近日，南方科技大学电子与电气工程系副教授姜俊敏团队在混合升压转换器研究方面取得重要进展。相关成果以“A 2.5–5-V Input 100-V Output 86.2% Peak Efficiency Fibonacci–Dickson Hybrid Converter for Acoustic Surface Audio Driver”为题发表在集成电路设计领域顶级期刊《固态电路杂志》(IEEE Journal of Solid-State Circuits, JSSC)上。

近年来，声表面音频屏幕技术快速发展，其在大型OLED电视、手机、微型机器人和可穿戴设备中的应用日益广泛。该技术通过屏幕表面直接发声，提供更真实、动态的音频效果，同时减少传统扬声器的体积，实现了“零孔”屏幕设计，显著提升设备的防水防尘性能。然而，如图1（a）所示，声表面音频驱动需要高达50-100V的驱动电压，而设备通常由锂电池或USB电源供电（典型值为2.5-5V），因此需要升压变换器来实现20倍以上的电压转换比（VCR）。

传统Boost升压变换器在实现如此高VCR时，需将开关导通时间降至极小，同时电感和功率管电压应力非常高，面临低可靠性、低效率和低功率密度等问题。此外，传统开关电容变换器（如Fibonacci和Dickson架构）虽易于实现高转换比，但存在高压侧器件耐压高、飞跨电容数量较多等问题，，且难以兼顾宽VCR范围于高效率，如图1（b）所示。近年来，基于电感和开关电容的混合（hybrid）架构应用广泛。该类架构结合了电感型变换器的占空比调制VCR，以及开关电容的低耐压优势，可同时实现高转换比、高效率和高功率密度。典型的hybrid升压架构为反串联电容升压（Reverse DSD converter，RDSD）架构。该架构具有电容软充电和双电感均衡分流等优点。然而，RDSD架构的VCR范围有限，在占空比为0.5时，升压转换比仅为4倍。

图1 （a）高VCR升压转换器的声学表面应用 （b）传统升压架构的优缺点

基于Fibonacci和Dickson开关电容的结构，姜俊敏研究团队对RDSD架构进行了扩展，提出了一种具有超高转换比的混合变换器FDHB。该架构显著扩展了VCR范围，同时使飞跨电容和功率开关的电压应力更为均衡，兼顾了高转换效率和高功率密度。此外，针对传统高压工艺中隔离环的寄生三极管可能引起的漏电流问题，研究团队采用了SOI工艺进行设计和制造，进一步提高了系统可靠性和转换效率。

图2 （a）所提出的超高转换比升压变换器FDHB （b）与近年升压架构的性能对比

如图2所示，研究团队在功率级的输入电感右侧分别引入了4级Fibonacci和2级Dickson开关电容结构。其中，前级Fibonacci工作在相对低压侧，使用较少飞电容和功率开关便实现了大转换比。而在靠近输出端的高压侧，采用2级Dickson结构进一步提高了VCR，同时缓解了输出侧飞电容和功率开关的电压应力。与近年来的升压架构相比，该功率级具有最小的综合电压电流应力。与传统Boost相比，应力降低幅度可达70%。工作在占空比为0.5时，即可使5V电压转换为100V输出，实现20倍转换比。

此外，研究团队采用了堆叠式主动自举电路替代传统自举二极管，通过主动控制开关管的导通关断，克服了二极管的正向压降问题，从而降低了功率管的导通损耗。最终，该工作经过180nm SOI工艺流片验证，芯片和PCB实物图如图3（a）所示。从图3（b）测试结果看出，该变换器成功实现了2.5-5V输入、100V的输出电压，最大输出功率高达2W，峰值效率达86.2%，功率密度为7.43 W/cm3。同时，如图3（c）所示，在5V输入、100V输出条件下，20ns的负载电流阶跃（1mA至10mA）仅引起2.5‰的输出电压波动，瞬态恢复时间分别为40μs（下冲）和62.5μs（过冲），表现出优异的动态性能。所提出的FDHB变换器在实现最高转换比高达40倍的同时，实现了86.2%的峰值效率，综合性能为近年来升压变换器中最高水平。

图3. （a）芯片显微照片及印刷电路板照片 （b）测得效率与负载电流、VCR和输出电压的曲线 （c）瞬态响应测试结果

南方科技大学电子与电气工程系姜俊敏课题组访问博士生姜一帆为论文第一作者，南方科技大学为第一单位，姜俊敏和清华大学教授路延为该论文的共同通讯作者。

论文链接：doi.org/10.1109/JSSC.2025.3541341

新闻来源：南科大官网

供稿单位：电子与电气工程系

文字：姜一帆

通讯员：李薇

主图：丘妍

编辑：周易霖