Meta研究员为AR/VR力反馈柔性电子产品探索LTPS TFT DC-DC转换器

小编刘卫华 | 分类：论文 | 2023年6月14日

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LTPS TFT DC-DC转换器

（映维网Nweon 2023年06月14日）由于对尽可能靠近用户身体进行监控、读取和反馈的需求，元宇宙正在扩展柔性电子产品的应用。这一需求同时要求现代传感器和致动器尽可能符合人体要求。目前的触觉反馈设备由刚性元件组成，造成它们变得沉重和僵硬，并降低了整体沉浸体验。刚度对于人体的保形覆盖是一项具有挑战性的任务。

在另一方面，触觉感知是一种常见的触觉交互，并由一系列致动器产生。它们的大小和分辨率是增强用户感觉和虚拟体验沉浸感的关键。根据阵列和单个设备的大小，总功率可以达到瓦级。

在名为《3.55-Watt Output Power LTPS TFT DCDC converter for actuators on Wearable devices on flexible Substrate》的论文中，比利时微电子研究中心、比利时鲁汶大学和Meta的研究人员介绍了一种LTPS TFT DC-DC转换器，它可以从低压源为聚酰亚胺衬底上的一系列致动器供电。

以前的研究曾显示，TFT DC-DC转换器能够处理高达10mA的有限输出电流负载，而团队提出的解决方案则可以提供超过一个数量级的负载。例如，基于DG二极管的DC-DC转换器的最大输出功率为3.55瓦。同时，这种DC-DC转换器有利于显示器以外的各种TFT应用。

LTPS TFT技术

团队采用双栅低温多晶硅（LTPS）薄膜晶体管（TFT）技术在GEN-3平台设计和制造了DC-DC变换器。这种特殊的技术总共由5种金属组成，包括单栅（SG）和双栅（DG） n型和p型TFT，以及专用的MIM电容器。

在设计的DC-DC变换器中，只使用n型TFT。图2是VDS=8V时，65个DG n型100μm/4.5μm TFT在210mm2方形晶圆上的传递ID-VG曲线。

在215mm2平方的晶圆上提取的所有65个DG n型TFT的VON和ION如图2所示。测量到的VON中值为0.258V，扩展σ为56mV。VGS=VDS=8V时，同一晶片的离子中值和扩散σ分别为3.06mA和131μA。另外，由于需要驱动的负载电阻（Rload）非常低，所以较大的TFT与这项研发非常相关。

为了维持目标应用所需的高水平电流（4A范围），必须设计宽度（W）为50000mm的SG TFT。图3 (a)显示了其中一个大型FTF在3.3V以下的各种漏极电压（VDS）下的测量传递曲线（ID-VG）。

TFT在VDS=VGS=3.3V时导通3.47安培，产生0.95Ω Ron电阻。所述测量是用一个没有探针的4探针测量装置进行，总的上限接近4安培。因此，团队认为晶体管的实际损耗比这里报道的要低。另外，在VD=1V时，二极管的锐利ID-VD响应如图3 (b)所示。

二极管的关断漏电流在nA范围内，大大降低了关断时的漏电流。二极管在VD=6V时输出3安培的电流。

团队进行了两种类型的测量以获得非稳态（低电流）和稳态（高电流）特性。对于低电流，使用典型的直流偏置测量（带标记的实线），而对于图3的两个图，则通过脉冲测量（虚线）完成了大电流表征。

为了降低实现-Ω以下Ron所需的大型TFT (W>25000mm)的寄生电阻，TFT采用了交叉TFT布局。

系统设计考量

用CMOS级电源和控制电子器件驱动致动器阵列的完整系统顶层框图如图4所示。

理想情况下，DC-DC和致动器阵列可以在同一柔性衬底之上，从而减少虚拟现实设备的刚性部分。在这项研究中开发的模块是图4底部的DC-DC转换器的晶体管原理图。所述电路展示了一个具有两个TFT、一个开关晶体管和一个二极管连接晶体管的升压变换器，它们都在PI衬底之上。

电路分两阶段工作。在第一阶段，电感通过晶体管T1短接到地。在这一阶段，T1的Ron越好，节点D到GND的下拉作用就越好，从而可以在电感器（Lin）上施加更高的电压，从而产生更大的电感电流IL。T1的Ron越好，同时可以减少这一阶段的能量损失，这对于电池供电的可穿戴电子产品来说是关键。

