关于一种采用数字跟踪锁定最大功率点追踪技术、实现无采样操作并达到99.8% MPPT效率的基于偏置翻转的压电能量收集接口电路的研究报告

一、 研究作者、机构与发表信息

本项研究由来自中国两所高校的研究团队共同完成。主要作者包括Rui Zhang, Chuhui Wang, Zhongxin Ye, Ka Nang Leung 以及 Jianping Guo。其中，Rui Zhang、Zhongxin Ye 和 Jianping Guo 来自中山大学（Sun Yat-sen University），位于中国广州；Chuhui Wang 和 Ka Nang Leung 来自香港中文大学（The Chinese University of Hong Kong）。这项研究成果以论文形式发表于 2026年IEEE国际固态电路会议（ISSCC 2026）。论文具体收录于会议的第16届会议（Session 16），主题为“能量收集、压电与充电器”，论文编号为16.2。ISSCC是集成电路设计领域最高水平的国际学术会议，被誉为“芯片奥林匹克”，在此发表意味着工作的前沿性和创新性得到了业界顶级专家的认可。

二、 学术背景与研究目标

本研究隶属于集成电路与能量收集（Energy Harvesting）交叉领域，具体聚焦于为压电能量收集器（Piezoelectric Energy Harvester, PEH）设计高效、自适应的电源管理接口电路。随着物联网（IoT）和无线传感网络（Wireless Sensor Nodes, WSNs）的蓬勃发展，为数量庞大且分布广泛的传感器节点供电成为关键挑战。压电能量收集技术能够从环境振动中获取能量，被视为替代或补充电池、实现设备自持续（Self-sustainable）供电的极具潜力的解决方案。

然而，从振动的压电换能器（Piezoelectric Transducer, PT）中高效提取能量面临核心难题：环境振动的幅度和频率在实际工作中是动态变化的，这导致PT的输出阻抗和最佳功率点（Maximum Power Point, MPP）也随之漂移。为了持续从PT获取最大功率，接口电路中的整流器（Rectifier）必须配备最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT）电路，以实现动态的阻抗匹配。

现有的MPPT技术应用于PEH时各有显著局限性：1) 分数开路电压法（Fractional Open-Circuit Voltage, FOCV）：需要周期性断开PT以采样其开路电压（Voc），在此期间能量收集中断，造成能量浪费。2) 扰动观察法（Perturb & Observe, P&O）：一种连续步进式算法，虽能提高精度，但需要复杂的输出功率评估电路，涉及高功耗的电压和电流采样，增加了系统功耗和复杂度。3) 占空比法（Duty-Cycle-Based, DCB）：通常用于并联型同步开关电感采集（Parallel-SSHI, P-SSHI）整流器，虽然不依赖Voc，但对振动频率（fpt）变化敏感，且同样需要在振动过程中进行持续的MPPT操作。这些传统方法均存在需要周期性重复跟踪、电路功耗高或在变化环境下性能下降的问题。

因此，本研究旨在解决上述痛点，开发一种新型的MPPT方案。其主要目标包括：设计一种数字跟踪与锁定（Track & Lock, T&L）MPPT算法，该算法能在系统启动阶段一次性完成最大功率点的识别并锁定，在后续运行中即使振动条件（Voc, fpt）发生变化也无需重新跟踪；实现完全数字化和无采样（Sampling-Free）的操作，避免使用功耗高昂的模拟采样电路，从而降低系统整体功耗；将该算法应用于一个基于偏置翻转技术的P-SSHI整流器系统中，最终实现极高的MPPT效率（>98%）和优异的实用性。

三、 研究流程与详细方法

本研究是一项集成电路设计与验证工作，其核心流程包括理论原理创新、系统架构与电路设计、芯片流片制造以及最终的实验测试与性能评估。

1. 理论原理创新与算法设计： 研究的起点是提出全新的“跟踪与锁定”（T&L）MPPT算法原理。研究人员深入分析了基于偏置翻转技术（如P-SSHI, S-SSHI, SSHC）的整流器，其最大功率输出对应的最优负载电阻（Rload_opt）由振动频率fpt、压电电容Cp和各技术的翻转因子决定。当后级连接一个工作在断续导通模式（Discontinuous Conduction Mode, DCM）的降压-升压（Buck-Boost）转换器时，其输入电阻由电感L、转换器工作频率fmppt和电感磁化时间th决定。研究的关键理论洞见在于：如果令fpt / fmppt = k（常数），那么使得输入电阻匹配最优负载电阻的最优th将成为一个常数，独立于输入电压Voc和频率fpt的变化。这意味着，一旦在启动阶段通过调整th找到这个对应于MPP的恒定th值并将其锁定，系统就能始终保持在MPP附近工作，无需随环境变化而持续调整。

