一种高集成低辐射的隔离DC-DC变换器.pdf

引用格式：杨靖，马春宇，孙瑞亭，等一种高集成低辐射的隔离 DC-DC 变换器 J.微电子学与计算机，2023，40（9）：114-118YANG J，MA C Y，SUN R T，et al.A high integration isolated DC-DC converter with low radiated emissionsJ.Micro-electronics&Computer，2023，40（9）：114-118.DOI：10.19304/J.ISSN1000-7180.2022.0800一种高集成低辐射的隔离 DC-DC 变换器杨靖1,2，马春宇1,2，孙瑞亭1,2，张峰1,2，费健1,2（1 中国科学院自动化研究所 国家专用集成电路设计工程技术研究中心,北京 100190；2 北京中科格励微科技有限公司 模拟开发中心,北京 100190）摘要：通过 MEMS 工艺与 0.18 um BCD 工艺的深度融合,设计了一种基于片上变压器的两芯片集成式隔离 DC-DC 变换器.该隔离 DC-DC 变换器隔离耐压 5 kVrms,输入电压为 3 V-5.5 V,输出电压 3.3 V/5 V,峰值效率和最大输出功率分别为 29%和 0.5 W,SOP-8 封装,体积为 7.67 mm*5.8 mm*1 mm.采用随机跳频技术,通过 5-bit 跳频模块控制振荡器的谐振频率在 145 MHz-195 MHz 范围内随机切换,从而降低其电磁辐射,测试表明辐射峰值最大降低25 dBuV.关键词：自适应栅极控制；高度集成；随机跳频；隔离 DC-DC 变换器中图分类号：TN335 文献标识码：A 文章编号：1000-7180（2023）09-0114-05A high integration isolated DC-DC converter with low radiated emissionsYANG Jing1,2，MA Chunyu1,2，SUN Ruiting1,2，ZHANG Feng1,2，FEI Jian1,2（1 National ASIC Design Engineering Center,Institute of Automation,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China；2 Analog Circuit Development Center,Beijing GL-Microelectronics Technology Co.,Ltd,Beijing 100190,China）Abstract：Based on MEMS and 0.18 um BCD process,an isolated DC-DC converter using 5-kVrms integrated on-chiptransformer is proposed.The converter is made up of only two silicon dice,which improves integration and reduces cost.The proposed dcdc converter delivers up to 0.5 W output power with 29%maximum power efficiency in a compact 7.67mm*5.8 mm*1 mm SOP-8 package,and its input voltage is 3 V-5.5 V,output voltage is 3.3 V/5 V.In order to controlradiated emissions,the random frequency hopping technology is used to control oscillators resonant frequency rangingfrom 145 MHz to 195 MHz through 5-bit hopping.A 25 dBuV reduction of maximum harmonic peak value is achieved.Key words：Adaptive Gate control；Highly integration；Random frequency hopping；Isolated DC-DC converter 1引言在医疗电子、工业控制等领域,需要使用隔离DC-DC 变换器以确保人或敏感电路的安全1-2.近年来,随着现代电子设备向小型化发展,多芯片集成的隔离 DC-DC 变换器凭借其小体积、高隔离度的优势逐渐成为工业和学术界的研究热点3-6.2008 年,亚德诺半导体（ADI）公司首次提出使用片上变压器的四芯片集成式隔离 DC-DC 变换器,其中片上变压器采用 MEMS 工艺加工制作,最大输出功率 0.5 W,峰值效率 33%,SOIC-16 封装,体积为 13mm*10 mm*2.65 mm 4.2019 年,该 公 司 在 ISSCC（IEEE International Solid-State Circuits Conference）上提出一种三芯片集成式隔离 DC-DC 变换器,其中功率变压器和信号变压器集成在一颗芯片上,且均采用 MEMS 工艺加工制作,最大输出功率为 0.8 W,峰 收稿日期：2022-11-30；修回日期：2023-01-09 40 卷 第 9 期微 电 子 学 与 计 算 机http:/Vol.40No.92023 年 9 月MICROELECTRONICS&COMPUTERSeptember 2023值效率 34%,SOIC-8 封装,体积为 10 mm*6 mm*2.55mm5.