一种有效降低损耗的压电式DC-DC转换器开发案例

据麦姆斯咨询报道，美国加州大学圣迭戈分校（University of California San Diego）和法国原子能委员会电子信息技术研究所（CEA-Leti）的科学家们开发出了一种突破性的压电式DC-DC转换器，可将所有功率开关统一到单个芯片上，从而提高了功率密度。这种新型功率拓扑结构超越了现有拓扑结构，融合了压电式转换器和电容式DC-DC转换器的优势。

该联合研究团队开发的功率转换器相比目前应用的大尺寸笨重电感器要小得多。该器件最终可用于任何类型的DC-DC转换，从智能手机、计算机到服务器群以及增强现实/虚拟现实（AR/VR）头戴式设备等。

据麦姆斯咨询报道，该研究成果已经以“An Integrated Dual-side Series/Parallel Piezoelectric Resonator-based 20-to-2.2V DC-DC Converter Achieving a 310% Loss Reduction”为题发表于ISSCC 2024会议论文。

该论文显示，其双侧串联/并联压电谐振器（DSPPR）是首次应用于基于压电谐振器的功率转换，与之前已有报道的电压转换比（VCR）<0.125的分立式设计相比，其损耗降低了310%。

美国加州大学圣迭戈分校电气与计算机工程系教授、该论文通讯作者Patrick Mercier说：“这种创新方法提高了性能，尤其是在低电压转换比下，此前的研究一直难以保持压电材料的高效率及最佳利用率。”

该论文中解释称，与分立式设计相比，混合DSPPR转换器利用了集成电路在小面积内提供复杂功率级的能力，并能在电压转换比小于0.1的情况下实现器件的高效运行。

CEA-Leti硅元件部门科学总监Gael Pillonnet表示：“该集成电路为将所有功率开关整合到单个芯片上提供了独特机遇，大大减少了PCB的占位面积，并提高了相位控制精度。”

此外，在压电DC-DC转换器前级和后级加入额外的电容式转换器，还有助于提高性能。

“这种集成策略减少了对压电材料的需求，从而使转换器更加紧凑，总体积明显缩小。”Pillonnet说：“与本研究所提出拓扑结构带来的巨大收益相比，额外电容器的边际增长不到10%，就显得微不足道了。”

该研究所开发的DC-DC转换器（尤其是低VCR范围内），在各行各业都有广泛的应用潜力，如大功率计算服务器、汽车系统、USB充电器以及电池供电设备等。

审核编辑：刘清