在物聯網蓬勃發展的今天，為大量微型無線傳感器節點供電已成為一個亟待解決的挑戰。近日，復旦大學微電子學院/集成芯片與系統全國重點實驗室的陳之原青年研究員領銜的能量采集與電源管理芯片研究組在壓電能量采集技術領域取得重要研究成果，為這一挑戰提供了創新解決方案。
圖1 多壓電元件的實際應用示例：風能采集無線傳感器網絡R-PWEH，室內引導系統，互動廣告墻，互動地板系統。
研究團隊提出了一種基于共享電容的協同翻轉同步開關收集整流器（CF-SSHC）和多輸出DC-DC轉換器的壓電能量采集系統。該系統通過并聯三個壓電換能器單元,將翻轉相數增加到37相，是目前基于電容翻轉技術達到的最高翻轉相數，顯著提高了翻轉效率和輸出功率。而后續的DC-DC轉換器重復利用飛行電容，在寬輸入功率范圍內實現了較高的最大輸出功率改善率（MOPIR），并提供了多個輸出。此外，系統還具有出色的可擴展性，可適應不同數量的壓電換能器陣列配置，展現了其在物聯網應用中的潛力。
圖2 所提議的37相6級CF-SSHC的接口電路示意圖
圖3 所提議的37相6級CF-SSHC的運行階段
基于這一創新技術，該芯片采用180納米CMOS工藝制造。測量結果表明，電壓翻轉效率可達83%。與全橋整流器（FBR）相比，在非諧振和諧振激勵下，MOPIR可分別提高到5.06倍和4.78倍。在沖擊激勵下，它還可以實現2.14倍的功率提升。此外，當輸入功率在1.42μW-28.4μW范圍內時，所提出系統的MOPIR始終大于4。該研究不僅在壓電能量采集技術領域取得了重要進展，還為物聯網設備的可持續供電提供了新的解決方案，具有重要的理論意義和應用價值。
圖4. 壓電能量采集接口電路芯片、測試平臺（上圖）與相關測試波形（下圖）。
該研究成果以“Enhancing Efficiency in Piezoelectric Energy Harvesting: Collaborative-flip Synchronized Switch Harvesting on Capacitors Rectifier and Multi-Output DC-DC Converters Utilizing Shared Capacitors”為題，被集成電路設計領域的頂級期刊IEEE Journal of Solid-state Circuits錄用。復旦大學微電子學院/集成芯片與系統全國重點實驗室為該成果的第一完成單位，博士生王靜為第一作者，陳之原為該工作的通訊作者，其他作者包括復旦大學曾曉洋教授、韓軍研究員以及博士生楊毅；代爾夫特理工大學杜思俊教授、岳心玲博士，香港中文大學的劉尋教授以及張江實驗室的李楨博士。
上述工作得到了國家自然科學基金資助項目（編號：61934002）和國家重點研發計劃項目（編號：2023YFB4403603）的支持。
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https://ieeexplore.ieee.org/document/10685547
