文章导读

随着物联网、可穿戴设备和无线传感器网络的快速发展，低功耗电子系统对高效电源管理方案的需求日益迫切。能量收集技术通过将环境能量转化为电能，为小型自治设备供电提供了新思路，但其输出电压往往不稳定，需借助DC-DC转换器进行调节。传统电荷泵 (Charge Pump, CP) 因结构简单、易于集成而备受关注，但其单一工作模式 (升压或降压) 限制了应用场景，且电感式转换器存在体积大、成本高等问题。来自希腊帕特雷大学的George Souliotis教授团队在 Journal of Low Power Electronics and Applications 上发表题为”Buck-Boost Charge Pump Based DC-DC Converter”的研究论文，提出一种新型无电感双模升降压电荷泵架构，通过重构输入输出连接即可实现升降压模式切换，为解决多场景电源管理需求提供了创新方案。

研究内容

1. 双模电荷泵架构设计

该转换器基于交叉耦合逆变器拓扑，核心电路由两个PMOS、两个NMOS晶体管和两个飞跨电容 (210 pF) 构成。通过切换输入输出端口连接方式，同一电路可分别实现升压和降压模式：

• 升压模式 (输入1.2-1.8 V，输出1.8 V)：在时钟信号驱动下，飞跨电容交替充电至输入电压，并通过交叉耦合结构将电荷叠加至输出端，理论输出电压为输入电压的2倍。
• 降压模式 (输入3.2-3.6 V，输出1.5 V)：飞跨电容在输入与输出间形成分压结构，输出电压为输入电压的1/2。

2. 关键模块实现

• 振荡器：采用环形振荡器设计，输出35 MHz时钟信号，支持自由运行模式，功耗仅1 V供电。
• 比较器：带迟滞功能的比较器动态监测输出电压，当电压低于阈值时激活振荡器，高于阈值时关闭，确保输出纹波控制在±5%以内。
• 电平移位器与驱动电路：根据工作模式调整时钟信号幅值，升压模式使用输入电压 (VL=1.2-1.8 V)，降压模式采用输出电压 (VL=1.5 V) 作为驱动电平。

3. 效率与性能验证

• 基于TSMC 65 nm CMOS工艺的版图设计显示，芯片面积仅769.4×551.2 μm²。
• 升压模式：输入1.3 V时效率达63%，负载电流5 mA下输出电压稳定在1.8 V。
• 降压模式：输入3.4 V时效率达72%，PVT (工艺-电压-温度) 角仿真验证了-40°C至125°C范围内的鲁棒性。

4. 与同类方案对比

相比传统电感式升降压转换器 (效率>97%)，该方案虽效率略低 (升压63%/降压72%)，但通过无电感设计实现了完全集成，显著降低面积成本。与单模电荷泵相比，双模架构在相同面积下支持更广泛的应用场景，且输出阈值可通过比较器电阻灵活调整。

研究总结

该研究提出的双模电荷泵DC-DC转换器通过创新性电路重构，在单一芯片上实现了升降压功能切换，解决了传统方案需独立电路导致的面积冗余问题。采用65 nm CMOS工艺验证表明，该设计在1.8 V升压和1.5 V降压模式下均具备良好的负载驱动能力与温度稳定性，效率接近理论极限。其无电感、全集成的特性为物联网设备、能量收集系统等低功耗场景提供了高性价比的电源管理解决方案，未来可通过优化开关频率与电容尺寸进一步提升性能边界。

原文出自 JLPEA 期刊

Keramida, E.; Souliotis, G.; Vlassis, S.; Plessas, F. Buck-Boost Charge Pump Based DC-DC Converter. J. Low Power Electron. Appl. 2023, 13, 27. https://doi.org/10.3390/jlpea13020027

JLPEA 期刊介绍

期刊旨在发表低功耗电子方向的创新研究和重要成果。期刊范围涵盖的主题包括但不限于新兴电子器件和工艺技术、模拟、数字和混合信号 VLSI 电路、架构和系统设计、SoC 和嵌入式系统、能量采集和无电池系统、综合和优化工具，以及用于低功耗设计的 CAD 工具和方法。目前被 Scopus、ESCI 等数据库收录。

• 2024 Impact Factor: 1.8
• 2024 CiteScore: 4.3