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高动态范围混合升压转换器研究方面取得重要进展。相关成果以“A 93%-Peak-Efficiency Battery-Input 12-to-36V-Output Inductor-in-the-Middle Hybrid Boost Converter with Continuous Input and Output Currents and Fast Transient with No RHP Zero”为题发表在集成电路设计领域顶级会议ISSCC（IEEE International Solid-State Circuits Conference）上。

在激光雷达和机器人驱动器等应用中，为了提高传感系统的响应速度，通常需要升压变换器从电池电压（2.7-4.2V）产生12-36V电源，同时具有快速瞬态响应能力。传统 Boost 升压变换器在实现高转换比时，开关导通时间过短，导致高频工作下可靠性问题。电感与功率管承受高压应力，增加导通损耗。另外，低频右半平面零点的存在限制了带宽并降低了瞬态性能，恢复时间通常在百微妙级。现有许多开关电容加电感的混合架构采用电感后置的方案，虽实现连续输出电流和优秀的瞬态性能，但转换比往往较小。

姜俊敏团队提出一种中置电感的连续输入输出的升压变换器（CICO）。电感居中让两侧高低压开关电容（SC）分开，降低了功率管和飞电容的电压应力，实现高效率和高功率密度。电感右侧的两相交错SC使节点电压接近直流，所以可将变换器模型简化为类似传统 Buck 形式，无右半平面零点，实现快速瞬态能力，如下图所示。

图1 前置电感和后置电感拓扑，以及提出的电感中置连续输入输出 CICO 升压变换器

下图为该升压变换器功率级的工作原理。电感左侧为可重构 Dickson 开关电容架构，可实现3/4/5倍升压比，占空比可调制。同时并联分支特性使输入电流被分摊，降低了功率管的电流应力。电感右侧为开环的两相倍压开关电容，占空比为50%，具有连续输出特性。输出纹波较小，所以不需要大量滤波电容。由于电感的电压电流应力被左右侧开关电容缓解，CICO 变换器摒弃了笨重的大体积电感，大大提高了功率密度。

图2 CICO 升压变换器中高低压侧开关电容工作原理

下图为 CICO 升压变换器的电路实现。功率级的开关管均采用 NMOS 管，驱动电路较易实现。主环路采用电压型控制器和III型补偿即可实现较高带宽和良好的稳定性。同时，引入电压校准环路确保右侧开关电容的飞电容电压稳定为输出电压的一半，有利于降低电压纹波和硬充电损耗，提高效率。测试结果显示，采用提出的电容电压校准环路，变换器的整体效率可提高3%。

图3 CICO 升压变换器的具体实现以及电压校准模块对效率的对比

下图的稳态测试结果显示，所提出的 CICO 在宽范围的转换比下均工作正常。电压校准环路使电感右侧节点电压纹波降低近50%，效果显著。图5表明，CICO 变换器可实现最高36V输出的同时最大300mA负载电流，输出功率高达10.8W。测得峰值效率为93%，最大转换比8.5以上，综合性能最优。在50mA至300mA电流跳变、边沿时间50ns条件下，CICO 输出电压恢复时间分别仅为1.4μs微秒和0.6μs，同时平均电压变化仅为1.7%。这一瞬态性能在高转换比升压变换器中非常突出。

图4 稳态波形测试结果

图5 瞬态响应和效率测试结果，以及性能对照图

下图为性能比较。在2.7-4.2V输入、12-36V输出下效率高达93%，最大输出功率10.8W。该变换器具有最小的功率电感体积和输出电容，整体方案的功率密度达到49.5mW/mm3。本工作的瞬态响应性能优异，为高密度、高变比升压变换器提供一种高动态范围方案。

图6 性能对照表格

图7 芯片和PCB实物照片，以及功率器件选型表

南方科技大学电子与电气工程系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：https://ieeexplore.ieee.org/document/10904669

新闻来源：南科大新闻官网

供稿：电子与电气工程系

通讯员：李薇

主图：丘妍

编辑：曾昱雯