近日，南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院高源助理教授團(tuán)隊(duì)在高性能電源管理芯片領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)成功設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了四款具有代表性的芯片，相關(guān)成果分別發(fā)表于集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的國(guó)際頂級(jí)會(huì)議。其中，一篇發(fā)表于2025 年超大規(guī)模集成電路國(guó)際研討會(huì)（Symposium on VLSI Technology and Circuits, VLSI Symposium），三篇發(fā)表于 2025 年歐洲固態(tài)電子研究會(huì)議（European Solid-State Electronics Research Conference, ESSERC）。

論文1：高壓高可靠GaN負(fù)壓直驅(qū)芯片

隨著人工智能的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心對(duì)高功率密度電源的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。氮化鎵（GaN）功率器件因具備高耐壓、低寄生參數(shù)和耐高溫等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是高功率密度電源的理想選擇。然而，在服務(wù)器電源長(zhǎng)時(shí)間、大功率的苛刻應(yīng)用環(huán)境下，GaN 器件仍面臨柵極脆弱、工藝缺陷密度高、失效率高等問(wèn)題，這已成為制約其在數(shù)據(jù)中心大規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸。高源團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期聚焦于 GaN 驅(qū)動(dòng)架構(gòu)與片上技術(shù)研究，旨在通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片提升功率器件的系統(tǒng)級(jí)可靠性。驅(qū)動(dòng)芯片不僅需要提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)，還必須集成精準(zhǔn)控制、保護(hù)與故障診斷等多重功能，才能全面保障系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。針對(duì) 800V 及以上電壓應(yīng)用，耗盡型 GaN（D-GaN）相較增強(qiáng)型 GaN 具有更穩(wěn)定的工藝優(yōu)勢(shì)，但基于 D-GaN 的傳統(tǒng) Cascode 方案在高頻運(yùn)行時(shí)效率和可靠性不足，且難以兼顧軟開(kāi)關(guān)與硬開(kāi)關(guān)的性能需求。為此，團(tuán)隊(duì)提出了一種可重構(gòu)雙模式 D-GaN 負(fù)壓直驅(qū)芯片架構(gòu)。該架構(gòu)通過(guò)共享電感和部分功率管，將負(fù)壓 Buck-Boost 轉(zhuǎn)換與諧振柵極直驅(qū)相結(jié)合，在單芯片中實(shí)現(xiàn)負(fù)壓生成與柵極能量回收；同時(shí)實(shí)現(xiàn)外部驅(qū)動(dòng)電感由傳統(tǒng)的 μH 級(jí)縮減至 300 nH；在諧振直驅(qū)模式下，可支持大柵極電荷器件（72 nC）在 3 MHz 高頻下運(yùn)行，柵極充電功率損耗降低 40%；在常規(guī)直驅(qū)模式下，提供可調(diào)壓擺率控制，以滿足不同電源拓?fù)潇`活需求。

相關(guān)研究成果“A Dual-Mode Direct-Drive D-GaN Driver with Reused Inductor and Power Switches for Negative Voltage Generation and Gate Energy Recycling” 已于 2025 年 6 月在日本京都召開(kāi)的超大規(guī)模集成電路國(guó)際研討會(huì)（2025 Symposium on VLSI Technology and Circuits, VLSI Symposium）上報(bào)告。論文第一作者為南方科技大學(xué) 2022 級(jí)博士生儲(chǔ)鵬，高源助理教授為通訊作者，南方科技大學(xué)為第一完成單位。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)的支持。

