压电能量收集技术研究进展：MPPT集成偏置翻转整流器的创新设计

本研究由Delft理工大学微电子系的Xinling Yue、Yiwei Zou（同时任职于美国Rice大学电气与计算机工程系）和Sijun Du团队合作完成，成果发表于2024年欧洲固态电子研究会议（ESSERC）。论文标题《An MPPT-Integrated Bias-Flip Rectifier for Piezoelectric Energy Harvesting》提出了一种新型单级MPPT（最大功率点跟踪）集成偏置翻转整流器，为自供能无线传感器网络提供了高效的能量收集解决方案。

一、学术背景与研究动机

压电能量收集（Piezoelectric Energy Harvesting, PEH）通过捕获环境机械能（如振动、人体运动）为低功耗电子设备供电，在健康监测和可穿戴设备领域具有重要应用价值。传统PEH系统采用两阶段架构：先由全桥整流器（FBR）进行AC-DC转换，再通过独立MPPT模块调节输出电压。这种设计存在三大缺陷：（1）需要大容量外置电容；（2）MPPT跟踪速度慢；（3）级联效率损失显著。针对这些问题，本研究提出将MPPT功能直接集成到偏置翻转整流器中，形成单级架构，以提升能量提取效率并缩小系统体积。

二、研究流程与技术细节

1. 电路架构设计

研究团队在0.18µm CMOS工艺中设计了一种包含8个开关（4个NMOS、2个PMOS、2个传输门）和1个电感的整流器（图2）。其核心创新在于：
- 单级整合：通过切换开关配置（图3），电路在三个相位间动态切换：（a）利用电感翻转压电换能器（PT）两端电压(V{pt})；（b/c）根据(V{pt})极性切换为DC-DC降压转换器，直接调节(V_{pt})至最大功率点（MPP）。
- Duty-Cycle-Based (DCB) MPPT算法：通过控制电压建立时间（设定为振动周期的1/4）实现MPPT，仅需一个片外电容(C_s)（传统方案需(C_r + C_s)）。

2. 关键模块实现

• 峰值检测器（图5）：采用电压跟踪器与滞回比较器，精确检测PT电流(Ip)过零点，触发电压翻转信号(a{flip})。
  
• DC-DC控制（图6）：基于恒定导通时间与滞环调节策略，通过多脉冲能量转移（图9）将(V_{pt})稳定在MPP附近（纹波0.4V）。
  

3. 测试与验证

芯片实测面积0.156mm²（图7），在(V_{oc}=1V)时输出功率提升7.7倍（图10），MPPT效率达98%。系统总功耗1.17µW，其中电平转换驱动模块占比最高（图11）。

三、核心成果与科学价值

1. 效能突破：相较于传统FBR，单级架构减少50%外置电容需求，能量提取提升5.9–7.7倍（视(V_{oc})而定）。
   
2. 理论创新：推导出MPPT条件公式（式2），证明电压建立时间与多脉冲MPPT时间相等时系统功率最大化。
   
3. 技术贡献：
   
   • 首次实现MPPT与偏置翻转的单级集成，消除级联效率损失；
     
   • 提出的DCB算法无需复杂计算，仅需调节占空比至50%即可追踪MPP。
     

四、研究亮点与行业意义

• 方法学创新：通过重构功率阶段拓扑（图4），将MPPT从后级调控前移至整流阶段，缩短响应时间至单周期内完成。
  
• 应用潜力：适用于低功耗物联网节点，尤其适合振动频率不稳定的环境（如工业设备监测）。
  
• 工艺兼容性：180nm BCD工艺方案易于量产，成本优势显著。
  

五、对比与展望

与文献[1-7]相比，本设计在MPPT速度、片上集成度方面领先（表I）。未来工作可探索动态频率适应性以拓展应用场景。研究为PEH系统的高效微型化提供了新范式，其单级架构设计思路可推广至其他能量收集领域。

（注：全文引用文献9篇，包括ISSCC、JSSC等顶级会议期刊成果，具体见原文参考文献列表。）