基于壓電能量收集的集成電路的研究與設計.pdf

1、電池供電已經(jīng)成為制約無線傳感器節(jié)點進行大規(guī)模部署的主要瓶頸。使用壓電能量收集器從機械振動中收集能量為節(jié)點供電，是延長電池使用壽命或完全取代電池的有效途徑。設計一個高效率、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是在自供電運行的情況下，對壓電能量收集器輸出的電能進行收集與管理，為負載提供規(guī)定的電壓或電流。隨著集成電路設計技術(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，電子電路的效率得到了進一步提高，

2、進而推動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象，從高效提取與傳輸壓電能量的角度出發(fā)，對自供電式壓電能量收集的集成電路展開研究，特別是對基于非線性技術(shù)的壓電能量提取方法及相應的電路進行了較深入的研究。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上，本文設計與實現(xiàn)了多款自供電式基于壓電能量收集的集成電路，并流片驗證了其中3款電路。本文創(chuàng)新性的主要工作有：
　　(1)針對電感

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電路的每個諧振環(huán)路中插入一個有源二極管，確保了電容電壓在最優(yōu)時間段翻轉(zhuǎn)，避免了對同步開關(guān)時序的外部調(diào)節(jié)與控制。插入的有源二極管也被用于整流器中，進一步簡化了控制器

4、，降低了電路的功耗。設計并流片驗證了該電路。在此基礎上，擴展了已提出的電路技術(shù)，設計并實現(xiàn)了另外兩種用于壓電能量收集的集成電路。第一個電路用體二極管取代有源二極管，實現(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；第二個電路實現(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)化電路和一個基于開路電壓法的最大功率點跟

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，實現(xiàn)自供電。當壓電能量收集器能夠提供足夠的能量時，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)導電運行模式、使用納安級偏置電流與低電壓供電

6、軌、以及使用接近零靜態(tài)功耗的動態(tài)電路和有源二極管。設計并流片驗證了該電路。
　　(3)針對帶濾波電容的全橋整流器在整流過程中不可避免會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。該電路使用一個直接AC-DC轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了SSHI策略、直接阻性匹配以及AC-DC轉(zhuǎn)換。利用(1)和(2)中已流片驗證的基本電路功能模塊，使用CMOS工藝實現(xiàn)了提出的電路。實驗結(jié)果表明相比于典型的 SS