研究报告：全集成频率可调开关电容整流器在压电能量收集中的应用

1. 作者及发表信息

本文由Chao Xie（清华大学电子工程系）、Guangshu Zhao（澳门大学模拟与混合信号超大规模集成电路国家重点实验室）、Yuan Ma（清华大学）、Man-Kay Law（澳门大学）以及Milin Zhang（清华大学）共同完成，发表于IEEE Journal of Solid-State Circuits 2023年8月刊（第58卷第8期）。

2. 学术背景

科学领域

研究属于能量收集（Energy Harvesting, EH）领域，专注于压电能量收集（Piezoelectric Energy Harvesting, PEH）的接口电路设计。

研究动机

随着可穿戴设备和无线传感器节点的普及，其续航能力成为关键挑战。传统电池容量有限，而环境能量收集（如振动能、太阳能）成为延长设备寿命的潜在方案。压电能量收集器（PEH）因其高功率密度、易小型化和可扩展性成为最优解之一，但其接口电路需解决以下问题：
1. 效率与集成度的矛盾：传统电感式同步电荷提取（Synchronous Electric-Charge Extraction, SECE）依赖高Q值电感，体积大；电容式方法（如SSHC）需大电容，难以兼顾效率与芯片面积。
2. 输入/输出适应性：环境振动频率不可控，传统电路需额外阻抗匹配电路，增加系统复杂度。

研究目标

提出一种全集成频率可调开关电容整流器（Fully Integrated Frequency-Tuning Switched-Capacitor Rectifier, FTSCR），实现：
- 无外置被动元件，芯片电容归一化值（Cfly/Cp）最小化（0.028）；
- 能量提取效率提升（峰值82.4%）；
- 宽输入频率自适应（带宽扩展405%）。

3. 研究流程与方法

3.1 系统架构

FTSCR由以下模块构成：
1. 正电流选择器（Positive Current Selector, PCS）：数字整流，替代传统有源整流器，功耗仅15 nW。
2. 多步软充电（Multi-Step Soft-Charging, MSC）开关电容DC-DC转换器：
- 四级2:1开关电容单元，支持15种电压转换比（VCR），通过分段软充电减少电荷再分配损耗；
- 采用自举开关技术降低导通和驱动损耗；
- 总飞电容（Cfly）仅800 pF（8×100 pF MIM电容）。
3. 相位与幅度调谐：
- 相位调谐：通过峰值检测器（PKD）控制能量提取时机，优化阻抗匹配；
- 幅度调谐：通过SC DC-DC转换器调整终止电压（βVout）。
4. 最大功率点跟踪（MPPT）仲裁器：基于输出功率反馈，自动优化相位（θ）和幅度（β）。

3.2 实验设计

1. 芯片制造：采用0.18 µm CMOS工艺，集成1.8 V/5 V器件和MIM电容，核心面积0.85 mm²。
   
2. 测试平台：
   
   • PEH器件：CTS公司的PZT5A压电材料（Cp=28.8 nF），激励频率50–60 Hz，加速度0.02 g。
     
   • 测量设备：直流功率分析仪、示波器、振动台。
     
3. 性能指标：
   
   • 能量提取效率（η）：通过测量输入（PEH存储能量）与输出功率（Vout×Iout）计算；
     
   • 最大输出功率改善率（MOPIR）：与全桥整流器（FBR）对比。
     

4. 主要结果

4.1 效率与集成度

• 峰值效率82.4%（Vout=3.75 V），优于同类电容式设计（如[12]的74%）。
  
• 归一化电容0.028（800 pF/28.8 nF），为文献报道最低值。
  

4.2 带宽扩展

• 405%带宽提升：PEH自然带宽1.19 Hz，FTSCR扩展至6 Hz（3 dB功率点）。
  
• MOPIR达8.14×（对比FBR，VD=0.12 V），远超传统SECE（如[20]的4.46×）。
  

4.3 控制优化

• PCS数字整流：无静态功耗比较器，驱动损耗降低82.6%；
  
• MSC技术：电荷提取时间仅占振动周期的2.9%，减少能量残留。
  

5. 结论与价值

科学价值

1. 理论创新：提出相位-幅度联合调谐机制，首次实现电容式SECE的宽频阻抗匹配。
   
2. 方法突破：MSC技术解决小电容与大效率的矛盾，为高集成度PEH接口设计提供范例。
   

应用价值

• 适用于微型化设备：全集成特性适合物联网（IoT）和植入式医疗器件；
  
• 环境鲁棒性：自动MPPT适应振动频率波动，提升实际场景可靠性。
  

6. 研究亮点

1. 全集成SECE首例：无需外置电感或大电容，突破传统设计限制。
   
2. 双参数自适应调谐：相位与幅度协同优化，实现全频段最大功率跟踪。
   
3. 超低控制功耗：数字PCS和MPPT仲裁器总功耗仅占 harvested power的5.81%。
   

7. 其他贡献

• 工艺兼容性：标准CMOS工艺实现，便于量产；
  
• 开源潜力：MPPT算法可扩展至其他能量收集系统（如电磁或热电能）。
  

（注：专业术语如SECE、MPPT等首次出现时保留英文并标注中文，后续直接使用中文简称。）