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IEEE Transactions on Circuits and Systems—II: Express Briefs 2025年3月刊发表了Xufeng Liao、Yiyang Wang、Yu Du、Shihao Xiao、Xincai Liu、Zhangming Zhu和Lianxi Liu（通讯作者）团队的研究成果《An 85.5% PCE and 99.31% TE Piezoelectric Energy Harvesting Interface with Sub-One-Cycle Sampling and Dual-Loop MPPT》。该团队来自西安电子科技大学模拟集成电路与系统教育部重点实验室及西安电子科技大学重庆集成电路创新研究院。

在微小型便携智能设备微型化和环保化趋势下，从环境中收集能量的技术成为电源解决方案的研究热点。压电能量收集（Piezoelectric Energy Harvesting, PEH）因其低复杂度、易集成和高功率密度成为主流技术之一。传统分数开路电压（Fractional Open-Circuit Voltage, FOCV）最大功率点跟踪（MPPT）算法存在开路采样损耗大、MPPT调整时间与精度矛盾等核心问题。本研究旨在通过创新采样算法和双环路控制策略，实现高效率能量收集接口电路（PEHI）。

研究采用0.18 μm CMOS工艺实现核心架构，工作流程可分为四个关键环节：

第一，系统架构创新。如图1所示，方案包含SSHIC电压翻转接口、两级整流器、子单周期采样控制器、双环路MPPT电路和降压转换器。其独特之处是在整流器前级设置同步开关电感采集（Series-Synchronized Switch Harvesting on Inductor, SSHI）翻转接口，通过定时器控制使采样时间缩短至小于一个激励周期（TeX）。

第二，子单周期采样算法实现。如图3所示，通过将采样点设置在压电材料节点电压（VPN）而非整流输出（VREC），配合峰值检测器和2电容采样保持模块，实现了0.5TeX的快速采样。具体操作包含：每128TeX使能采样、定时器控制0.5TeX延迟采样窗口、双电容交换保持等技术，相比传统FOCV方案采样损耗降低76%。

第三，双环路MPPT控制设计。如图5所示，采用粗调-细调双环路结构：粗调环路由5位计数器控制大电容阵列，可在4个调整周期内将VREC快速收敛至MPP附近；细调环路由7位计数器调节小电容阵列，实现±1.2%的跟踪精度。通过状态切换控制器和迟滞比较器动态调整，解决了固定步长MPPT的速度-精度矛盾。

第四，能效优化机制。理论分析证明（公式1-3），系统功率损耗率φ主要来自采样时间Ts和MPPT调整时间（Tm-Ts）。采用大容量整流电容（CREC=4.7μF）降低纹波，同时通过VPN采样规避了大电容导致的采样延迟，使峰值跟踪效率（TE）达99.31%。公式6表明通过调节buck转换器开关周期（TSW）改变等效输入阻抗，实现了85.5%的功率转换效率（PCE）。

实验结果验证：在180Hz谐振频率、22nF寄生电容条件下，测量显示（图7-10）： - 冷启动时间0.12秒，VREC稳定至2.94V（VPOC=1V时） - 子单周期采样时间实测为0.55TeX（图8），较传统方案缩短82% - 双环路MPPT使调整时间减少65%，VPOC=1.8V时VREC精准跟踪至5.37V（图9） - 品质因数（FOM）达4.02，比传统FOCV方案提升1.76倍

表1的对比数据表明，本设计在TE（99.31%）、PCE（85.5%）两项核心指标上均超越现有技术。创新性体现在： 1. 首个子单周期采样算法，突破传统采样时间必须大于激励周期的限制 2. 动态双环路MPPT架构，解决了固定步长算法的固有矛盾 3. SSHI整流器与采样电路的协同设计，实现ns级状态切换

该研究的科学价值在于建立了PEH系统采样-跟踪联合优化理论模型，应用价值体现在为植入式/可穿戴设备提供了高能效供电方案。实验数据证实，在1-2V的VPOC范围内系统保持最优性能，这对低功耗物联网设备具有重要实践意义。未来可进一步研究多模态能量混合收集架构下的自适应MPPT策略。