基于此，算法需要寻找并锁定这个最优的th。另一个重要发现是，对于工作在DCM且输出接恒定电池电压Vbat的Buck-Boost转换器，其输出电流Iout（代表输出功率）可以通过评估电感去磁时间tl来间接测量。当tl达到最大值时，系统输出功率最高，即工作在MPP。因此，MPPT问题转化为在启动阶段搜索使tl最大的th值。

2. 系统架构与电路实现： 基于上述理论，研究人员设计了一个完整的PEH系统芯片。系统主要包括三部分：P-SSHI整流器、带控制器的Buck-Boost转换器以及MPPT控制器。 * P-SSHI整流器：包含负压转换器、有源二极管、偏置翻转控制器，并与Buck-Boost转换器共享一个片外电感，节省了面积和成本。 * Buck-Boost转换器及控制器：核心是TH&TL发生器模块，用于产生和控制磁化时间th和去磁时间tl。其开关控制采用了一个动态零电流检测器（Dynamic Zero-Current Detector, ZCD），该电路无需外部时钟，通过检测开关节点电压来判断电感电流是否过零，功耗极低。特别值得注意的是，该ZCD的输出信号（qcmp）被复用于MPPT过程，用于判断tl的状态，从而避免了专门用于MPPT的电压或电流采样电路，实现了“无采样”操作。 * MPPT控制器：这是本研究的数字核心，分为跟踪（Track）模块和锁定（Lock）模块。跟踪模块的核心是一个逐次逼近寄存器（Successive Approximation Register, SAR）逻辑，用于在启动阶段快速搜索最优的tl值（对应最优的th）。SAR逻辑以二进制搜索方式在8位数字码（qsar[7:0]）空间中高效定位使tl最大的码字。搜索过程中，当前最优码字存储在qnow中，上一轮结果存储在qlast中。通过数字比较器比较qnow和qlast：如果qnow > qlast，说明tl仍在增加，MPP还未到达，继续减小th进行搜索；如果qnow < qlast，说明上一轮的th对应更大的tl（即更大的功率），即已越过MPP，此时将th恢复至上一状态，并判定已找到MPP，对应的数字码被最终锁定。进入锁定状态后，系统将保持此最优th常数运行，MPPT控制器仅进行微小的维持性调整。

3. 芯片制造与实验验证： 研究团队采用180纳米BCD工艺流片制造了所提出的接口电路芯片，核心面积仅为0.42平方毫米。之后，搭建测试平台对芯片性能进行全面的实验验证。测试对象是制造好的芯片，连接外部电感（470μH/1mH）和压电模拟振动源、负载等。实验流程和测试内容包括： * MPPT启动过程波形测试：验证跟踪算法能否正常工作，观察vrec电压是否逐步上升并越过MPP，以及SAR逻辑的收敛过程。 * 动态适应性测试：在锁定状态下，人为改变输入振动幅度（导致Voc瞬变）和振动频率（fpt），测量th是否保持恒定，以验证算法对Voc和fpt变化的独立性。 * MPP存储与重启测试：模拟振动源完全停止后再重启的情况，验证之前锁定的MPP参数（存储在寄存器中）是否能在重启后直接使用，使系统立即进入MPP状态，无需重新跟踪。 * 性能指标量化测试： * MPPT效率测量：在广泛的Voc和fpt输入条件下，比较启用MPPT时的输出功率与手动精细调节得到的最大输出功率，计算两者比值作为MPPT效率。这是评估MPPT算法准确性的核心指标。 * 输出功率提升测量：将所提出的P-SSHI整流器与传统全桥整流器（Full-Bridge Rectifier, FBR）在相同条件下的输出功率进行对比，量化能效提升倍数。 * 电路静态功耗测量：测量MPPT电路自身的静态电流（Iq），评估其功耗水平。

四、 主要研究结果

实验测试取得了显著且令人信服的成果，全面验证了所提出理论和电路设计的优越性。

1. MPPT成功锁定与独立性验证：测试波形清晰地显示，系统在启动阶段成功完成了跟踪过程，并迅速锁定在MPP。在锁定状态下，当输入Voc发生瞬态变化时，th保持恒定不变（如图16.2.4中部所示），这直接证明了锁定的MPP独立于振动幅度变化。同样，在振动频率fpt从28Hz到68Hz的大范围变化时，th稳定在9.3μs（如图16.2.5左下所示），证明了MPP也独立于频率变化。这完全符合理论预期。

