基于壓電能量收集的集成電路的研究與設(shè)計(jì).pdf

1、電池供電已經(jīng)成為制約無線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行大規(guī)模部署的主要瓶頸。使用壓電能量收集器從機(jī)械振動(dòng)中收集能量為節(jié)點(diǎn)供電，是延長電池使用壽命或完全取代電池的有效途徑。設(shè)計(jì)一個(gè)高效率、低功耗的壓電能量收集電路是成功收集壓電能量的關(guān)鍵。壓電能量收集電路的主要任務(wù)是在自供電運(yùn)行的情況下，對(duì)壓電能量收集器輸出的電能進(jìn)行收集與管理，為負(fù)載提供規(guī)定的電壓或電流。隨著集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝的發(fā)展，以及低功耗電路技術(shù)的不斷改進(jìn)，電子電路的效率得到了進(jìn)一步提高，

2、進(jìn)而推動(dòng)了基于壓電能量收集的集成電路的發(fā)展。
　　本文以懸臂梁結(jié)構(gòu)的壓電能量收集器為研究對(duì)象，從高效提取與傳輸壓電能量的角度出發(fā)，對(duì)自供電式壓電能量收集的集成電路展開研究，特別是對(duì)基于非線性技術(shù)的壓電能量提取方法及相應(yīng)的電路進(jìn)行了較深入的研究。在研究分析壓電能量收集器的自身特性和常用接口電路的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了多款自供電式基于壓電能量收集的集成電路，并流片驗(yàn)證了其中3款電路。本文創(chuàng)新性的主要工作有：
　　(1)針對(duì)電感

3、同步開關(guān)能量收集(Synchronized Switch Harvesting on Inductor, SSHI)技術(shù)中同步開關(guān)時(shí)序難以精確控制的問題，提出了一種自供電式集成有源整流器的 SSHI優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)。提出的電路將 SSHI電路集成于橋式有源整流器中，通過在 SSHI電路的每個(gè)諧振環(huán)路中插入一個(gè)有源二極管，確保了電容電壓在最優(yōu)時(shí)間段翻轉(zhuǎn)，避免了對(duì)同步開關(guān)時(shí)序的外部調(diào)節(jié)與控制。插入的有源二極管也被用于整流器中，進(jìn)一步簡化了控制器

4、，降低了電路的功耗。設(shè)計(jì)并流片驗(yàn)證了該電路。在此基礎(chǔ)上，擴(kuò)展了已提出的電路技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了另外兩種用于壓電能量收集的集成電路。第一個(gè)電路用體二極管取代有源二極管，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)部電容電壓的優(yōu)化翻轉(zhuǎn)，降低了二極管的功耗；第二個(gè)電路實(shí)現(xiàn)了本文提出的SSHI電路的空轉(zhuǎn)策略，使得電路可以從輸出電壓極低的壓電換能器中提取能量。
　　(2)提出了一種自供電式低功耗壓電能量收集電路系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了SSHI優(yōu)化電路和一個(gè)基于開路電壓法的最大功率點(diǎn)跟

5、蹤(Maximum Power Point Tracking, MPPT)電路。提出的電路系統(tǒng)有三種能量管理模式，使得系統(tǒng)即便在電池電量耗盡的情況下也能完成冷啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)自供電。當(dāng)壓電能量收集器能夠提供足夠的能量時(shí)，系統(tǒng)能夠激活 SSHI和 MPPT電路，高效地完成壓電能量的提取和傳輸。使用了5種低功耗策略以減少電路自身的功耗，包括使用異步控制方式、使用PSM調(diào)制方法、使用DC-DC轉(zhuǎn)換器的斷續(xù)導(dǎo)電運(yùn)行模式、使用納安級(jí)偏置電流與低電壓供電

6、軌、以及使用接近零靜態(tài)功耗的動(dòng)態(tài)電路和有源二極管。設(shè)計(jì)并流片驗(yàn)證了該電路。
　　(3)針對(duì)帶濾波電容的全橋整流器在整流過程中不可避免會(huì)限制壓電能量收集器輸出功率的問題，提出了一種自供電式集成 SSHI技術(shù)的高頻開關(guān)整流的能量收集電路。該電路使用一個(gè)直接AC-DC轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了SSHI策略、直接阻性匹配以及AC-DC轉(zhuǎn)換。利用(1)和(2)中已流片驗(yàn)證的基本電路功能模塊，使用CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了提出的電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相比于典型的 SS