压电能量收集中的全集成自适应最大功率点偏移整流器研究

作者与机构
本研究由荷兰代尔夫特理工大学的Xinling Yue、Wenyu Peng和Sijun Du合作完成，论文发表于2025年IEEE定制集成电路会议（IEEE CICC）。

学术背景
压电能量收集（PEH, Piezoelectric Energy Harvesting）作为一种替代传统电池的技术，在无线传感器和边缘计算设备供电领域展现出巨大潜力。传统基于偏置翻转（bias-flip）的整流器（如同步开关电感/电容整流器SSHI/SSHC）在达到最优输出电压时可提供较高功率，但其理论最大功率点电压（V_mpp=V_oc/(1-η_f)）易超过标准CMOS器件的击穿电压（5V），导致实际输出功率受限。尽管采用LDMOS器件可支持更高电压，但会引入高压损耗和后级电路降压难题。本研究旨在解决这一长期未突破的挑战，提出一种全集成自适应MPP（最大功率点）偏移整流器，通过动态调整V_mpp至5V以下，实现在宽V_oc范围内的功率优化。

研究流程与方法
1. 整流器架构设计
- 核心模块：系统包含模式配置（φ_i）、偏置翻转整流、功率开关逻辑和电源级四部分。
- 自适应MPP偏移机制：采用4种模式（φ₁-φ₄），分别对应0、2×、3×和4×的V_oc衰减系数，通过内置的4个250pF飞行电容（C_f1-C_f4）动态切换，将理论V_mpp左移（例如，φ₄模式下V_oc衰减为1/4）。
- 数字控制：基于全数字占空比（DCB）的最大功率点跟踪（MPPT）模块，通过采样振动周期（T）和比较C_f4电压（V_f4）与击穿电压（V_break）自适应选择模式。

1. 工作流程

   • 启动阶段：系统初始化后采样振动周期，确定首次偏置翻转时刻。
     
   • 能量传输：在每种模式下，飞行电容以特定配置连接，分7个相位（p₁-p₇）完成能量从压电换能器（PT）到储能电容（C_s）的转移。例如，φ₄模式下，前3个相位将电荷从C_p传输至C_s，后3个相位反向复位。
     
   • 电压翻转：在PT电流过零时触发翻转，通过14MHz时钟驱动的子相位实现高效电荷转移。
     

2. 实验验证

   • 测试设置：采用180nm BCD工艺制造的芯片，驱动23nF压电换能器（谐振频率100Hz），在V_oc=7V和10V下测试。
     
   • 性能指标：测量结果显示，与传统整流器相比，本设计在V_oc=10V时输出功率达580.4µW（提升1.6倍），且在低V_oc下功率提升更显著（V_s=2V时达2.7倍）。
     
   • 能效优化：尽管翻转效率（η_f）仅60%，但由于能量部分保留在C_s中，整体能效未受显著影响。

主要结果与逻辑关系
- 功率特性：输出功率与V_oc呈二次方关系（传统设计为线性），验证了MPP偏移机制的有效性（图5）。
- 模式切换：V_f4接近5V时自动降阶模式（如φ₄→φ₃），确保电路安全（图3）。
- 系统鲁棒性：动态调整相位时长以适应高V_oc能量（图4），解决了传统设计对振动强度敏感的短板。

结论与价值
1. 科学价值：首次实现全集成自适应MPP偏移整流器，无需外接元件即解决高压V_oc下的功率瓶颈。
2. 应用价值：为高振动强度环境（如工业监测）的PEH系统提供小型化解决方案，1nF片上电容即实现优异性能（FOM指标超越同类设计）。
3. 技术突破：创新的多模式切换和数字MPPT算法，为后续高压能量收集芯片设计提供范式。

研究亮点
- 创新方法：通过电容网络重构而非电压钳位实现MPP动态偏移，兼顾效率与安全性。
- 全集成设计：仅需180nm工艺，避免了LDMOS的高成本问题。
- 可扩展性：增加模式数量可进一步提升V_oc适用范围（文中验证至20V）。

其他价值
- 论文对比了12项同类工作（图6），凸显本设计在集成度和FOM上的优势。
- 开关驱动电路（图3右下）采用背靠背结构，降低了导通损耗，为高频率操作提供支持。

此研究为CMOS压电能量收集领域提供了兼具理论深度和工程实用性的解决方案，相关成果可能推动自供电物联网设备的进一步发展。