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一种用于电池充电应用的CMOS工艺实现的开关电感混合降压DC-DC变换器
A Switching-Inductor Hybrid Step-Down DC-DC Converter for Battery Charger Applications Implemented in CMOS Process
| 作者 | Mina Shin · Seongil Yeo · Seunghoon Lee · Kunhee Cho |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年8月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 DC-DC变换器 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 开关电感混合直流-直流转换器 电池充电器 电感电流 CMOS工艺 效率 |
语言:
中文摘要
本文介绍了一种专为电池充电器应用设计的开关电感混合式直流 - 直流转换器，该转换器以 5 V 为输入，输出范围为单节电池电压（3 - 4.3 V）。与传统的降压转换器和三电平降压转换器相比，这种混合式转换器有效降低了电感电流的均方根值，从而在保持高效率的同时能够使用紧凑型电感。该设计采用 180 nm 互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺制造，且仅使用 CMOS 器件实现。为了在无需高压横向扩散金属氧化物半导体（LDMOS）晶体管的情况下实现高达 8.6 V 的高压操作，本文提出了一种电平位移栅极驱动器。测量结果表明，使用直流电阻（DCR）为 46 mΩ 的 2.2 μH 紧凑型分立电感时，该转换器的峰值效率达到 96.3%。此外，对不同电感的效率和 DCR 损耗分析验证了 DCR 损耗并非转换器总功率损耗的主要因素，证实了该转换器在紧凑型高效电源管理应用中的有效性。
English Abstract
This letter presents a switching-inductor hybrid dc-dc converter designed for battery charger applications, operating with a 5 V input and an output range of one-cell battery (3–4.3 V). The hybrid converter effectively reduces the rms inductor current compared to conventional buck and three-level buck converters, enabling the use of a compact inductor while maintaining high efficiency. The design has been fabricated in a 180 nm CMOS process and is implemented using only CMOS devices. To enable high-voltage operation up to 8.6 V without requiring high-voltage laterally diffused MOS (LDMOS) transistors, a level-shifted gate driver is proposed. The measurement results demonstrate a peak efficiency of 96.3% using a 2.2 μH compact discrete inductor with a dc resistance (DCR) of 46 mΩ. In addition, efficiency and DCR loss analysis with different inductors verify that DCR loss is not the dominant factor in the overall power loss of the converter, validating its effectiveness for compact and efficient power management applications.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项开关电感混合型降压DC-DC转换器技术在储能系统和电动汽车充电领域具有显著应用价值。该技术针对单节电池充电场景（3-4.3V输出），通过创新的拓扑结构有效降低了电感有效值电流，这与我们在储能系统BMS（电池管理系统）和光储一体化解决方案中对高效率、小型化电源管理的需求高度契合。
该技术的核心优势在于其96.3%的峰值效率和紧凑化设计。相比传统Buck转换器，开关电感混合架构能够使用更小的2.2μH电感（DCR仅46mΩ），这对于我们的储能系统模块化设计和功率密度提升具有重要意义。特别是在大规模储能电站中，单个电池单元的充电管理效率提升即使只有百分之几，累积效应也能带来可观的系统级能效改善和热管理优化。
技术成熟度方面，该方案基于成熟的180nm CMOS工艺，且无需高压LDMOS器件即可实现8.6V耐压，这降低了制造成本和设计复杂度，有利于快速产业化。研究中关于DCR损耗非主导因素的分析结论也为我们优化电感选型提供了新思路，可能改变传统的低DCR电感选择标准。
然而，该技术目前聚焦于单节电池应用场景，而阳光电源的储能产品多涉及高压电池串联系统。如何将此技术扩展到多节电池串联充电管理，以及在户外严苛环境下的可靠性验证，是工程化应用需要突破的关键点。此外，与我们现有的数字化电源管理平台集成，实现智能充电策略，将是技术转化的重要方向。