上述报道的隔离 DC-DC 变换器虽然集成度有所提升,但整体仍存在裸芯片数量多,集成度低,体积大和成本高的问题.本文提供一种基于片上变压器的隔离 DC-DC变换器,突破功率变压器与电路集成在同一芯片的技术难点,通过 MEMS 工艺与 BCD 工艺的深度融合,将功率变压器集成在电路上方,从而使得裸芯片数量降低为两片,提高集成度,降低芯片面积；采用随机跳频技术,通过 5 bit 跳频模块控制振荡器的谐振频率在 145 MHz195 MHz 范围内随机切换,从而提高隔离 DC-DC 变换器的 EMC（Electromagnetic Magn-etic Compatibility）性能.该隔离 DC-DC 变换器的输入电压为 3 V5.5 V,输出电压 3.3 V/5 V,峰值效率和最大输出功率分别为 29%和 0.5 W,SOP-8 封装,体积为 7.67 mm*5.8 mm*1 mm.2隔离 DC-DC 变换器原理设计图 1 是基于片上变压器的两芯片集成式隔离DC-DC 变换器的原理框图,包括 LC 交叉耦合振荡器、功率变压器、整流电路和反馈通路,其中反馈通路由 PWM 控制电路、编码电路、解码电路和信号变压器构成.LC 交叉耦合振荡器采用典型的 NMOS 交叉耦合振荡电路,并通过电容分压技术有效控制驱动管的栅极电压,因此可以采用薄栅氧工艺实现,降低寄生及成本.振荡器用于将输入侧芯片的直流功率信号变为交流功率信号并通过变压器传送到输出侧芯片；在输入侧芯片与输出侧芯片电气隔离的条件下实现电能的传送.此外,振荡器中采用随机跳频技术,在振荡器的中心频率上叠加 31 个小频率步径,对中心频率段的辐射能量分散,从而降低隔离 DC-DC变换器的电磁辐射.整流电路为肖特基二极管构成的全桥整流电路,将输出侧功率变压器耦合产生的交流信号变为直流信号,为输出侧电路提供电源电压.反馈通路通过控制输入侧振荡器的工作时间,实现输出的负反馈稳定控制.PWM 控制器产生频率为 625kHz 的脉宽控制信号 PWM1,该信号经过单通道数字隔离器由输出侧芯片隔离传输至输入侧芯片得到PWM2,PWM2控制振荡器的工作时间及谐振频率.片上变压器包括信号变压器和功率变压器,分别集成在输入侧和输出侧芯片中,将变压器与电路集成在一起,有效的减少芯片数量,提升隔离 DC-DC 变换器的集成度.VDDGND1解码跳频电容分压LC 交叉耦合振荡器信号变压器功率变压器整流电路编码PWM控制VISOGND2输入侧芯片输出侧芯片PWM1PWM2反馈通路图 1隔离 DC-DC 变换器的原理框图Fig.1 Isolated DC-DC converter block diagram 2.1片上变压器设计两芯片集成式隔离 DC-DC 变换器的功率变压器为片上变压器,其结构如图 2 所示,功率变压器集成在整流电路上方,底层线圈材料为铝,采用 BCD 工艺的顶层和次顶层金属制作,两层金属使用通孔连接；顶层线圈为中心抽头结构,材料为铜,采用 MEMS 工艺制作,两层线圈之间填充大于 20 um 的聚酰亚胺,以确保 5 kVrms 的隔离耐压.功率变压器的几何设计参数包括线圈内径 Din、线宽 w、线间距 s、厚度 t(b)俯视图(b)Vertical view20 m 聚酰亚胺硅衬底BCD 电路变压器顶层线圈:Cu变压器底层线圈:Al(a)侧视图(a)Side view181512L/nH970140210(c)电感及 Q 值测试结果(c)Measured Inductance and Q valueFrequency/MHz28035002.55.07.5QL1Q1L2Q2图2片上变压器Fig.2 On-chip transformer第 9 期杨靖，等：一种高集成低辐射的隔离 DC-DC 变换器115 以及匝数 N,其结构参数如表 1 所示.表 1 功率变压器几何参数Tab.1 Geometric parameters of on-chip transformer参数Din/mw/ms/mt/mN顶层线圈400602073底层线圈40060205.53 依据平面螺旋电感的计算公式7：L=0N2DavgC12ln(C2/)+C3+C42（1）Dout=Din+2N(w+s)+ws（2）=DoutDinDout+Din（3）Davg=Dout+Din2（4）0=4107式中,真空磁导率,C1=1,C2=2.46,C3=0,C4=0.2.结合式（1）（4）,得到功率变压器的初次级线圈的电感值均为 13.95 nH.功率变压器电感、Q 值测试结果如图 2(c)所示,由图可知,变压器顶层、底层线圈的电感约为 14 nH 与计算结果基本一致,底层线圈的 Q 值在 165 MHz 最大,约为 5.5,因此 LC 交叉耦合振荡器的中心频率设为 165 MHz.2.2LC 交叉耦合振荡器设计如图 3 所示,NMOS 交叉耦合振荡器中包含振荡电容 C1和 C2,中心抽头结构的振荡电感 L1,该电感采用功率变压器原边线圈实现,NMOS 驱动管 MN1和 MN2.