压电能量收集接口技术的革新：基于分相翻转电容整流器与电容复用的自适应输入功率方案
本研究报告聚焦于IEEE Journal of Solid-State Circuits（2020年8月，第55卷第8期）发表的一项原创研究，题为《Piezoelectric Energy-Harvesting Interface Using Split-Phase Flipping-Capacitor Rectifier with Capacitor Reuse for Input Power Adaptation》。研究由Zhiyuan Chen（复旦大学）、Man-Kay Law、Pui-In Mak、Xiaoyang Zeng（复旦大学）及Rui P. Martins（澳门大学）组成的团队完成，旨在解决压电能量收集（PEH）系统中电容式接口的效率与复杂度平衡问题。
学术背景与研究目标
压电能量收集技术因其在物联网（IoE）、可穿戴设备及植入式医疗设备中的潜力而备受关注。然而，传统PEH接口面临三大挑战：
1. 效率与电容数量的矛盾：现有电容式拓扑（如FCR、P-SSHC）需通过增加电容数量提升能量提取效率，但会导致系统复杂度上升。
2. 输入功率自适应不足：PEH输出功率随机械振动强度变化，需动态调节负载电压。
3. 最大功率点跟踪（MPPT）的高压应力：传统MPPT需承受升压后的开路电压（VOC,SPFCR），增加器件耐压需求。
本研究提出分相翻转电容整流器（SPFCR），通过电容分相复用技术提升效率，并整合多电压转换比（MVCR）开关电容DC-DC变换器实现输入功率自适应，同时利用全桥整流器（FBR）开路电压（VOC,FBR）降低MPPT电压容忍要求。
研究方法与工作流程
1. SPFCR拓扑设计与相位选择
- 核心创新：将电容使用拆分为多相位操作，通过共享、短路和再充电三个阶段优化电荷分配。例如，4个电容（C1–C4）可实现21个翻转相位（理论最多31个），远超传统FCR（7相位）和P-SSHC（9相位）。
- 相位筛选：通过仿真剔除对效率影响小的相位（如移除{2,3, −2,3}仅降低效率4.4%），最终保留21个关键相位，降低控制损耗36%。
2. 电容复用与MVCR DC-DC变换器
- 非翻转期利用：在SPFCR间歇期（占周期90%），将电容阵列重构为MVCR开关电容DC-DC变换器，提供{2, 1, 2⁄3, 1⁄3}四种电压转换比（VCR），无需额外无源器件。
- 电压匹配优化：根据SPFCR结束时电容电压（VC1=0.27Vrect, VC2=0.32Vrect等）选择VCR，减少电荷再分配损耗。
3. VOC,FBR-based MPPT
- 理论验证：推导出SPFCR最大功率电压（Vmpp,spfcr）与VOC,FBR的固定比例关系（Vmpp,spfcr = VOC,FBR/(1−kspfcr)），通过检测低电压VOC,FBR替代高电压VOC,SPFCR实现MPPT，降低器件耐压需求。
4. 实验验证
- 芯片实现：采用0.18μm CMOS工艺，集成21相位SPFCR与MVCR DC-DC变换器，外接4个68nF电容（C1–4）。
- 测试条件：以200Hz振动频率的压电材料（PPA-1021）为输入，加速度0.12g–0.19g。
主要结果与科学贡献
- 效率提升：在等效FBR输入功率范围（0.15–5.57μW）内，SPFCR的最大输出功率改进率（MOPIR）达9.3×（VD=0.12V）或6.5×（VD=0V），电压翻转效率（ηf）达0.89，较P-SSHC和FCR分别提升6.5%和15%。
- 自适应性能：MVCR DC-DC变换器使系统在宽输入功率范围内保持稳定输出（如VCR=2/3时峰值效率92%），输出电压纹波<±1.5%。
- 低压MPPT：实测Vmpp,spfcr与2VOC,FBR的比值稳定在2.2–2.35，验证了VOC,FBR-based MPPT的可行性，避免高压器件需求。
研究价值与创新点
- 科学价值：
- 提出相位分裂与电容复用理论，突破传统电容数量与效率的线性关系。
- 首次将SPFCR与SC DC-DC变换器整合，实现动态功率管理。
- 应用价值：为微型能量收集系统（如植入式设备）提供高集成度、低电压应力的解决方案。
- 亮点：
- 相位优化：21相位设计为同类最高，仅需4个电容。
- 硬件创新：主动整流器与PFM控制降低损耗，系统总效率达72%。
- 工艺兼容性：全方案可单片集成，支持CMOS工艺。
总结
该研究通过SPFCR与电容复用技术，显著提升了PEH接口的能量提取效率与适应性，同时降低了MPPT的电压应力。其方法论为低功耗能量收集系统提供了新范式，具有广泛的工程应用前景。未来工作可进一步探索多模态能量混合收集与更高频振动场景的优化。