这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告：

一、研究作者及发表信息

本文由Zhen Li（复旦大学）、Jing Wang（复旦大学）、Man-Kay Law（澳门大学）、Sijun Du（代尔夫特理工大学）、Junrui Liang（上海科技大学）、Xu Cheng（复旦大学）、Jun Han（复旦大学）、Xiaoyang Zeng（复旦大学）和Zhiyuan Chen（复旦大学）合作完成，发表于IEEE Journal of Solid-State Circuits（2024年7月，第59卷第7期）。

二、学术背景与研究目标

研究领域：压电能量收集（Piezoelectric Energy Harvesting, PEH）接口电路设计，属于集成电路与低功耗能源管理交叉领域。
研究动机：无线传感器网络（WSN）需要微型化、高效的能量收集系统，而传统压电能量收集接口存在效率低、依赖外部储能元件（如电感或电容）的问题。现有技术如同步开关电感/电容采集（SSHI/C）虽能提升效率，但需大体积被动元件，难以集成。
研究目标：提出一种全集成、无需外部储能元件的压电能量收集接口方案，通过创新电路设计实现高电压翻转效率（Flipping Efficiency）和最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, MPPT），同时减少系统体积。

三、研究流程与方法

1. 核心技术创新

研究提出两项关键技术：
- 自偏置翻转整流器（Self-Bias-Flip Rectifier with Charge Recycling and Reusing, SBFCRR）：利用压电换能器固有电容（(C_p)）作为翻转电容，通过八相位电荷回收与复用（Charge Recycling and Reuse）实现高效电压翻转，无需额外电容。
- 开关式PEH DC-DC转换器（Switched-PEH DC-DC, SPDC）：将四个PEH单元动态配置为能量源或飞跨电容（Flying Capacitor），实现MPPT功能，避免使用传统DC-DC转换器的电感或电容。

2. 实验设计与实现

• 电路设计：采用0.18μm CMOS工艺全集成设计，芯片面积0.7 mm²。

  • SBFCRR工作流程：
    
  • 零交叉（ZC）状态：包含电荷回收（PHryc）、偏置翻转（PHbf1-5）、电荷复用（PHrus）和电压重建（PHrb）四个阶段，通过多相位开关阵列动态配置PEH连接方式。
    
  • 翻转效率优化：理论计算显示电压翻转效率达80%，最大输出功率提升率（MOPIR）为5.128倍（相比传统全桥整流器）。
    
  • SPDC工作流程：
    
  • 能量采集（EH）状态：PEH交替作为能量源和飞跨电容，通过三相位操作（PHeh0-2）实现电压转换。
    
  • MPPT控制：基于分数开路电压（FVOC）法，通过峰值检测器和编码器动态调整电压转换比（VCR）。
    

• 实验验证：

  • 测试平台：使用PPA-1021压电换能器阵列，振动频率100 Hz，负载电压4.8 V。
    
  • 关键指标：实测翻转效率80%，MOPIR最高达4.88倍（(V_p=2.32V)），在输入电压0.78–4.9 V范围内保持MOPIR>3.5倍。
    

3. 数据分析方法

通过理论推导（如电荷损失公式(Q_{0.5lost}=1.56 \cdot Cp \cdot V{rect})）与仿真（Cadence工具）验证设计可行性，再通过实测波形（如PEH电压翻转曲线）与效率对比（与传统FBR）确认性能优势。

四、主要研究结果

1. SBFCRR性能：
   
   • 实测翻转效率80%，接近理论值；电荷回收与复用阶段贡献了35%的MOPIR提升。
     
   • 在(V_p=4.4V)时，最大输出功率162μW。
     
2. SPDC性能：
   
   • 支持四档VCR（1×–4×），在低振动强度（(V_p<1V\)）下仍保持MOPIR>2.78倍。
     
   • 系统总效率82.6%，其中开关阵列功耗占比3.3%。
     
3. 集成优势：相比文献[20]的分离电极SSHC方案，本设计无需高压器件或额外电容，体积缩减90%以上。
   

五、研究结论与价值

科学价值：
- 提出了一种全集成压电能量收集接口架构，解决了传统技术依赖外部元件的瓶颈。
- 通过电荷复用与动态PEH配置，实现了高效率与小体积的平衡，为微型化能量收集系统提供新思路。

应用价值：
- 适用于植入式医疗设备（如微氧发生器IMOG）、无线传感器节点等对体积敏感的场景。
- 技术可扩展至MEMS领域，进一步降低系统体积。

六、研究亮点

1. 创新性设计：
   
   • 首次利用PEH固有电容实现自偏置翻转，省去额外储能元件。
     
   • 八相位操作与动态飞跨电容配置为领域内首创。
     
2. 性能突破：实测MOPIR（4.88×）和翻转效率（80%）为同类研究最高水平之一。
   
3. 工艺兼容性：标准CMOS工艺实现，易于产业化。
   

七、其他有价值内容

• 功耗优化：通过非对称反相器设计减少开关阵列相位重叠损耗（图13）。
  
• 抗干扰设计：改进有源二极管（Active Rectifier）结构，避免零交叉检测时的振荡问题（图11a）。
  

此研究为压电能量收集领域提供了高性能、低成本的集成电路解决方案，其方法学与实验结果对后续微型能量收集系统的开发具有重要参考意义。