在物联网蓬勃发展的今天，为大量微型无线传感器节点供电已成为一个亟待解决的挑战。近日，复旦大学微电子学院/集成芯片与系统全国重点实验室的陈之原青年研究员领衔的能量采集与电源管理芯片研究组在压电能量采集技术领域取得重要研究成果，为这一挑战提供了创新解决方案。
图1 多压电元件的实际应用示例：风能采集无线传感器网络R-PWEH [1]，室内引导系统，互动广告墙，互动地板系统[2]。
研究团队提出了一种基于共享电容的协同翻转同步开关收集整流器（CF-SSHC）和多输出DC-DC转换器的压电能量采集系统。该系统通过并联三个压电换能器单元,将翻转相数增加到37相，是目前基于电容翻转技术达到的最高翻转相数，显著提高了翻转效率和输出功率。而后续的DC-DC转换器重复利用飞行电容，在宽输入功率范围内实现了较高的最大输出功率改善率(MOPIR)，并提供了多个输出。此外，系统还具有出色的可扩展性，可适应不同数量的压电换能器阵列配置，展现了其在物联网应用中的潜力。
图2 所提议的37相6级CF-SSHC的接口电路示意图
图3 所提议的37相6级CF-SSHC的运行阶段
基于这一创新技术，该芯片采用180纳米CMOS工艺制造。测量结果表明，电压翻转效率可达83%。与全桥整流器（FBR）相比，在非谐振和谐振激励下，MOPIR可分别提高到5.06倍和4.78倍。在冲击激励下，它还可以实现2.14倍的功率提升。此外，当输入功率在1.42µW-28.4µW范围内时，所提出系统的MOPIR始终大于4。该研究不仅在压电能量采集技术领域取得了重要进展,还为物联网设备的可持续供电提供了新的解决方案,具有重要的理论意义和应用价值。
图4. 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）。
该研究成果以“Enhancing Efficiency in Piezoelectric Energy Harvesting: Collaborative-flip Synchronized Switch Harvesting on Capacitors Rectifier and Multi-Output DC-DC Converters Utilizing Shared Capacitors”（可点击“阅读原文”获取）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/集成芯片与系统全国重点实验室为该成果的第一完成单位，博士生王静为第一作者，陈之原为该工作的通讯作者，其他作者包括复旦大学曾晓洋教授、韩军研究员以及博士生杨毅；代尔夫特理工大学杜思俊教授、岳心玲博士，香港中文大学的刘寻教授以及张江实验室的李桢博士。
上述工作得到了国家自然科学基金资助项目（编号：61934002）和国家重点研发计划项目（编号：2023YFB4403603）的支持。
