国家自然科学基金项目结题成果科普性介绍

    本项目是来源于国家自然科学基金， 题名：压电发电机自动变频谐振共轭匹配高效能量提取电路及其关键技术（61531008），起止时间 2016.1-2020.12。本项目工作简单总结如下：

1. 主要研究内容、 研究方法及研究结果

    压电发电机作为能量转换器件，得到较为广泛应用，但是，由于其内部容性内阻，其输出量非常有限，极大限制在自然环境及微能源采集上的应用。压电发电机高效能量提取电路，能够最大化将压电换能器的能量输出。本项目主要针对压电发电机电源管理电路在通常应用环境遇到的4个核心关键问题展开研究：

1）压电发电机的最大功率输出问题

    容性内阻的压电发电系统通常输出功率都不高，如何将压电发电机的功率最大化输出，是能量采集电路面临的核心关键问题。压电发电机只有将最大功率输出，才能克服电路损耗带来影响，有效的将能量储存，为负载提供所需能源供给。本项目通过加入谐振变压器与压电元件构成谐振电路，消除压电元件内阻中虚部，实现最大功率输出。

2）随机可变信号压电发电机高效能量采集问题

    由于压电发电机所处环境千差万别，采集能量信号可能非常复杂，不仅频率可变，甚至是随机信号。要将如此微弱、没有任何规律信号高效能量采集、储存，避免随机信号相互抵消，才能使压电发电机不仅仅应用于固定信号特征的场合，还能应用于更多信号频率、幅度、相位都无法确定地方。本项目采用变频匹配，将信号变换到一个固定频率进行匹配处理，实现高效能量采集。

3）压电发电机非常低阈值的能量采集问题

    压电发电机在弱输入时，输出功率和电压非常低，传统电子元件都无法正常工作，给传统能量采集电路带来无法逾越的挑战。本项目对于微弱压电元件产生的输出，通过提高谐振回路品质因数，使信号产生积累和放大，满足较大功率输出。

4）针对各种压电发电系统的自动高效能量采集集成芯片问题

    不同压电发电机由于内部容性阻抗各不相同，要实现共轭匹配的电感也不同。要实现能够普遍应用的集成电路芯片，压电发电机必须能够自动搜索、逐步逼近实现电感量调节和共轭匹配，满足最大功率输出。本项目通过监测充电功率，自动调节与不同压电元件匹配电感值，保证上变频后回路谐振匹配。用低功耗、全硬件、通用的集成电路芯片满足各种压电发电机要求，便于进一步集成。

2.主要研究成果

    本项目的主要研究成果和创新点如下：

    1) 提出多种针对不同压电发电机实现高效自动匹配能量采集电路。根据不同压电元件，通过监测充电功率，自动调节与不同压电元件匹配电感值，保证上变频后，高效实现谐振共轭匹配，满足最大功率输出。能够实现对于不同压电发电机自动高效能量采集，为无线传感器节点供电。

    2) 分别用石英晶振和电感构造无源谐振聚能匹配电路，满足谐振匹配回路极高的Q值，降低变频带来损耗，使得微弱信号能够积累和放大，产生更强的输出电压和功率信号。解决非常弱环境中超低阈值输出压电发电机无法工作问题。

    3) 利用开关上变频实现共轭匹配压电发电机高效能量采集电路，解决了在随机信号谐振匹配能量高效收集问题。通过提高开关变频后谐振回路Q值，降低非线性变频损耗，将随机弱信号高效变换到一个固定高频信号，进行共轭匹配处理，实现高效能量转换和采集。

    4) 提出一种针对容性内阻压电发电机能量采集的谐振共轭匹配原理。通过高效的谐振共轭匹配电路、阻抗变换电路、储能电路，降低谐振回路和阻抗变换电路损耗，最大化将换能器能量存储到储能元件。研究电能瞬间释放电路，从而确保无线传感器节点在弱能量输入环境时正常工作。

    5) 针对10Hz-1kHz的多种压电发电机，研制高效能量采集电路，经过上变频，实现谐振共轭阻抗匹配，能使压电发电机最大功率输出，效率达到80%以上。研究能够压电发电机提供匹配输出的低功耗管理电路，能够驱动发射功率 100mW以上无线传感器节点，保证传感器和其他电子设备高效工作。

    6) 设计非常低阈值的能量采集电路，通过能量储存，实现对非常弱压电发电机输出能量采集。针对微弱(≤10uW) 压电发电机，建立低阈值能量转换和采集电路，最低功耗低于5uW。高效转化和储存能量，驱动短距离无线传感器节点(<10mW)和较弱的电子设备。

    7) 针对不同压电发电机（不同容性内阻），实现高效自动匹配能量采集电路，功耗小于5uW，能够实现对于不同压电发电机高效能量采集。

    8) 采用标准的130nm CMOS工艺，设计、加工和测试了集成电路芯片，将研究成果在集成电路芯片上初步实现，为今后量产和大规模推广应用提供保证。

    9) 申报或授权发明专利18项。发表45篇研究论文，其中SCI收录29篇，国际会议特邀报告2次。培养毕业博士和硕士研究生13人。