圖1. 高壓高可靠GaN負(fù)壓直驅(qū)芯片（論文1）

論文2：緊湊型可重構(gòu)開(kāi)關(guān)電容激光二極管驅(qū)動(dòng)芯片

激光二極管（LD）驅(qū)動(dòng)廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛與具身智能中的激光雷達(dá)，以及醫(yī)療光聲成像等新興領(lǐng)域。此類(lèi)應(yīng)用要求單脈沖產(chǎn)生足夠大的激光峰值能量。然而，傳統(tǒng)電容放電式 LD 驅(qū)動(dòng)存在硬充電導(dǎo)致效率不足（通常低于 50%）、能量浪費(fèi)嚴(yán)重、體積龐大及散熱困難等問(wèn)題。開(kāi)關(guān)電容方案雖可降低損耗，但需多個(gè)片外電容，且不支持連續(xù)電壓調(diào)節(jié)，難以滿足設(shè)備小型化需求。針對(duì)這些挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)提出了一種緊湊型可重構(gòu)開(kāi)關(guān)電容充電器，采用自適應(yīng)多步充電技術(shù)，并基于電流檢測(cè)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)切換，從而最大化開(kāi)關(guān)電容陣列的利用率。在該架構(gòu)下，5 V 輸入條件下的閉環(huán)控制可實(shí)現(xiàn) 32.6 V 高壓脈沖輸出，單周期脈沖能量達(dá) 46 μJ，整體效率提升 31%。該方案目前應(yīng)用于光聲成像脈沖激勵(lì)產(chǎn)生，在實(shí)現(xiàn)高能量與高效率的同時(shí)，顯著縮小系統(tǒng)尺寸，為集成化 LD 驅(qū)動(dòng)器的小型化奠定了核心基礎(chǔ)。此外，該技術(shù)亦可擴(kuò)展至陣列激光雷達(dá)等場(chǎng)景，用于驅(qū)動(dòng)多脈沖的激光二極管陣列。

相關(guān)研究成果“A 5V Input Pulse-Charge-Regulated 46μJ/cycle Laser Diode Driver with a Reconfigurable Switched-Capacitor Charger for Portable Photoacoustic Imaging” 于2025年9月8-12日在德國(guó)慕尼黑舉辦的the European Solid-State Electronics Research Conference (ESSERC 2025)上報(bào)告。論文由南方科技大學(xué) 2020 級(jí)碩士生林大智與 2024 級(jí)碩士生徐茂棠共同擔(dān)任第一作者，高源助理教授為通訊作者，南方科技大學(xué)為第一完成單位。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)的支持。

圖2. 緊湊型可重構(gòu)開(kāi)關(guān)電容激光二極管驅(qū)動(dòng)芯片（論文2）

論文3：自動(dòng)對(duì)齊電流相位的負(fù)載無(wú)關(guān)的高效率E類(lèi)功率放大器芯片

隨著對(duì)消費(fèi)電子設(shè)備快速無(wú)線充電的需求不斷增長(zhǎng)，緊湊型高功率無(wú)線電能傳輸（WPT）系統(tǒng)的需求也在迅速上升。相比 D 類(lèi)功率放大器，E 類(lèi)功率放大器能夠在更高效率下處理更大功率，因此非常適合中高功率 WPT 應(yīng)用。E 類(lèi)功率放大器依賴于零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）來(lái)降低開(kāi)關(guān)損耗，但在實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載變化會(huì)導(dǎo)致難以維持 ZVS。具體表現(xiàn)為：實(shí)部阻抗 Re(Z) 的波動(dòng)（源于耦合系數(shù) k 或負(fù)載電阻RL 的變化），以及虛部阻抗 Im(Z) 的偏移（由開(kāi)關(guān)頻率與發(fā)射端/接收端 LC 諧振頻率失配引起），均會(huì)扭曲輸出電壓波形，從而導(dǎo)致硬開(kāi)關(guān)損耗與體二極管導(dǎo)通損耗，顯著降低效率。為解決上述問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)提出了一種6.78 MHz 自動(dòng)對(duì)齊電流相位的負(fù)載無(wú)關(guān) E 類(lèi)功率放大器?；?E 類(lèi)逆變器的負(fù)載獨(dú)立原理，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)對(duì)齊回路：通過(guò)占空比控制的開(kāi)關(guān)電容結(jié)構(gòu)，能夠快速適應(yīng)實(shí)部阻抗變化，并有效補(bǔ)償虛部阻抗失配。因此，該功率放大器在所有開(kāi)關(guān)條件下均能保持 ZVS，并在負(fù)載瞬態(tài)及驅(qū)動(dòng)可重構(gòu)諧振調(diào)節(jié)整流器時(shí)實(shí)現(xiàn)高效功率傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)最大輸出功率達(dá)到 37.8 W，發(fā)射端峰值效率為 94%，端到端峰值效率為 86.3%。

