近日，南方科技大學(xué)深港微電子學(xué)院高源助理教授團隊在高性能電源管理芯片領(lǐng)域取得重要進展。團隊成功設(shè)計實現(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)計領(lǐng)域的國際頂級會議。其中，一篇發(fā)表于2025 年超大規(guī)模集成電路國際研討會（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)中心對高功率密度電源的需求呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。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，被認(rèn)為是高功率密度電源的理想選擇。然而，在服務(wù)器電源長時間、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。高源團隊長期聚焦于 GaN 驅(qū)動架構(gòu)與片上技術(shù)研究，旨在通過驅(qū)動芯片提升功率器件的系統(tǒng)級可靠性。驅(qū)動芯片不僅需要提供穩(wěn)定的驅(qū)動，還必須集成精準(zhǔn)控制、保護與故障診斷等多重功能，才能全面保障系統(tǒng)的可靠運行。針對 800V 及以上電壓應(yīng)用，耗盡型 GaN（D-GaN）相較增強型 GaN 具有更穩(wěn)定的工藝優(yōu)勢，但基于 D-GaN 的傳統(tǒng) Cascode 方案在高頻運行時效率和可靠性不足，且難以兼顧軟開關(guān)與硬開關(guān)的性能需求。為此，團隊提出了一種可重構(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，在單芯片中實現(xiàn)負(fù)壓生成與柵極能量回收；同時實現(xiàn)外部驅(qū)動電感由傳統(tǒng)的 μH 級縮減至 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 月在日本京都召開的超大規(guī)模集成電路國際研討會（2025 Symposium on VLSI Technology and Circuits, VLSI Symposium）上報告。論文第一作者為南方科技大學(xué) 2022 級博士生儲鵬，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。本研究得到了國家自然科學(xué)基金和深圳市科技創(chuàng)新委員會的支持。

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)開關(guān)電容激光二極管驅(qū)動芯片

激光二極管（LD）驅(qū)動廣泛應(yīng)用于自動駕駛與具身智能中的激光雷達，以及醫(yī)療光聲成像等新興領(lǐng)域。此類應(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)動存在硬充電導(dǎo)致效率不足（通常低于 50%）、能量浪費嚴(yán)重、體積龐大及散熱困難等問題。開關(guān)電容方案雖可降低損耗，但需多個片外電容，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。針對這些挑戰(zhàn)，團隊提出了一種緊湊型可重構(gòu)開關(guān)電容充電器，采用自適應(yīng)多步充電技術(shù)，并基于電流檢測實現(xiàn)動態(tài)切換，從而最大化開關(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)控制可實現(xiàn) 32.6 V 高壓脈沖輸出，單周期脈沖能量達 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產(chǎn)生，在實現(xiàn)高能量與高效率的同時，顯著縮小系統(tǒng)尺寸，為集成化 LD 驅(qū)動器的小型化奠定了核心基礎(chǔ)。此外，該技術(shù)亦可擴展至陣列激光雷達等場景，用于驅(qū)動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日在德國慕尼黑舉辦的the European Solid-State Electronics Research Conference (ESSERC 2025)上報告。論文由南方科技大學(xué) 2020 級碩士生林大智與 2024 級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。本研究得到國家自然科學(xué)基金和深圳市科技創(chuàng)新委員會的支持。

圖2. 緊湊型可重構(gòu)開關(guān)電容激光二極管驅(qū)動芯片（論文2）

論文3：自動對齊電流相位的負(fù)載無關(guān)的高效率E類功率放大器芯片

隨著對消費電子設(shè)備快速無線充電的需求不斷增長，緊湊型高功率無線電能傳輸（WPT）系統(tǒng)的需求也在迅速上升。相比 D 類功率放大器，E 類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 類功率放大器依賴于零電壓開關(guān)（ZVS）來降低開關(guān)損耗，但在實際應(yīng)用中，負(fù)載變化會導(dǎo)致難以維持 ZVS。具體表現(xiàn)為：實部阻抗 Re(Z) 的波動（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（由開關(guān)頻率與發(fā)射端/接收端 LC 諧振頻率失配引起），均會扭曲輸出電壓波形，從而導(dǎo)致硬開關(guān)損耗與體二極管導(dǎo)通損耗，顯著降低效率。為解決上述問題，團隊提出了一種6.78 MHz 自動對齊電流相位的負(fù)載無關(guān) E 類功率放大器。基于 E 類逆變器的負(fù)載獨立原理，設(shè)計了一種自動對齊回路：通過占空比控制的開關(guān)電容結(jié)構(gòu)，能夠快速適應(yīng)實部阻抗變化，并有效補償虛部阻抗失配。因此，該功率放大器在所有開關(guān)條件下均能保持 ZVS，并在負(fù)載瞬態(tài)及驅(qū)動可重構(gòu)諧振調(diào)節(jié)整流器時實現(xiàn)高效功率傳輸。實驗結(jié)果顯示，系統(tǒng)最大輸出功率達到 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 日在德國慕尼黑舉行的 歐洲固態(tài)電子研究會議（ESSERC 2025）上報告。論文第一作者為南方科技大學(xué) 2021 級聯(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。本研究得到了國家自然科學(xué)基金和深圳市科技創(chuàng)新委員會的支持。

圖3. 自動對齊電流相位的負(fù)載無關(guān)的高效率E類功率放大器芯片（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)堿性電池帶來的環(huán)境污染與資源浪費問題日益凸顯。以鋰電池替代傳統(tǒng) AA/AAA 電池逐漸成為趨勢。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，顯著縮減系統(tǒng)體積。基于此，本研究提出一種新架構(gòu)的雙向 Buck/Buck 混合變換器：在放電模式下，通過并聯(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)實現(xiàn)高效能量回充。實驗結(jié)果表明，該設(shè)計在充電模式下峰值效率達 96.3%，放電模式下峰值效率達 91.4%，并能在全輸入電壓范圍內(nèi)保持 90%以上 的效率。芯片核心測試板面積僅 5.1 mm × 5.0 mm，遠(yuǎn)小于AA/AAA 電池截面。需要強調(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展性，可為更廣泛的應(yīng)用場景提供基礎(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 上報告。論文第一作者為南方科技大學(xué) 2024 級碩士生武璇和訪問博士生童猜裕，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