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作者及发表信息

本研究由 Yeon-Woo Jeong、Seung-Ju Lee、Jong-Hun Kim、Mun-Jung Cho、Min-Sik Kim、Myeong-Ho Kim（均来自韩国浦项工科大学POSTECH）和 Hyun-Sik Kim（韩国科学技术院KAIST）共同完成，发表于 IEEE ASSCC 2025（亚洲固态电路会议）。

学术背景

研究领域：能量收集（Energy Harvesting, EH）集成电路设计，聚焦压电能量收集（Piezoelectric Energy Harvesting, PEH）与光伏（Photovoltaic, PV）双源能量收集技术。
研究动机：自供电系统对可持续能源的需求日益增长，但现有技术存在以下局限性：
1. 压电换能器（PET）产生的交流电（AC）需通过整流电路转换，传统同步电荷提取（Synchronous Electric Charge Extraction, SECE）技术受限于开路电压（Voc），导致低Voc时功率提取效率低下。
2. 现有方法（如偏置翻转技术SSHI/SSHC和双堆叠技术）依赖电池电压（Vbat），无法达到芯片内部击穿电压（Vbd），限制了最大功率提取能力。
3. 冷启动（Cold Start-up）能力不足或启动时间过长。
研究目标：提出一种电池电压无关的同步累积电荷提取（Synchronous Accumulated Electric Charge Extraction, SAECE）技术，实现快速启动、宽电压范围内的高效能量收集，并支持多源（PET/PV）协同工作。

研究流程与方法

1. SAECE技术设计

• 核心创新：通过单电感实现PET与PV双源能量收集，采用三模式操作（SEEC模式、最大占空比积累模式MAM、自适应占空比积累模式AAM），仅通过共振占空比（Dr）调制实现平滑模式切换。
  
  • SEEC模式（Dr=0.5）：适用于冲击或周期性激励，提取基础能量。
    
  • MAM模式（Dr=0.9）：周期性激励下，将PET电压（Vpet）放大至Vbd，最大化功率提取。
    
  • AAM模式：当Vpet接近极限电压（Vlim）时，动态调整Dr以避免击穿。
    
• 电池电压无关性：通过电平转换器（Level Shifter, LS）驱动功率开关，使Vpet可超越Vbat达到Vbd。
  

2. 快速启动方案

• 辅助存储电容（Csto）：采用低容值Csto（10μF）替代高容量电池作为启动储能单元，缩短充电时间。
  
• 启动算法：根据PV电压（Vpv）与Csto电压（Vsto）的关系选择二极管模式或升压模式；PET启动时模拟全桥整流器（FBR）行为。
  

3. 实验验证

• 芯片制造：基于180nm CMOS工艺流片。
  
• 测试内容：
  
  • 模式切换验证：在不同Vbat（2V/3V）下观察SAECE三模式的平滑过渡及Vpet放大效果。
    
  • 启动性能：对比Csto（10μF）与模拟电池（100μF）的充电速度，验证快速启动能力。
    
  • 双源收集：通过时间复用电感实现PET/PV无干扰协同工作，结合分数开路电压（FOCV）最大功率点跟踪（MPPT）算法优化PV能量提取。
    

主要结果

1. 功率提取效率：
   
   • 在周期性激励下，SAECE的平均提取功率（FOMavg）提升660%，最大提取功率（FOMmax）提升780%（对比传统FBR）。
     
   • 冲击激励下仍可实现460%的FOMmax，突破了传统技术无法在低Vpet下工作的限制。
     
2. 电池电压无关性：Vpet可放大至Vbd（如3V Vbat下Vpet达Vbd=20V），显著扩展工作电压范围。
   
3. 快速启动：Csto方案使启动时间缩短至毫秒级，且不受电池容量影响。
   
4. 超低静态功耗：整体静态电流（Iq）仅30nA，优于同类工作（如ISSCC’23的80nA）。
   

结论与价值

科学价值：
- 提出SAECE技术，首次实现PET电压的电池无关性放大，解决了低Voc和冲击激励下的能量提取难题。
- 三模式操作与统一控制器设计简化了电路复杂度，仅通过Dr调制实现最优能量提取。
应用价值：
- 适用于物联网（IoT）设备、无线传感器等自供电系统，支持复杂环境（如间歇性振动、弱光照）下的稳定能量供应。
- 快速启动特性使其在无电池或电池耗尽场景中具有优势。

研究亮点

1. 创新性技术：SAECE通过单电感和Dr调制实现多模式高效能量提取，无需负栅极驱动（Negative GD）。
   
2. 性能突破：FOMavg（660%）和FOMmax（780%）为当前领域最高纪录。
   
3. 工程优化：低静态电流（30nA）与时间复用电感设计显著降低功耗与硬件成本。
   

其他有价值内容

• 对比实验：与ISSCC’20、VLSI’19等5项前沿工作对比，SAECE在FOMavg、Iq等指标上全面领先（图6）。
  
• 芯片显微照片（图7）展示了紧凑的布局设计（2.8mm×1.3mm），集成PET/PV控制器与启动模块。
  

此研究为能量收集IC设计提供了新范式，其电池无关性与快速启动特性有望推动自供电系统的实际应用。