在第二阶段，TFT T1关闭，并且由于从前一阶段获得的高电流，节点D上的电压变高，打开二极管连接的晶体管T2以给输出电容充电并最终驱动负载（ilload）。在第二阶段，二极管的正向电压（Vf）同样重要，因为减少二极管的电压下降将增加输出电压和转换器的功率效率。

DC-DC设计的目标负载计算值为15Ω，输出电压范围为5至9V，输出电流高达400mA。所述设计使用了所有可用的金属来减少两个器件之间的寄生电阻：开关TFT的Ron和二极管呈现的电阻。输入电感和输出电容是典型的现成元件，如图4所示。

用于设计的值范围从2µH到11µH的电感（Lin）和从1µF到220µF的输出电容（Cout）。转换器的开关速度可以在50kHz到1MHz之间的任何地方调谐，并用于上述Lin和Cout范围。

测量结果

接到样品的测量装置如图5 (a)所示。电源和控制信号到DC-DC转换器的连接由宽坡脚完成，以确保片外电感/电容器和TFT芯片之间的路径的连接电阻最小。电容器和电感放在驱动PCB之上，如图所示。控制门由测针驱动。LTPS TFT DC-DC转换器芯片的照片如图5 (b)所示。

图6显示了DG开关T1的3种驱动条件下的DC-DC测量结果。

浮动背栅（BG）连接和仅由控制脉冲Vct驱动的前栅（FG）（绿色三角形）
两个栅耦合在一起，因此都由相同的控制脉冲Vct（黑色方块）驱动
BG处恒定的直流偏压为1.45V, FG由控制脉冲Vct（红色圆圈）驱动。

如图6所示，DCDC变换器不仅实现了情况2（黑色方块）的最高输出电压，而且实现了最高的功率效率。由于FG和BG的耦合作用，开关晶体管的RON降低2倍以上的效果，比将额外的BG充电到通道电容所需的动态功率损失更为显著。

值得注意的是，对于100mA的负载，当工作在70%占空比Vct控制脉冲时，DC-DC可以达到13.2V输出电压（39%的功率效率）。同样，59%的功率效率和6.13V输出电压在控制脉冲占空比为30%时实现。

图7比较了基于二极管的DC-DC变换器对两种晶体管宽度（T1和T2）的测量结果。更大W （50000mm）的设计具有更好的输出电压，最高可达9V，但在整个范围内，设计之间的效率非常相似。

这意味着具有较大W TFT的设计的较大寄生电容被较低的RON过度补偿。换句话说，在实现输出电压的情况下，在保持DC-DC转换器的功率效率在相同水平上的同时，采用更大W的tft是有好处的。

另外，采用25000mm TFT设计可节省40%的面积：芯片占地面积为6.67cm2。图8显示了swtch TFT T1为DG和switch TFT为SG的情况下，基于二极管的DCDC变换器的比较测量结果。

在57kHz的频率上改变控制信号Vct的占空比所获得的输出电压如图8 (a)所示。在DG情况下，输出电压在整个范围内提高了22%以上。另外，在占空比低于60%的情况下，DG设计的功率效率比SG高约5%。图8中的两幅图都是在400mA的相同输出负载下绘制。

基于DG二极管的DC-DC在83%占空比下最大可达8.87V。因此，基于DG二极管的DC-DC转换器的最大输出功率为3.55瓦。3.3V输入源输出10.71瓦时，最高输出的平均输入电流为3.248安培。3.248安培的平均电流通过开关TFT T1在电路运行的第一阶段。

对于相同的设置，团队同时测量了DC-DC转换器的启动时间，大约为7ms。上面报告的所有测量（图6、图7和图8）都是在表1中详细描述的条件下进行。晶体管T1由0-3.3V的57kHz脉冲驱动。输入直流电压3.3V，电感L=11.3µH（寄生串联电阻9.1mΩ）。输出电容220µF，寄生串联电阻54mΩ。作为输出负载，使用直流输出负载工具将输出电流稳定在100mA（图6）和400mA（图7和图8）。

结论

团队设计、制作并测量了基于柔性PI衬底的LTPS DC-DC升压变换器，其输出功率为3.55瓦。柔性TFT DC-DC芯片的占地面积为6.67cm2，其性能与较大的10.02cm2芯片非常相似，在50%占空比下的功率效率约为53%（较大为55%）。