基于压电能量收集的集成电路的研究与设计

摘要

电池供电已经成为制约无线传感器节点进行大规模部署的主要瓶颈。使用压电能量收集器从机械振动中收集能量为节点供电，是延长电池使用寿命或完全取代电池的有效途径。设计一个高效率、低功耗的压电能量收集电路是成功收集压电能量的关键。压电能量收集电路的主要任务是在自供电运行的情况下，对压电能量收集器输出的电能进行收集与管理，为负载提供规定的电压或电流。随着集成电路设计技术和制造工艺的发展，以及低功耗电路技术的不断改进，电子电路的效率得到了进一步提高，进而推动了基于压电能量收集的集成电路的发展。
　　本文以悬臂梁结构的压电能量收集器为研究对象，从高效提取与传输压电能量的角度出发，对自供电式压电能量收集的集成电路展开研究，特别是对基于非线性技术的压电能量提取方法及相应的电路进行了较深入的研究。在研究分析压电能量收集器的自身特性和常用接口电路的基础上，本文设计与实现了多款自供电式基于压电能量收集的集成电路，并流片验证了其中3款电路。本文创新性的主要工作有：
　　(1)针对电感同步开关能量收集(Synchronized Switch Harvesting on Inductor, SSHI)技术中同步开关时序难以精确控制的问题，提出了一种自供电式集成有源整流器的 SSHI优化电路结构。提出的电路将 SSHI电路集成于桥式有源整流器中，通过在 SSHI电路的每个谐振环路中插入一个有源二极管，确保了电容电压在最优时间段翻转，避免了对同步开关时序的外部调节与控制。插入的有源二极管也被用于整流器中，进一步简化了控制器，降低了电路的功耗。设计并流片验证了该电路。在此基础上，扩展了已提出的电路技术，设计并实现了另外两种用于压电能量收集的集成电路。第一个电路用体二极管取代有源二极管，实现了内部电容电压的优化翻转，降低了二极管的功耗；第二个电路实现了本文提出的SSHI电路的空转策略，使得电路可以从输出电压极低的压电换能器中提取能量。
　　(2)提出了一种自供电式低功耗压电能量收集电路系统，该系统集成了SSHI优化电路和一个基于开路电压法的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT)电路。提出的电路系统有三种能量管理模式，使得系统即便在电池电量耗尽的情况下也能完成冷启动，实现自供电。当压电能量收集器能够提供足够的能量时，系统能够激活 SSHI和 MPPT电路，高效地完成压电能量的提取和传输。使用了5种低功耗策略以减少电路自身的功耗，包括使用异步控制方式、使用PSM调制方法、使用DC-DC转换器的断续导电运行模式、使用纳安级偏置电流与低电压供电轨、以及使用接近零静态功耗的动态电路和有源二极管。设计并流片验证了该电路。
　　(3)针对带滤波电容的全桥整流器在整流过程中不可避免会限制压电能量收集器输出功率的问题，提出了一种自供电式集成 SSHI技术的高频开关整流的能量收集电路。该电路使用一个直接AC-DC转换器实现了SSHI策略、直接阻性匹配以及AC-DC转换。利用(1)和(2)中已流片验证的基本电路功能模块，使用CMOS工艺实现了提出的电路。实验结果表明相比于典型的 SSHI接口电路，提出的电路能够输出足够高的DC电压，增加了输出功率。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2压电能量收集

1.3设计基于压电能量收集的集成电路面临的挑战

1.4国内外研究现状

1.5本文的主要工作和组织结构

第2章 压电能量收集概述

2.1压电效应原理

2.2压电能量收集器的机械与电学模型

2.3压电能量收集器的源阻抗特性分析

2.4常见接口电路的效率分析

2.5电气机械耦合系数

2.6小结

第3章 压电能量收集器模型参数提取与理论实例研究

3.1模型参数提取

3.2常见接口电路的理论实例研究

3.3小结

第4章 自供电式集成有源整流器的电感同步开关电路优化设计与实现

4.1电感同步开关技术的相关工作

4.2电感同步开关电路优化设计

4.3集成电路实现

4.4测试结果

4.5技术扩展1—体二极管翻转电压的电感同步开关优化电路

4.6技术扩展2—收集极低压电电压能量的电感同步开关优化电路

4.7小结

第5章 自供电式电感同步开关技术和自适应负载的能量管理电路设计与实现

5.1相关工作

5.2压电能量收集电路系统设计

5.3集成电路实现

5.4测试结果

5.5小结

第6章 自供电式带电感同步开关技术高频开关整流能量收集电路设计与实现

6.1相关工作

6.2高频开关整流直接AC-DC变换的能量收集电路设计

6.3集成电路实现

6.4仿真模拟结果

6.5小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间发表的论文以及专利

附录B 攻读博士学位期间参与项目目录