復旦大學微電子學院青年研究員陳之原領導的能量采集與電源管理芯片研究組一直致力于環境能量采集技術以及電源管理技術的理論創新和芯片實現研究，工作涵蓋了機械能、太陽能、無線能收集與交直流電壓轉換等多個領域范疇。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展。

研究背景

進入智能物聯網時代，無線傳感網絡被廣泛應用在包括環境監測、智慧大廈、生物醫療等各種領域。無線傳感器節點通過傳感器采集附近的物理數據，經處理分析后幫助人實現與環境更好的交互。伴隨著傳感器節點的不斷增多，無線傳感網絡的供電問題日益突顯。因此，研究者希望通過采集周圍環境中的能量來取代電池供能，幫助無線傳感網絡實自供電。

圖1 無線傳感網絡拓撲結構（上圖）；振動能供電的無線傳感節點（下圖）

在各種環境能中，振動能相較其他能量源更易于獲得，且不易受到光照、溫度等環境因素的影響，適用于為超低功率無線傳感器和生物醫學傳感器供電。振動能可以通過壓電換能器（PT）來采集，再經接口電路轉換為負載所需的電源。然而，傳統的壓電能量采集接口路通常需借助片外無源器件進行電壓翻轉來提高AC-DC的轉換效率，以及利用無源器件設計DC-DC轉換器來實現電壓轉換和最大功率點追蹤（MPPT）。這些方案犧牲了系統的集成度，使之難以應用于對系統體積具有嚴格限制的場景中，如植入式醫療設備與微機電系統（MEMS）等。

圖2 壓電換能器機械結構與理論模型

成果介紹

最近，復旦大學微電子學院青年研究員陳之原領導的研究組在壓電換能器陣列的研究中提出了一種創新的設計方案，特別是在交流至直流（AC-DC）轉換領域。該團隊提出了一種基于多輸入壓電換能器陣列的自翻轉技術。這種技術利用輸入陣列中一半的壓電換能器單元作為翻轉電容，實現了在不引入額外無源器件的情況下的偏置翻轉。此外，該課題組還進一步開發了電荷回收再利用式自翻轉技術（SBFRR）。通過串聯壓電換能器（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生的損耗。電壓翻轉完成后，再將回收的電荷重新投資到PT上，以提高重建電壓，顯著提升系統的能效。這種技術的提出為能量轉換和管理領域帶來了新的視角，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進行的直流至直流（DC-DC）轉換方面，研究組提出了一種基于多輸入壓電換能器（PT）陣列的開關PT式DC-DC轉換器（SPDC）。這項技術的核心在于將PT單元作為飛行電容使用，實現了DC-DC轉換功能，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節電壓轉換比，這使得它可以實現最大功率點追蹤（MPPT）。通過調節SPDC的電壓轉換比，系統能夠自動調整到最佳工作點，從而優化能源的利用效率。這種開關PT式DC-DC轉換器的設計在能源轉換和管理領域尤其有價值，因為它不僅提高了能效，還簡化了電路設計。通過將PT單元直接用于能量轉換，該技術提供了一種創新的解決方案，以滿足日益增長的對高效、緊湊能源轉換技術的需求。

圖3 壓電換能器接口技術對比：基于DC-DC轉換器的傳統壓電能量采集電路（上圖）；基于SPDC技術的提議壓電能量采集電路（下圖）

圖4 提議的SPDC技術的三階段操作示例

研究組基于研發的創新技術，設計了一款高集成、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新地利用時分復用的方式，使得壓電換能器能在能量源、飛行電容器和翻轉電容三種角色之間轉換。這種設計方法使得芯片能在不引入任何額外無源器件的情況下，同時實現高效的電壓翻轉和DC-DC轉換。該芯片采用180納米CMOS工藝設計，其面積僅為0.7平方毫米。從測量結果來看，翻轉效率高達80%，最大輸出功率提升率（MOPIR）達到了4.88。在0.78V到4.9V的輸入電壓范圍內，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，性能優越度（FoM）是一個重要指標，用于衡量每單位體積的性能提升。這款芯片的FoM值達到了0.49，這在全球范圍內來看是一個非常高的數值，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）與相關測試波形（下圖）

上述關于壓電自翻轉技術的理論研究以“A Self-bias-flip with Charge Recycle Interface Circuit with No External Energy Reservoir for Piezoelectric Energy Harvesting Array”為題，發表在電力電子領域一流國際學術期刊IEEE Transactions on Power Electronics上。研發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；上海科技大學梁俊睿副教授、代爾夫特理工大學杜思俊副教授、南方科技大學姜俊敏副教授、澳門大學的羅文基教授等為合作單位作者。

審核編輯：劉清