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一种用于全集成AMLED微显示系统的多相开关电容转换器

DOI：10.1109/tpel.2019.2951799 期刊：IEEE Transactions on Power Electronics 出版年份：2019 更新时间：2025-09-16 10:30:52
摘要： 一款全集成开关电容（SC）直流-直流转换器专为有源矩阵发光二极管（AMLED）微显示系统供电而设计。采用具有三种电压转换比的堆叠晶体管技术，以适应2.6V至4.2V的锂离子电池电压范围并降低开关损耗。通过101相交错方案实现：(1)显著减小输出电压纹波ΔVO；(2)无需外部输出电容；(3)将SC功率单元物理级联环绕LED阵列及驱动器以降低导通损耗。采用0.18μm 1P6M CMOS工艺设计了两款测试芯片：首款为纯SC转换器测试芯片，输出电压4.2V，实测最大ΔVO为52mV，功率密度74.4mW/mm2，峰值效率81%，最大输出功率258mW；第二款为系统芯片，通过倒装封装集成SC转换器与AMLED阵列及驱动器，在SC模式下提供216mW最大功率并实现78%峰值效率，线性稳压模式下峰值效率达91%。
作者： Junmin Jiang，Xun Liu，Wing-Hung Ki，Philip K. T. Mok，Yan Lu
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

设计一款全集成开关电容DC-DC转换器，用于驱动有源矩阵发光二极管（AMLED）微显示系统，该转换器需具备宽输入电压范围（2.6V至4.2V）处理能力，同时实现高效率与低输出电压纹波。

研究成果

所提出的全集成开关电容DC-DC转换器成功以高效率（峰值81%）和低输出电压纹波（输出电压的1.23%）为AMLED微显示系统供电。采用101相交错方案和堆叠晶体管技术有效应对锂离子电池的宽输入电压范围并降低开关损耗。与现有最先进方案相比，该设计在功率密度和效率方面实现显著提升，适用于便携式和低功耗应用场景。

研究不足

该设计受限于CMOS工艺技术，这影响了可实现的最大效率和功率密度。虽然使用薄氧化层晶体管能降低开关损耗，但需要精心设计以应对高电压应力。交错相数则受到布局和时钟分配难题的制约。

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