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一种适用于氮化镓开关电源的新型亚纳秒延迟及200V/ns电源摆率容限浮动电压电平转换器设计技术

DOI：10.1109/TCSI.2018.2878668 期刊：IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers 出版年份：2018 更新时间：2025-09-10 09:29:36
摘要： 用于开关电源的双输出栅极驱动器需要将低侧参考信号转换至开关节点电位。随着超高速开关氮化镓转换器的应用发展，业界需要实现超过100 V/ns的开关节点压摆率，但现有电平转换器无法同时满足所需的电源压摆抗扰度和亚纳秒级传播延迟。本文提出一种创新设计技术，首次实现了在同一电路中兼具100 V/ns以上压摆抗扰度与亚纳秒延迟的悬浮电压电平转换器。文中详细阐述了分步晶体管级设计方法。该技术应用于改进现有电平转换器，并通过180 nm高压CMOS工艺流片验证。最终实现的电平转换器具有零静态功耗特性，在整个工作范围内呈现亚纳秒级延迟，具备200 V/ns正电源轨压摆耐受能力和无限负压摆耐受能力。实测传播延迟从悬浮地电位-1.5 V时的722 ps降至45 V时的532 ps，45 V工作电压下每次转换功耗为30.3 pJ。其品质因数达到0.06 ns/(μmV)，较同类应用中次优报道电平转换器提升1.7倍。
作者： Dawei Liu，Simon J. Hollis，Bernard H. Stark
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

设计能够同时实现超过100 V/ns的转换速率抗扰度和亚纳秒级传播延迟的浮动电压电平转换器，用于氮化镓开关模式电源（SMPS）。

研究成果

该论文提出了一种用于浮动电压电平转换器设计超高转换速率抗扰性的新四步法，在转换速率抗扰性方面实现了7倍提升，并使品质因数较已报道的电平转换器翻倍。最终采用180纳米ASIC工艺制造的设计在全部工作范围内展现出亚纳秒级延迟，且在200V/ns的电源转换速率下仍能正常工作，适用于下一代氮化镓场效应管驱动器。

研究不足

电平转换器的性能对失配较为敏感，设计时需仔细进行尺寸匹配以实现更好的摆率诱导共模电流抑制。此外，在开关电源中的实现还需考虑精确的浮动电源轨和初始输出状态设置。

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