【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院施毅教授/邱浩副教授團隊在無線能量傳輸技術(shù)的研究取得重要進展。
 

　　侵入式腦機接口需長期工作于人體內(nèi)部，受限于生物安全性與密閉生理環(huán)境，設(shè)備無法依賴物理導(dǎo)線供電，必須采用無線供能技術(shù)。同時，其緊湊的封裝結(jié)構(gòu)嚴重制約了散熱能力，芯片功耗轉(zhuǎn)化的熱量若無法及時導(dǎo)出，不僅會導(dǎo)致電路性能衰退，還可能引發(fā)器件失效甚至周圍組織熱損傷。因此，最大限度提升能量轉(zhuǎn)換效率、降低自身熱耗散成為電源管理設(shè)計的核心訴求。在此背景下，單級可調(diào)壓雙輸出整流技術(shù)因能兼顧微型化體積與高能效，被視為實現(xiàn)侵入式設(shè)備長效、安全供能的理想方案，近年來備受學(xué)界關(guān)注。
 

　　然而，該技術(shù)目前仍面臨三大挑戰(zhàn)：一是傳統(tǒng)架構(gòu)多采用時分復(fù)用或半波整流，有效充電窗口受限，致使輸出功率與轉(zhuǎn)換效率偏低；二是多路輸出難以實現(xiàn)獨立精準穩(wěn)壓，現(xiàn)有拓撲常因電壓耦合或滯回控制失配導(dǎo)致紋波超標；三是普遍依賴PMOS有源二極管，其顯著的導(dǎo)通與開關(guān)損耗在微型侵入場景下易引發(fā)局部發(fā)熱，降低系統(tǒng)可靠性。因此，如何在嚴苛的體積與熱約束下，同時實現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率、低輸出紋波、雙路獨立穩(wěn)壓整流，已成為突破侵入式腦機接口長效、安全供能的核心難題。
 

　　針對上述問題，研究團隊提出了一種新型高效率單級雙輸出穩(wěn)壓整流器拓撲，可在半周期內(nèi)同時為雙輸出進行充電，突破了傳統(tǒng)設(shè)計中時間復(fù)用模式的限制，顯著提升負載功率、供電電壓質(zhì)量和能量轉(zhuǎn)換效率。進一步，提出的創(chuàng)新型電荷分配模式，能夠有效緩解雙輸出負載條件失衡導(dǎo)致問題，通過自適應(yīng)優(yōu)化多輸出端間電荷分配，有效拓寬了額定輸出電流范圍，顯著提升了電路的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。
 

　　該芯片采用0.18 μm CMOS工藝進行了流片驗證，實測結(jié)果表明，測試結(jié)果表明：在穩(wěn)態(tài)情況下，實現(xiàn)了92.2%的峰值效率和131mW的峰值負載功率，雙輸出電壓分別穩(wěn)定在3.3V和1.6V，對應(yīng)的最大紋波電壓控制在50mV和75mV；在大負載切換(×15)情況下，實現(xiàn)高速響應(yīng)的同時避免了雙輸出之間的耦合干擾。多個核心指標刷新了國際報道相關(guān)工作的最高記錄。
 

　　相關(guān)成果于04月16日以“A 6.78-MHz single-stage regulating rectifier with dual outputs simultaneously charged in a half cycle achieving 92.2 % efficiency and 131 mW output power”為題在線發(fā)表于集成電路頂刊IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC)。電子科學(xué)與工程學(xué)院2024級博士生莊泉榮是論文的第一作者，邱浩副教授和施毅教授是論文的共同通訊作者，IBM托馬斯?J?沃森研究中心的張信研究員對該工作進行了指導(dǎo)。研究得到了國家自然科學(xué)基金重點項目、首批海外優(yōu)青項目、面上項目、創(chuàng)新研究群體項目等的資助，以及光電材料與芯片技術(shù)教育部工程中心、未來智能芯片交叉研究中心的支持。