在集成电路系统中，电源电路（Power Circuits）不仅仅负责提供稳定的工作电压，它还直接影响到系统的整体能效和热稳定性。随着移动通信、高性能计算以及物联网设备的快速发展，系统对电源管理的需求已经从单纯的“稳压”演变为“高效率、快速动态响应、超低静态功耗和高集成度”。电源管理集成电路（PMIC）的设计，实质上是在有限的芯片面积内，通过复杂的反馈控制算法和新型功率器件，优化电能的分配与转换。
图 1 电源电路设计进入现代集成阶段
电源电路设计随着半导体技术的发展，经历了从模拟控制到数字化、集成化的演进过程。早期阶段主要采用线性稳压器（LDO），其优点是噪声低、结构简单、面积较小，但在输入输出压差较大时效率较低，且功耗主要以热损耗形式消耗。随着脉宽调制（PWM）技术和功率MOSFET工艺的成熟，开关电源（SMPS）逐渐成为主流，DC-DC转换器的效率显著提高，通常可达到90%以上。进入SoC（片上系统）时代后，电源管理逐渐向高度集成化发展，通过开关电容电源和数字电源管理（Digital Power）等技术，将电源模块直接集成在芯片内部，并结合动态电压频率调节（DVFS）等策略，实现更精细和高效的电压控制。到2026年，电源电路设计的研究前沿主要集中在高频化与极低功耗两个方向：一方面，为减小电感、电容等被动器件的体积，DC-DC转换器的开关频率不断提升，已向10 MHz甚至100 MHz发展，同时需要解决高频条件下的开关损耗与系统稳定性问题；另一方面，在物联网（IoT）等低功耗应用中，电源芯片的静态电流需要降低到纳安（nA）级，以延长电池寿命。此外，随着存算一体和新型存储器的发展，电源电路还需要具备更快的瞬态响应能力，通过电源与系统的协同设计，应对突发计算任务带来的电流浪涌，保证系统运行的稳定性和计算精度。
课题组侧重点与优势
1.宽输入范围高效电源电路设计
本课题组基于 Cadence Virtuoso 与 Hspice 平台开展 200 kHz 以上高频开关电源电路设计，并结合 Verilog-A 完成数字反馈控制电路的建模与验证，以实现 宽输入范围、高功率因数（PFC）、低纹波输出及低功耗 的电源性能。在电路设计方面，通过 削峰填谷（Valley Switching）技术在谐振谷底切换开关管以降低开关损耗，并在 DCM 模式下通过调节死区时间提升轻载效率，同时利用 功率因数校正（PFC） 使输入电流波形跟踪电压波形，从而实现高功率因数。针对 多路输出电源交叉调整率 的问题，采用 加权电压反馈与同步整流策略，并通过 三明治绕法（主功率绕组居中）减小漏感差异；在次级整流部分使用 10 mΩ 级 MOSFET 替代肖特基二极管，以稳定变压器匝数与电压传输关系并改善交叉调整率，同时通过 双闭环反馈结构实现主路输出精密调节与辅路输出加权补偿。此外，在控制策略上结合 数字控制技术，利用 Verilog-A 实现 数字 PI 控制与前馈补偿，以快速抑制输入电压扰动，并通过 自适应算法根据输入电压范围自动切换 Buck/Boost 工作模式；同时实时监测开关管导通电阻波形并结合开关频率漂移分析进行预测性维护，从而提升系统可靠性并便于故障诊断。
图 2 一种数字反馈控制方案
2.宽禁带半导体（GaN/SiC）驱动与电源集成
本课题组专注于第三代宽禁带半导体功率器件的应用研究与系统集成，重点围绕氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）功率器件在栅极驱动设计、高频电源系统集成及可靠性优化等关键技术开展研究，致力于推动宽禁带半导体技术在新能源、电动汽车、数据中心及工业电源等领域的产业化应用。在栅极驱动方面，针对 GaN HEMT 超快开关速度带来的高 dv/dt 问题，研究能够抑制振铃并降低电磁干扰（EMI）的高速驱动电路拓扑；针对 SiC MOSFET，开发具有米勒钳位和 dv/dt 可控特性的有源栅极驱动（AGD）技术，以解决桥臂串扰并优化开关损耗，同时开展磁隔离与容隔离驱动芯片设计，提升系统的高共模瞬态抗扰度（CMTI）。在电源系统集成方面，基于 GaN 器件研究 LLC 谐振变换器和无桥图腾柱 PFC 等高频拓扑结构，实现 MHz 级高功率密度电源变换器；结合 SiC 器件探索 ANPC、T-type 等多电平拓扑在高效率功率变换中的损耗均衡与调制策略；同时面向 MHz 级高频工作条件，开发平面变压器（Planar Transformer）与集成磁路（Integrated Magnetics）技术，以降低高频工况下的磁芯损耗和绕组损耗，从而提升系统整体效率与功率密度。
图 3 GaN/SiC性能优势
已取得的研究进展
参考文献
[1] G. Z. Abdelmessih, J. M. Alonso, and W.-T. Tsai, “ Analysis and experimentation on a new high power factor off-line led driver based on interleaved integrated buck flyback converter,” IEEE Trans. Ind. Appl., vol. 55, no. 4, pp. 4359– 4369, Jul./Aug. 2019.
[2] H. Tian, M. Chen, C. Nie, G. Liang, and X. Xiao, “ A more efficient singlephase AC/DC converter with automatic PFC and power decoupling capability,” IEEE Trans. Transport. Electrific., vol. 8, no. 3, pp. 3977– 3988, Sep. 2022.
[3] H. Li, S. Li, W. Xiao, and S. Y. R. Hui, “ A modulation method for capacitance reduction in active-clamp flyback-based AC– DC adapters, ” IEEE Trans. Power Electron., vol. 37, no. 8, pp. 9455– 9467, Aug. 2022.
[4] S. -H. Hung et al., “Full-Chip ESD for the Monolithic GaN-Based Gate Driver With Ultra-Low Leakage Current,” 2025 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 2025, pp. 1-4, doi: 10.1109/IEDM50572.2025.11353697.