其中 C1和 C2可依据公式（5）计算得到,式中振荡频率 f 为 165 MHz,振荡电感 L 为 14 nH.f=12LC（5）VDDC2C1CG1CG231bit 伪随机序列PWM2L1GND电容阵列电容阵列C4C3VREF比较器阵列比例分压电路自适应栅极电压控制模块MN1MN2辅助谐振单元图 3NMOS 交叉耦合振荡器功能框图Fig.3 NMOS cross coupled oscillator block diagram图 3 中 Cg1、Cg2分别是 MN1、MN2栅极结点到地的等效寄生电容,约为 20 pF.分别在 MN1、MN2的栅极和地之间插入电容阵列得到可变电容 C3和C4,MN1和 MN2的栅极电压 VG1和 VG2如下所示：VG1=C1VDDCg1+C1+C3（6）VG2=C2VDDCg2+C2+C4（7）自适应栅极电压控制模块包括比例分压电路和比较器阵列.比例分压电路用于将输入的直流电压VDD 进行分压并输出分压电压；比较器阵列比较分压电压和基准电压,生成控制电容开关阵列的数字控制信号.该信号调节 C3和 C4的容值使其在 1030 pF之间变化,控制 VG1和 VG2为 5 V,因此 NMOS 交叉耦合振荡器在 35.5 V 的宽输入范围内高效且安全的进行 DC-AC 转换.NMOS 交叉耦合振荡器采用随机跳频技术,通过 31 bit 伪随机序列控制 31 个辅助谐振单元实现5 bit 跳频,使得 NMOS 交叉耦合振荡器的谐振频率在 145 MHz195 MHz 范围内随机切换,从而降低隔离 DC-DC 变换器的电磁辐射.其中,步径频率 f 可通过公式（8）计算得到,辅助谐振电容可由公式（5）和公式（8）联合得到.电路中 31 bit 伪随机序列由PWM2信号控制,当 PWM2出现上升沿时,伪随机序列发生一次跳变.f=19514525 1.5 MHz（8）3结果与讨论图 4 为基于片上变压器的两芯片集成式隔离DC-DC 变换器实物图,采用 0.18 um BCD 工艺制作,两芯片面积分别为 1.3 mm*3.1 mm 和 2.089 mm*3.1mm.使用 IEC 61 967 标准规定的 TEM 小室法对隔离 DC-DC 变换器芯片进行电磁辐射测量.图 5 是TEM 小室法测试原理图,TEM 小室左、右两侧分别为信号端口和 50 负载.图 6 是隔离 DC-DC 变换器的电磁辐射测试曲线,采用随机跳频技术后,隔离DC-DC 变换器的谐波峰值明显降低,最大降低幅度25 dBuV.图 7 是隔 DC-DC 变换器的输出电压测试波形图,由图 7（a）和（b）可知,当隔离 DC-DC 变换器实现 3 V-3 V 变换且进入稳态时纹波为 18 mV,当负载在 6 mA54 mA 之间变化时,上冲和下冲分别是488 mV 和 520 mV；由图 7（c）和（d）可知,当隔离DC-DC 变换器实现 5.5 V-5.5 V 变换且进入稳态时116微电子学与计算机2023 年纹波为 35 mV,当负载在 10 mA90 mA 之间变化时,上冲和下冲分别是 636 mV 和 700 mV.1.3 mm3.1 mm3.1 mm2.089 mm图 4隔离 DC-DC 变换器实物图Fig.4 Isolated DC-DC converter photo IC 测试板TEM 小室50 预放(可选)频谱分析仪或 EMI 接收机图 5TEM 小室法测试原理图Fig.5 Schematic diagram of TEM cell measured method 25 dBuV20 dBuV18 dBuV45603015Level in/dBV0100200300未用抖频使用抖频Frequency/MHz400500图 6隔离 DC-DC 变换器电磁辐射测试波形图Fig.6 Radiated emissions of isolated DC-DC convertermeasured waveform 表 2 是本文与其他参考文献报到的 DC-DC 变换器性能对比,由表可知,本文设计的隔离 DC-DC 变换器集成度最高、封装体积最小,且综合性能较高.4结束语本文主要介绍一种基于片上变压器的两芯片集成式隔离 DC-DC 变换器,采用自适应栅极电压控制模块控制振荡器驱动管的栅极电压,使 NMOS 交叉耦合振荡电路应用薄栅氧工艺实现,从而降低成本；采用随机跳频技术,通过 5 bit 跳频模块控制 NMOS交叉耦合振荡器的谐振频率在 145 MHz195 MHz范围内随机切换,从而降低隔离 DC-DC 变换器的电磁辐射；采用 MEMS 工艺与 BCD 工艺的深度融合,将片上变压器集成在电路上方,从而降低裸芯片数量,提高集成度.该隔离 DC-DC 变换器集成度高,具有优越的 EMC 性能,其输入电压为 3 V-5.5 V,输出电压 3.3 V/5 V,峰值效率和最大输出功率分别为 29%和 0.5 W,SOP-8 封装,体积为 7.67 mm*5.8 mm*1 mm.VDD=3 VVISO=3 VVISO=18 mV4 VVDDVISOVDD=3 V520 mV488 mV(a)3.33.3 V 上电及稳态测试波形(a)3.33.3 V start up and steady-state(b)3.33.3 V 切载测试波形(b)3.33.3 V load-transientVDDVISOVDD=5.5 VVISO=5.5 VVISO=35 mV6.16 V(c)55 V 上电及稳态测试波形(c)55 V start up and steady-stateVDD=5.5 V700 mV636 mV(d)55 V 切载测试波形(d)55 V load-transient图7隔离 DC-DC 测试波形图Fig.7 Measured waveform第 9 期杨靖，等：一种高集成低辐射的隔离 DC-DC 变换器117 参考文献：张峰，马春宇，许洪伟，等.