Команда под руководством профессора Ши И и доцента Цю Хао из Школы электронных наук и инженерии Нанкинского университета (Китай) добилась важного прогресса в области технологии беспроводной передачи энергии, предложив новый прорыв в решении проблемы энергоснабжения инвазивных интерфейсов «мозг-компьютер».
Инвазивные интерфейсы «мозг-компьютер», которые должны длительное время находиться внутри человеческого тела, ограничены требованиями биобезопасности и замкнутой физиологической средой, что не позволяет использовать проводное питание и делает возможным только применение технологии беспроводного энергоснабжения. Однако компактная герметичная конструкция вызывает трудности с отводом тепла: если преобразуемое в тепло в результате энергопотребления чипа своевременно не отводится, это может привести к ряду проблем. Поэтому повышение эффективности преобразования энергии и снижение тепловыделения становятся ключевыми задачами при проектировании систем управления питанием. Технология одноступенчатого регулируемого двухвыходного выпрямления считалась идеальным решением, но столкнулась с такими проблемами, как ограниченное эффективное окно зарядки, трудности стабилизации многоканального выходного напряжения и нагрев из-за использования PMOS-активных диодов.
В ответ на эти проблемы исследовательская группа предложила новую высокоэффективную одноступенчатую топологию стабилизированного двухвыходного выпрямителя, который позволяет одновременно заряжать оба выхода в течение полупериода, преодолевая ограничения традиционного подхода временного мультиплексирования и улучшая мощность нагрузки, качество питающего напряжения и эффективность преобразования энергии. Инновационный режим распределения заряда смягчает проблему дисбаланса условий двухвыходной нагрузки, расширяет диапазон допустимых номинальных выходных токов и повышает стабильность и адаптивность схемы.
Данный чип был верифицирован методом изготовления тестовой кремниевой пластины по технологии 0,18 мкм КМОП. Фактические измерения показали, что в установившемся состоянии достигнуты пиковая эффективность 92,2% и пиковая мощность нагрузки 131 мВт. Два выходных напряжения стабильно поддерживаются на уровнях 3,3 В и 1,6 В, а максимальные пульсации напряжения составили 50 мВ и 75 мВ соответственно; при значительном переключении нагрузки (×15) наблюдалось высокоскоростное реагирование без перекрестных помех между двумя выходами. По многим ключевым параметрам достигнут ведущий международный уровень. Соответствующие результаты были опубликованы онлайн 16 апреля в ведущем журнале по интегральным схемам IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC). Аспирант (2024 года поступления) Школы электронных наук и инженерии Чжуан Цюаньжун является первым автором статьи, доцент Цю Хао и профессор Ши И — соавторами-корреспондентами, а исследователь Чжан Синь из Исследовательского центра имени Томаса Дж. Уотсона компании IBM оказал научное руководство. Исследование получило поддержку ключевых проектов Национального фонда естественных наук Китая, а также содействие Инженерного центра оптоэлектронных материалов и чиповых технологий при Министерстве образования и других организаций.