復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院青年研究員陳之原領(lǐng)導(dǎo)的能量采集與電源管理芯片研究組一直致力于環(huán)境能量采集技術(shù)以及電源管理技術(shù)的理論創(chuàng)新和芯片實現(xiàn)研究，工作涵蓋了機(jī)械能、太陽能、無線能收集與交直流電壓轉(zhuǎn)換等多個領(lǐng)域范疇。近日，該研究組在壓電能量采集接口電路方向取得重要科研進(jìn)展。
研究背景
進(jìn)入智能物聯(lián)網(wǎng)時代，無線傳感網(wǎng)絡(luò)被廣泛應(yīng)用在包括環(huán)境監(jiān)測、智慧大廈、生物醫(yī)療等各種領(lǐng)域。無線傳感器節(jié)點通過傳感器采集附近的物理數(shù)據(jù)，經(jīng)處理分析后幫助人實現(xiàn)與環(huán)境更好的交互。伴隨著傳感器節(jié)點的不斷增多，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的供電問題日益突顯。因此，研究者希望通過采集周圍環(huán)境中的能量來取代電池供能，幫助無線傳感網(wǎng)絡(luò)實自供電。
圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（上圖）；振動能供電的無線傳感節(jié)點（下圖）
在各種環(huán)境能中，振動能相較其他能量源更易于獲得，且不易受到光照、溫度等環(huán)境因素的影響，適用于為超低功率無線傳感器和生物醫(yī)學(xué)傳感器供電。振動能可以通過壓電換能器（PT）來采集，再經(jīng)接口電路轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的電源。然而，傳統(tǒng)的壓電能量采集接口路通常需借助片外無源器件進(jìn)行電壓翻轉(zhuǎn)來提高AC-DC的轉(zhuǎn)換效率，以及利用無源器件設(shè)計DC-DC轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換和最大功率點追蹤（MPPT）。這些方案犧牲了系統(tǒng)的集成度，使之難以應(yīng)用于對系統(tǒng)體積具有嚴(yán)格限制的場景中，如植入式醫(yī)療設(shè)備與微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）等。
圖2 壓電換能器機(jī)械結(jié)構(gòu)與理論模型
成果介紹
最近，復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院青年研究員陳之原領(lǐng)導(dǎo)的研究組在壓電換能器陣列的研究中提出了一種創(chuàng)新的設(shè)計方案，特別是在交流至直流（AC-DC）轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。該團(tuán)隊提出了一種基于多輸入壓電換能器陣列的自翻轉(zhuǎn)技術(shù)。這種技術(shù)利用輸入陣列中一半的壓電換能器單元作為翻轉(zhuǎn)電容，實現(xiàn)了在不引入額外無源器件的情況下的偏置翻轉(zhuǎn)。此外，該課題組還進(jìn)一步開發(fā)了電荷回收再利用式自翻轉(zhuǎn)技術(shù)（SBFRR）。通過串聯(lián)壓電換能器（PT）將電荷回收到過渡電容上，這種方法可以減少因電荷清零而產(chǎn)生的損耗。電壓翻轉(zhuǎn)完成后，再將回收的電荷重新投資到PT上，以提高重建電壓，顯著提升系統(tǒng)的能效。這種技術(shù)的提出為能量轉(zhuǎn)換和管理領(lǐng)域帶來了新的視角，特別是在提高能效和減少能量損耗方面具有重要意義。
在對采集到的壓電能量后續(xù)進(jìn)行的直流至直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換方面，研究組提出了一種基于多輸入壓電換能器（PT）陣列的開關(guān)PT式DC-DC轉(zhuǎn)換器（SPDC）。這項技術(shù)的核心在于將PT單元作為飛行電容使用，實現(xiàn)了DC-DC轉(zhuǎn)換功能，同時避免了引入額外的無源器件。SPDC的一個重要特點是它能夠調(diào)節(jié)電壓轉(zhuǎn)換比，這使得它可以實現(xiàn)最大功率點追蹤（MPPT）。通過調(diào)節(jié)SPDC的電壓轉(zhuǎn)換比，系統(tǒng)能夠自動調(diào)整到最佳工作點，從而優(yōu)化能源的利用效率。這種開關(guān)PT式DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計在能源轉(zhuǎn)換和管理領(lǐng)域尤其有價值，因為它不僅提高了能效，還簡化了電路設(shè)計。通過將PT單元直接用于能量轉(zhuǎn)換，該技術(shù)提供了一種創(chuàng)新的解決方案，以滿足日益增長的對高效、緊湊能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的需求。
圖3 壓電換能器接口技術(shù)對比：基于DC-DC轉(zhuǎn)換器的傳統(tǒng)壓電能量采集電路（上圖）；基于SPDC技術(shù)的提議壓電能量采集電路（下圖）
圖4 提議的SPDC技術(shù)的三階段操作示例
研究組基于研發(fā)的創(chuàng)新技術(shù)，設(shè)計了一款高集成、高能效的壓電能量采集芯片。這款芯片的獨特之處在于它創(chuàng)新地利用時分復(fù)用的方式，使得壓電換能器能在能量源、飛行電容器和翻轉(zhuǎn)電容三種角色之間轉(zhuǎn)換。這種設(shè)計方法使得芯片能在不引入任何額外無源器件的情況下，同時實現(xiàn)高效的電壓翻轉(zhuǎn)和DC-DC轉(zhuǎn)換。該芯片采用180納米CMOS工藝設(shè)計，其面積僅為0.7平方毫米。從測量結(jié)果來看，翻轉(zhuǎn)效率高達(dá)80%，最大輸出功率提升率（MOPIR）達(dá)到了4.88。在0.78V到4.9V的輸入電壓范圍內(nèi)，該芯片能夠維持3.5以上的MOPIR，表明其在不同輸入條件下都保持高效性能。此外，性能優(yōu)越度（FoM）是一個重要指標(biāo)，用于衡量每單位體積的性能提升。這款芯片的FoM值達(dá)到了0.49，這在全球范圍內(nèi)來看是一個非常高的數(shù)值，表明它是目前世界上最緊湊、高效的壓電換能器能量收集電路之一。
圖5 壓電能量采集接口電路芯片、測試平臺（上圖）與相關(guān)測試波形（下圖）
上述關(guān)于壓電自翻轉(zhuǎn)技術(shù)的理論研究以“A Self-bias-flip with Charge Recycle Interface Circuit with No External Energy Reservoir for Piezoelectric Energy Harvesting Array”為題，發(fā)表在電力電子領(lǐng)域一流國際學(xué)術(shù)期刊IEEE Transactions on Power Electronics上。研發(fā)的高集成高能效壓電能量采集芯片則以“Piezoelectric Energy Harvesting Interface Using Self-bias-flip Rectifier and Switched-PEH DC-DC for MPPT”為題，被集成電路設(shè)計領(lǐng)域的頂級期刊IEEE Journal of Solid-state Circuits錄用。
復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院為兩項成果的第一完成單位，博士生李楨為第一作者，陳之原為該工作的通訊作者，其他作者包括曾曉洋教授、韓軍研究員、程旭副研究員以及博士生王靜、王佳偉；上海科技大學(xué)梁俊睿副教授、代爾夫特理工大學(xué)杜思俊副教授、南方科技大學(xué)姜俊敏副教授、澳門大學(xué)的羅文基教授等為合作單位作者。
《基于摩擦電的能量收集和傳感（TENG）-2020版》
《熱電能量收集及其它零排放熱能發(fā)電-2022版》
《從微瓦到吉瓦的能量收集技術(shù)及市場機(jī)遇-2020版》