2. MPP存储与快速重启功能验证：实验证实，当振动源停止后再次启动时，系统无需经历新一轮的跟踪过程，而是直接利用之前存储在积分逻辑（integral logic）中的MPP参数，使整流器立即进入最大功率输出状态（如图16.2.5左上所示）。这一特性对于间歇性振动的实际环境极具实用价值。

3. 极高的MPPT效率：在整个测试的输入条件范围（Voc和fpt变化）内，所提出的T&L算法的MPPT效率均高于98%，并且峰值MPPT效率达到了99.8%（如图16.2.5右上所示）。这意味着该算法几乎能够无损耗地追踪到理论最大功率点，性能卓越。

4. 显著的输出功率提升：在Voc=1.7V的条件下，采用所提出的P-SSHI整流器方案，其峰值输出功率达到27.1μW。相比之下，传统的全桥整流器仅能输出5.52μW。因此，新方案实现了4.9倍的性能提升（如图16.2.5右下所示），充分展示了偏置翻转技术和高效MPPT带来的能量提取优势。

5. 极低的电路功耗与面积：MPPT控制器电路的静态电流（Iq）仅为17纳安（17nA），功耗极低。整个芯片的核心面积仅为0.42 mm²，在同类工作中属于最小之列。低功耗和小面积对于能量收集这种微功率应用至关重要。

6. 动态ZCD与无采样操作验证：测试波形（图16.2.4底部）展示了动态ZCD如何通过检测开关节点电压vsw来有效判断电感电流过零点，证实了复用此信号进行MPPT的可行性，从而省去了额外的采样电路。

五、 研究结论与价值

本研究的核心结论是成功提出并验证了一种创新的“数字跟踪与锁定”（T&L）MPPT算法及其集成电路实现。该方案从根本上改变了传统MPPT需要持续、周期性工作的模式，实现了“一次性跟踪，永久性锁定”（或在重启后直接使用存储参数）。其科学价值在于发现了在特定系统约束（fpt/fmppt为常数）下，PEH系统最大功率点对应参数可恒定这一特性，并据此构建了一套完整的数字控制理论。在工程与应用价值上，该工作实现了三大突破：高鲁棒性（对输入变化不敏感）、超高效率（>99.8%的MPPT效率）、超低功耗与低成本（无采样、全数字、小面积、共享电感）。这为解决自持续无线传感节点的长期、稳定、高效供电提供了一项极具竞争力的关键技术。

六、 研究亮点

1. 算法创新性：提出的“跟踪与锁定”（T&L）MPPT算法是颠覆性的。它仅在启动阶段进行单次跟踪，之后永久锁定，消除了持续跟踪的能量开销和对环境变化的敏感性，这是相对于所有现有FOCV、P&O、DCB方法的根本性优势。
2. “无采样”与电路复用：通过巧妙地复用Buck-Boost转换器中已有的动态零电流检测器（ZCD）信号来进行功率点判断，完全摒弃了传统MPPT中必需的、功耗高昂的电压/电流采样电路，实现了真正的“无采样”（Sampling-Free）操作，极大降低了系统功耗。
3. 全数字实现：MPPT控制器完全由数字逻辑电路实现，具有更好的工艺可移植性、更低的功耗和更强的抗噪声能力。
4. 优异的综合性能：在MPPT效率（99.8%）、电路功耗（17nA）、芯片面积（0.42mm²）以及输出功率提升（4.9倍）等多个关键指标上均达到了国际领先水平，并且通过了全面的实验验证。
5. 共享电感设计：P-SSHI整流器与后级DC-DC转换器共享同一个片外电感，简化了系统结构，降低了成本和板级面积。

七、 其他有价值内容

论文最后提供了详尽的参考文献，涵盖了从早期奠基性工作到近年最新进展的PEH领域关键文献，为读者深入了解该领域提供了清晰的脉络。此外，文中也提到了该研究获得了中国国家自然科学基金和珠海市产业核心与关键技术攻关项目的支持，体现了从基础研究到产业应用结合的导向。与同类工作的对比表格（图16.2.6）清晰展示了本工作在跟踪方式、对Voc/fpt的独立性、是否需要采样、芯片面积和MPPT电路电流等方面的综合优势，有力地证明了其先进性和实用性。