功率开关管S1和二极管D1、二极管D2的寄生电容。
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