本期分享的科研成果來自中科大、港科大與中科院微電子所的聯(lián)合課題組，其團(tuán)隊(duì)研制的無線充電芯片峰值效率可達(dá)92.3％，迄今同類研究中報(bào)道的國際最高效率，其成果獲得了2020年IEEE ASP-DAC的最佳設(shè)計(jì)獎(jiǎng)，有望助力無線充電技術(shù)的進(jìn)一步成熟。

研究背景

在大家日常所熟悉的手機(jī)領(lǐng)域，無線充電已經(jīng)從5瓦發(fā)展到65瓦功率，高端電動(dòng)汽車上的無線充電技術(shù)也開始向中級(jí)和緊湊型下放，可以預(yù)見無線充電將會(huì)成為未來充電技術(shù)的重要發(fā)展方向，在消費(fèi)電子、生物醫(yī)療電子、物聯(lián)網(wǎng)以及電動(dòng)汽車等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，一直備受學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。與傳統(tǒng)有線充電具有穩(wěn)定的直流電壓相比，無線充電芯片首先需要對通過線圈耦合得到的交流電壓進(jìn)行整流和穩(wěn)壓。由于經(jīng)過多級(jí)功率處理，充電效率大大降低，并且嚴(yán)重限制了充電功率。

為解決這項(xiàng)難題，中科大與港科大和中科院微電子所的聯(lián)合課題組提出了一種應(yīng)用于諧振型無線功率傳輸?shù)男滦蜔o線充電芯片架構(gòu)。相關(guān)研究成果于2020年4月以“A 6.78-MHz Single-Stage Wireless Charger With Constant-Current Constant-Voltage Charging Technique”為題發(fā)表于IEEE Journal of Solid-State Circuits。程林教授為論文第一作者和通訊作者。該項(xiàng)成果在2019年Symposia on VLSI Technology and Circuits會(huì)上時(shí)即被評(píng)為技術(shù)亮點(diǎn)（Technical Highlights）論文，其后發(fā)表于IEEE JSSC并獲得了2020年IEEE ASP-DAC的最佳設(shè)計(jì)獎(jiǎng)（Best Design Award）。

基本特性

該研究提出了一種基于可重構(gòu)諧振調(diào)節(jié)整流器的單級(jí)無線充電架構(gòu)，首次將整流、穩(wěn)壓和恒流-恒壓充電三個(gè)功能在單個(gè)功率級(jí)內(nèi)完成，克服了現(xiàn)有芯片設(shè)計(jì)中需要兩級(jí)或三級(jí)級(jí)聯(lián)的缺點(diǎn)，從而大大提高了芯片的充電效率和集成度。此外，該研究還提出了一種片上柵壓自舉技術(shù)，采用了一種自適應(yīng)相位數(shù)控制的單輸入雙輸出倍壓器將自舉電容集成在片上，進(jìn)一步提高了芯片的集成度。采用0.35μm CMOS工藝流片，測試結(jié)果表明芯片在充電電流為1A時(shí)，峰值效率可達(dá)92.3％，為迄今同類工作中報(bào)道的國際最高效率。該架構(gòu)為今后諧振型無線充電芯片的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)高效的解決方案。

模型與測試結(jié)果

這里給大家選取了原理結(jié)構(gòu)圖和部分測試結(jié)果：

無線充電電路示意圖

芯片結(jié)構(gòu)光學(xué)實(shí)拍圖

測試步驟

不同電壓條件下的穩(wěn)態(tài)波形(a)Vbat=2.8伏；(b)Vbat=3.3伏；(c)Vbat=3.6伏；(d)Vbat=4.0伏

轉(zhuǎn)換效率測量

前景展望

無線充電聯(lián)盟（WPC）主席諾·特雷弗斯曾斷言無線充電最終會(huì)像WiFi一樣無處不在，而現(xiàn)在無線充電技術(shù)的快速發(fā)展確實(shí)在消費(fèi)電子和汽車電子領(lǐng)域展現(xiàn)了其便利與實(shí)用性，小編非常期待能看到《三體》中可隨時(shí)隨地的無感無線充電技術(shù)，真正改變?nèi)祟惖纳罘绞?。本?xiàng)研究成果在無線充電效率問題上給出了更高效的解決方案，想必將會(huì)助力無線充電技術(shù)的進(jìn)一步成熟和普及。

原文標(biāo)題：科研前線 | 中科大無線充電芯片獲2020年IEEE ASP-DAC的最佳設(shè)計(jì)獎(jiǎng)

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