中国科大研制新型隔离电源芯片 - 中科大家长论坛

近日，中国科大国家示范性微电子学院程林教授课题组在全集成隔离电源芯片设计领域取得重要成果。研究者提出了一种基于玻璃扇出型晶圆级封装（FOWLP）的全集成隔离电源芯片。所提出的架构通过在单个玻璃衬底上利用三层再布线层（RDL）实现了高性能微型变压器的绕制，并完成与发射和接收芯片的互联，有效地提高了芯片转换效率和功率密度，为今后隔离电源芯片的设计提供一个新的解决方案。该研究成果2月18日以“A 1.25W 46.5%-Peak-Efficiency Transformer-in-Package Isolated DC-DC Converter Using Glass-Based Fan-Out Wafer-Level Packaging Achieving 50mW/mm2 Power Density”为题发表在集成电路设计领域最高级别会议 IEEE International Solid-State Circuits Conference （ISSCC）上。受疫情影响，会议于2021年2月13日至22日在线上举行，该成果还被入选在该会议上进行DEMO演示。

隔离电源芯片对于在恶劣的工业环境中保证系统的安全和可靠性起到至关重要的作用。在一些尺寸和成本受限的应用中，如何高效地在相互隔离的两个地之间传输数百毫瓦的功率是当前面临的一个主要挑战，近年来得到了学术界和工业界的高度关注。与传统隔离电源芯片相比，该研究基于利用先进的玻璃扇出型晶圆级封装技术，将接收和发射芯片通过封装上可再布线层制成的微型变压器进行互联封装，不需要额外的变压器芯片，克服了现有芯片设计中需要三颗甚至四颗芯片的缺点从而大大提高了隔离电源的转换效率和功率密度。此外，该研究中还提出了一种采用了可变电容的功率管栅极电压控制技术，实现了在更宽的电源电压范围下，控制栅极峰值电压使其保持在最佳的安全电压范围，而无需采用特殊厚栅氧工艺的功率管，实现更高的效率和降低成本。最终测试结果表明该隔离电源芯片实现了46.5%的峰值转换效率和最大1.25W 的输出功率，并且最终的封装尺寸仅有5mm×5mm，在目前所报道的无磁芯隔离电源芯片中效率和功率密度均为最高。

论文第一作者为我校微电子学院博士后潘东方，程林教授为通讯作者，这是中国科大首次以第一作者单位在ISSCC上发表论文。ISSCC创建于1953年，是国际上最尖端芯片技术发表之地，每年大约有200篇论文入选。由于ISSCC在学术和产业界受到极大关注，也被称为集成电路设计领域的“奥林匹克大会”。本项研究得到了国家自然科学基金委、科技部和中科院等的资助。