复旦大学微电子学院青年研究员陈之原领导的能量采集与电源管理芯片研究组一直致力于环境能量采集技术以及电源管理技术的理论创新和芯片实现研究，工作涵盖了机械能、太阳能、无线能收集与交直流电压转换等多个领域范畴。近日，该研究组在压电能量采集接口电路方向取得重要科研进展。
研究背景
进入智能物联网时代，无线传感网络被广泛应用在包括环境监测、智慧大厦、生物医疗等各种领域。无线传感器节点通过传感器采集附近的物理数据，经处理分析后帮助人实现与环境更好的交互。伴随着传感器节点的不断增多，无线传感网络的供电问题日益突显。因此，研究者希望通过采集周围环境中的能量来取代电池供能，帮助无线传感网络实自供电。
图1 无线传感网络拓扑结构（上图）；振动能供电的无线传感节点（下图）
在各种环境能中，振动能相较其他能量源更易于获得，且不易受到光照、温度等环境因素的影响，适用于为超低功率无线传感器和生物医学传感器供电。振动能可以通过压电换能器（PT）来采集，再经接口电路转换为负载所需的电源。然而，传统的压电能量采集接口路通常需借助片外无源器件进行电压翻转来提高AC-DC的转换效率，以及利用无源器件设计DC-DC转换器来实现电压转换和最大功率点追踪（MPPT）。这些方案牺牲了系统的集成度，使之难以应用于对系统体积具有严格限制的场景中，如植入式医疗设备与微机电系统（MEMS）等。
图2 压电换能器机械结构与理论模型
成果介绍
最近，复旦大学微电子学院青年研究员陈之原领导的研究组在压电换能器阵列的研究中提出了一种创新的设计方案，特别是在交流至直流（AC-DC）转换领域。该团队提出了一种基于多输入压电换能器阵列的自翻转技术。这种技术利用输入阵列中一半的压电换能器单元作为翻转电容，实现了在不引入额外无源器件的情况下的偏置翻转。此外，该课题组还进一步开发了电荷回收再利用式自翻转技术（SBFRR）。通过串联压电换能器（PT）将电荷回收到过渡电容上，这种方法可以减少因电荷清零而产生的损耗。电压翻转完成后，再将回收的电荷重新投资到PT上，以提高重建电压，显著提升系统的能效。这种技术的提出为能量转换和管理领域带来了新的视角，特别是在提高能效和减少能量损耗方面具有重要意义。
在对采集到的压电能量后续进行的直流至直流（DC-DC）转换方面，研究组提出了一种基于多输入压电换能器（PT）阵列的开关PT式DC-DC转换器（SPDC）。这项技术的核心在于将PT单元作为飞行电容使用，实现了DC-DC转换功能，同时避免了引入额外的无源器件。SPDC的一个重要特点是它能够调节电压转换比，这使得它可以实现最大功率点追踪（MPPT）。通过调节SPDC的电压转换比，系统能够自动调整到最佳工作点，从而优化能源的利用效率。这种开关PT式DC-DC转换器的设计在能源转换和管理领域尤其有价值，因为它不仅提高了能效，还简化了电路设计。通过将PT单元直接用于能量转换，该技术提供了一种创新的解决方案，以满足日益增长的对高效、紧凑能源转换技术的需求。
图3 压电换能器接口技术对比：基于DC-DC转换器的传统压电能量采集电路（上图）；基于SPDC技术的提议压电能量采集电路（下图）
图4 提议的SPDC技术的三阶段操作示例
研究组基于研发的创新技术，设计了一款高集成、高能效的压电能量采集芯片。这款芯片的独特之处在于它创新地利用时分复用的方式，使得压电换能器能在能量源、飞行电容器和翻转电容三种角色之间转换。这种设计方法使得芯片能在不引入任何额外无源器件的情况下，同时实现高效的电压翻转和DC-DC转换。该芯片采用180纳米CMOS工艺设计，其面积仅为0.7平方毫米。从测量结果来看，翻转效率高达80%，最大输出功率提升率（MOPIR）达到了4.88。在0.78V到4.9V的输入电压范围内，该芯片能够维持3.5以上的MOPIR，表明其在不同输入条件下都保持高效性能。此外，性能优越度（FoM）是一个重要指标，用于衡量每单位体积的性能提升。这款芯片的FoM值达到了0.49，这在全球范围内来看是一个非常高的数值，表明它是目前世界上最紧凑、高效的压电换能器能量收集电路之一。
图5 压电能量采集接口电路芯片、测试平台（上图）与相关测试波形（下图）
上述关于压电自翻转技术的理论研究以“A Self-bias-flip with Charge Recycle Interface Circuit with No External Energy Reservoir for Piezoelectric Energy Harvesting Array”为题，发表在电力电子领域一流国际学术期刊IEEE Transactions on Power Electronics上。研发的高集成高能效压电能量采集芯片则以“Piezoelectric Energy Harvesting Interface Using Self-bias-flip Rectifier and Switched-PEH DC-DC for MPPT”为题，被集成电路设计领域的顶级期刊IEEE Journal of Solid-state Circuits录用。
复旦大学微电子学院为两项成果的第一完成单位，博士生李桢为第一作者，陈之原为该工作的通讯作者，其他作者包括曾晓洋教授、韩军研究员、程旭副研究员以及博士生王静、王佳伟；上海科技大学梁俊睿副教授、代尔夫特理工大学杜思俊副教授、南方科技大学姜俊敏副教授、澳门大学的罗文基教授等为合作单位作者。
《基于摩擦电的能量收集和传感（TENG）-2020版》
《热电能量收集及其它零排放热能发电-2022版》
《从微瓦到吉瓦的能量收集技术及市场机遇-2020版》