相關(guān)研究成果“A 94% Peak Efficiency Class-E Power Amplifier with Auto-Aligned Current Phase for Guaranteed ZVS under Impedance Variations” 已于 2025 年 9 月 8–12 日在德國(guó)慕尼黑舉行的 歐洲固態(tài)電子研究會(huì)議（ESSERC 2025）上報(bào)告。論文第一作者為南方科技大學(xué) 2021 級(jí)聯(lián)培博士生劉映銘，高源助理教授為通訊作者，南方科技大學(xué)為第一完成單位。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)的支持。

圖3. 自動(dòng)對(duì)齊電流相位的負(fù)載無(wú)關(guān)的高效率E類(lèi)功率放大器芯片（論文3）

論文4：高集成度鋰電池雙向充放電芯片

隨著便攜式電子設(shè)備的普及，傳統(tǒng)堿性電池帶來(lái)的環(huán)境污染與資源浪費(fèi)問(wèn)題日益凸顯。以鋰電池替代傳統(tǒng) AA/AAA 電池逐漸成為趨勢(shì)。然而，鋰電池電壓與現(xiàn)有 1.5 V 系統(tǒng)不兼容，且目前線性充電方案效率低、發(fā)熱嚴(yán)重，難以在AA/AAA電池內(nèi)提供大能量的轉(zhuǎn)換，制約了鋰電池的功能。這就要求開(kāi)發(fā)一種高度集成、支持雙向能量轉(zhuǎn)換的電路，在兼顧充電與放電效率的同時(shí)，顯著縮減系統(tǒng)體積?；诖耍狙芯刻岢鲆环N新架構(gòu)的雙向 Buck/Buck 混合變換器：在放電模式下，通過(guò)并聯(lián)電容路徑降低電感電流，減少傳導(dǎo)損耗；在充電模式下，采用反向 Buck 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高效能量回充。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)在充電模式下峰值效率達(dá) 96.3%，放電模式下峰值效率達(dá) 91.4%，并能在全輸入電壓范圍內(nèi)保持 90%以上 的效率。芯片核心測(cè)試板面積僅 5.1 mm × 5.0 mm，遠(yuǎn)小于AA/AAA 電池截面。需要強(qiáng)調(diào)的是，高集成度的雙向充放電電路是所有鋰電池應(yīng)用的共性需求。在具身智能等新興領(lǐng)域，大量分布式設(shè)備均需內(nèi)置類(lèi)似的雙向能量轉(zhuǎn)換單元，本研究提出的方案不僅滿足便攜設(shè)備需求，還具備良好的普適性與可擴(kuò)展性，可為更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景提供基礎(chǔ)支撐。

相關(guān)研究成果“A Bidirectional Buck/Buck Hybrid Converter Achieving 96.3% Charging and 91.4% Discharging Peak Efficiency for Alkaline-to-Li-Ion Replacement” 已在 ESSERC 2025 上報(bào)告。論文第一作者為南方科技大學(xué) 2024 級(jí)碩士生武璇和訪問(wèn)博士生童猜裕，高源助理教授為通訊作者，南方科技大學(xué)為第一完成單位。本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金和廣東省自然科學(xué)基金的支持。

圖4.高集成度鋰電池雙向充放電芯片