基于无芯PCB变压器多路输出隔离DC-DC变换器J.微电子学与计算机，2017，34（6）：123-127.DOI:10.19304/ki.issn1000-7180.2017.06.026.ZHANG F，MA C Y，XU H W，et al.Multiple out-put isolated DC-DC converter with coreless PCB trans-formersJ.Microelectronics&Computer，2017，34（6）：123-127.DOI:10.19304/ki.issn1000-7180.2017.06.026.1 南岚，王英武，王永杰，等.一种基于GaN器件的兆赫兹DC/DC变换器设计J.微电子学与计算机，2022，39（8）：127-134.DOI:10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.1298.NAN L，WANG Y W，WANG Y J，et al.A design ofMHz DC/DC converter based on GaNJ.Microelectron-ics&Computer，2022，39（8）：127-134.DOI:10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.1298.2 郭卓奇，耿莉.便携式设备电源管理研究现状与进展3J.微电子学与计算机，2022，39（1）：7-16.DOI:10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.1215.GUO Z Q，GENG L.Research status and progress ofpower management in portable equipmentJ.Microelec-tronics&Computer，2022，39（1）：7-16.DOI:10.19304/J.ISSN1000-7180.2021.1215.CHEN B X.Fully integrated isolated dc-dc converter us-ing micro-transformersC/Proceedings of 2008 Twenty-Third Annual IEEE Applied Power Electronics Confer-ence and Exposition.Austin:IEEE,2008:335-338.DOI:10.1109/APEC.2008.4522743.4 ZHUO Y,MA S Y,ZHAO T T,et al.15.4 A 52%peak-ef-ficiency 1 W isolated power transfer system using fullyintegrated magnetic-core transformerC/Proceedings of2019 IEEE International Solid-State Circuits Conference.San Francisco:IEEE,2019.DOI:10.1109/ISSCC.2019.8662301.5 QIN W H,YANG X,MA S Y,et al.15.5 An 800 mWfully integrated galvanic isolated power transfer systemmeeting CISPR 22 class-B emission levels with 6dB mar-ginC/Proceedings of 2019 IEEE International Solid-State Circuits Conference.San Francisco:IEEE,2019.DOI:10.1109/ISSCC.2019.8662349.6 ZHAO J.A new calculation for designing multilayerplanar spiral inductorsJ.EDN，2010，55（14）：37-40.7作者简介：杨靖男,（1979-）,硕士,工程师.研究方向为模拟集成电路设计.马春宇（通讯作者）女,（1986-）,硕士,工程师.研究方向为集成电路设计及电磁理论.E-mail：machunyuzk-.孙瑞亭女,（1986-）,工程师.研究方向为模拟集成电路设计.张峰男,（1977-）,博士,研究员.研究方向为人工智能及集成电路设计.费健男,（1985-）,工程师.研究方向为模拟集成电路测试.表 2 本文与其他隔离 DC-DC 变换器性能对比Tab.2 Performance comparison between this paper and otherisolated DC-DC converter文献4文献5本文耐压5 kVrms5 kVrms5 kVrms输入电压/V4.5-5.54.5-5.53-5.5输出电压/V53.3/53.3/5最大功率/W0.50.80.5峰值效率33%34%29%微变压器片上变压器片上变压器片上变压器集成度4片3片2片封装形式SOIC-16SOIC-8SOP-8封装体积/mm310*13*2.6510*6*2.557.67*5.8*1118微电子学与计算机2023 年