Jiho Lee和Hyun-Sik Kim来自韩国科学技术院（KAIST）的研究团队在2025年IEEE国际固态电路会议（ISSCC 2025）上发表了题为《一种用于压电能量采集的偏置同步电荷提取接口：基于几何平均计算的MPPT实现99.9%效率》的论文。该研究聚焦于提升压电能量采集（Piezoelectric Energy Harvesting, PEH）系统的性能，通过创新电路设计和控制算法，解决了传统方法在最大功率点跟踪（MPPT）速度与精度之间的权衡问题。

学术背景

压电能量采集技术通过环境振动产生电能，在物联网（IoT）和低功耗设备中具有重要应用价值。然而，传统PEH接口电路存在两大瓶颈：
1. 静态性能不足：如基于分压开路电压（FOCV）的MPPT方法需中断能量采集以采样电压，频繁采样导致能量损失；
2. 动态响应受限：扰动观察法（P&O）和占空比调制（DCB）等方法虽避免能量中断，但受整流环节（Vrect/Crect）影响，MPPT速度与精度难以兼顾。

本研究旨在开发一种新型接口电路，通过偏置同步电荷提取（Biased-SECE）结合几何平均计算MPPT（GMC-MPPT）算法，实现高效、快速的自适应能量采集。

研究流程与方法

1. 电路设计：Biased-SECE架构

• 核心改进：在传统SECE电路基础上引入偏置电压（Vb），通过初始偏置（+Vb）和电荷翻转（-Vb）提升电荷积累效率。
  
• 工作流程分为四个相位：
  
  • A±相：压电材料（PZT）电流（Ip）积累电荷，电压Vp从初始偏置±Vb上升至Vacc = Vb + 2Voc（Voc为开路电压）；
    
  • E±相：基于GMC-MPPT计算最优提取电压Vext = √(Vacc×Vb)，通过电感（L）转移部分能量；
    
  • D±相：电感能量传输至输出端（Vbat）；
    
  • B±相：剩余电压Vp通过谐振翻转至-Vb，为下一周期做准备。
    

2. GMC-MPPT算法开发

• 几何平均计算：通过MOS管跨线性原理（MTL）设计硬件计算单元，实时采样Vacc和Vb，输出Vext。算法递归更新Vb，实现δVoc自适应的步长调整，收敛速度显著优于固定步长的P&O方法。
  
• 关键参数：翻转效率ηf = |Vb/Vext|，直接影响能量提取功率Pbiased-SECE。
  

3. 控制器实现

• 检测模块：峰值电压检测器（PVD）和零电流检测器（ZCD）精确控制相位切换；
  
• 低功耗设计：静态电流仅271nA，动态功耗345nA（Voc=0.8V, fp=260Hz）；
  
• 稳压输出：通过Buck转换器提供2V稳压（Vreg），纹波20mV。
  

实验结果

1. 动态性能：

   • 启动时间仅需2周期（Voc=1.3V），突变压差（0.8V↔1.6V）下7周期完成MPPT，平均跟踪速度8.75周期/δVoc（1V）。
     
   • 冲击振动（100ms）下能量提取品质因数（FOM）达5.02×。
     

2. 稳态性能：

   • MPPT效率99.4%~99.9%（ηf=80%），最高提取功率211.8μW（Voc=1.6V, ηf=70%）；
     
   • 周期性输入FOM峰值9.29×（Voc=0.96V, ηf=88.5%），功率转换效率90.2%（负载44.4μA）。
     

结论与价值

1. 科学价值：

   • 首次将几何平均计算引入MPPT，通过数学关系Vext=√(Vacc×Vb)消除Voc和ηf的不可预测性影响；
     
   • 提出Biased-SECE架构，合并能量提取与转换环节，减少损耗。
     

2. 应用价值：

   • 适用于周期性/冲击性振动场景，为无电池IoT设备提供高效能源解决方案；
     
   • 芯片采用180nm BCD工艺，实测性能优于同类工作（如[2][3]）。
     

研究亮点

• 算法创新：GMC-MPPT通过硬件实现几何平均计算，精度误差%；
  
• 电路集成：单级功率转换设计降低复杂度；
  
• 性能突破：MPPT效率（99.9%）和跟踪速度（8.75周期/δVoc）均为领域最优。
  

其他贡献

• 提出翻转效率ηf的量化分析方法，为后续研究提供理论框架；
  
• 芯片支持冷启动，动态范围覆盖0.62V~1.44V Voc，兼容多种PZT器件（如PPA-1014）。
  

该研究由韩国集成电路设计教育中心（IDEC）支持，相关成果已通过ISSCC 2025的同行评审，并收录于会议论文集（ISBN 979-8-3315-4101-9）。