基于SSHC整流器的压电能量收集性能优化研究

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一、作者及发表信息

本研究的作者是Xinling Yue（IEEE学生会员）和Sijun Du（IEEE高级会员），均隶属于荷兰代尔夫特理工大学微电子系（Department of Microelectronics, Delft University of Technology）。该研究发表于IEEE Transactions on Circuits and Systems—II: Express Briefs，2023年4月第70卷第4期，文章标题为“Performance Optimization of SSHC Rectifiers for Piezoelectric Energy Harvesting”。

二、学术背景与研究目标

1. 研究领域与背景

本研究属于能量收集（Energy Harvesting）和功率电子电路设计领域，聚焦于压电能量收集（Piezoelectric Energy Harvesting, PEH）系统中的高效整流技术。随着物联网（Internet of Everything）和无线传感网络（Wireless Sensing Networks, WSN）的发展，传统的电化学电池因其有限的寿命和高维护成本难以满足长期运行的传感器需求。压电材料因其高功率密度和微型化兼容性被广泛应用于振动能量收集器（Vibration Energy Harvester, VEH）中，但压电换能器（Piezoelectric Transducer, PT）输出的交流电需通过整流电路转换为直流电，而传统整流方案（如全桥整流器FBR）存在电荷浪费问题。

2. 研究动机与目标

传统同步开关电感收集（Synchronized Switch Harvesting on Inductor, SSHI）整流器虽能提高能量提取效率，但依赖于大尺寸电感，不利于系统微型化。为解决这一问题，近年来提出的同步开关电容收集（Synchronized Switch Harvesting on Capacitors, SSHC）整流器利用飞跨电容（Flying Capacitors）替代电感，但此前研究要求飞跨电容的容值与PT内部电容（Cp）相等，导致需要多级电容（如8级）才能实现高电压翻转效率（ηf=4/5）。本研究旨在优化SSHC设计，通过增大飞跨电容容值减少级数（从8级降至4级），同时提升翻转效率至4/5，并进一步探索更高效率（如8级ηf=8/9）的可能性。

三、研究流程与方法

1. 理论建模与性能分析

研究首先建立了SSHC整流器的数学模型，分析翻转效率与电容配置的关系：
- 单级SSHC分析：假设飞跨电容C₁初始电压为0，推导出翻转效率公式：
[ \eta_{f-1} = \frac{C_1}{C_p + 2C_1}
]
结果显示，当C₁ >> Cp时，ηf可提升至1/2（传统C₁ = Cp时为1/3）。
- 多级SSHC扩展：对于n级SSHC，翻转效率公式推广为：
[ \eta_f = \frac{nC_k}{C_p + (n+1)C_k}
]
表明通过增大Ck或增加级数均可提高效率。

2. 电路设计与实现

研究采用TSMC 180 nm BCD CMOS工艺设计了一款可配置SSHC整流芯片，支持1、2、4、8级飞跨电容模式，关键设计包括：
- 开关时序控制：通过非重叠脉冲信号（φp、φ0、φn）控制飞跨电容的充放电路径，实现电荷翻转。
- 飞跨电容选择：实验使用两种容值配置：
- Ck = Cp = 22 nF（传统方案）
- Ck = 455Cp = 10 μF（优化方案，相同封装尺寸）。

3. 实验验证

• 测试对象：商用压电换能器（PEH-S129-H5FR-1803YB，Cp=22 nF），激励频率130 Hz。
  
• 测试指标：电压翻转效率（ηf）和输出功率提升倍数。
  
• 对比实验：
  
  • Ck = Cp时，1级ηf=28.85%，8级ηf=76.92%。
    
  • Ck = 455Cp时，1级ηf=42.31%，4级ηf=75%，8级ηf=82.7%。
    
• 结果分析：优化方案仅需4级即可达到传统8级的效率（ηf≈4/5），同时输出功率提升8.4倍（相比FBR）。
  

四、主要研究结果

1. 理论突破：提出飞跨电容容值远大于Cp的设计准则，通过公式(15)定量证明了效率提升的可行性。
   
2. 实验验证：
   
   • 4级SSHC（Ck=10 μF）的ηf=75%，与传统8级（Ck=22 nF）相当，减少了50%的电容数量。
     
   • 8级优化方案的ηf进一步升至82.7%，接近理论极限8/9。
     
3. 功率输出：优化后的8级SSHC峰值功率达82.8 μW，比FBR（9.8 μW）提升8.4倍。
   

五、研究结论与价值

1. 科学价值：揭示了飞跨电容容值对SSHC性能的影响机制，为高效率微型化能量收集电路设计提供了新思路。
   
2. 应用价值：
   
   • 通过减少电容数量（从8级降至4级）降低系统体积，适用于空间受限场景（如植入式医疗设备）。
     
   • 兼容商用SMD电容封装（如0805），无需特殊工艺，易于产业化。
     

六、研究亮点

1. 创新方法：首次提出通过增大飞跨电容容值（而非增加级数）提升翻转效率，突破了传统SSHC的设计限制。
   
2. 实验验证全面：对比了不同电容配置下的效率与功率输出，数据支撑充分。
   
3. 工程实用性：采用标准CMOS工艺和商用元件，方案可直接应用于实际能量收集系统。
   

七、其他补充

研究还讨论了SSHC整流器在低激励电压下的优势（传统FBR需满足Vpp(open) > 2(Vs + 2Vd)才能有效工作），进一步凸显了其在微弱能量收集场景的潜力。