针对自供电物联网设计的压电能量采集电源管理芯片研发

Battery power limitation has been a major issue in the development of the Internet of things (IoT). In recent years, energy harvesting technology has emerged, by “harvesting” vibration, temperature difference and light energy sources, to enable IoT nodes to be "self-powered", which can prolong the service life time greatly. Piezoelectric effect (vibration) energy is one of the most common ways of energy harvesting. Globally, there has been a large number of materials optimization and device structure research in recent years. However, for practical application, the system still has many bottlenecks in the area of power management chip and system design. How to design an effective and efficient power management solution for the advanced piezoelectric energy harvesting devices is a problem to be studied in this project...The design targets for power supply management including 1mW and sub-1mW high efficiency AC-DC conversion and source-power management impedance matching. In this framework, a power management chip for piezoelectric energy harvesting is proposed. In this project, IoT nodes energy consumption will be taken into consideration along with from the ambient energy density of piezoelectric energy harvesting device. Based on the input/output data and power analysis, the power management chip will be design and optimized accordingly to obtain higher energy conversion efficiency for IoT applications.

近15年来，物联网技术的发展始终存在一个主要技术屏障：电池供电寿命问题。为了延长系统电池寿命，能量采集技术应运而生，通过采集振动、温差等环境能量为物联网节点“自供电”，可使其使用寿命大幅提高。其中压电效应振动能量采集是最为常用的能量采集方式之一。国内外已进行了众多的材料优化和器件结构的研究，然而在实际应用中，该系统尚存在着电源管理方面的诸多不足。如何为先进压电能量采集器件设计合理而高效的电源管理芯片与系统是本课题将要解决的问题。.本课题电源管理设计包括：1）毫安功率等级的AC-DC转换 和2）含电源阻抗匹配功能的开关电源DC-DC变压两个子系统。在该框架下本着超低功率、数字控制开关电源管理芯片的设计原则，从物联网节点的能耗特性出发结合环境能量密度，选取合适的压电能量采集器件，在对器件充分测量与分析的基础上，再对电源管理芯片进行设计和优化，从而保证在实际应用中该芯片保持较高的能量转换效率。

项目背景：.能量采集技术可采集振动能量、温差能量、弱光太阳能等环境能量，为物联网、医用植入式电子器件、单兵穿戴式设备等提供电池供电以外的替代方案。国内在能量采集器件（如压电、电磁式振动能量采集器）的研究要更强于电源管理芯片的研究。但是如需将能量采集器件应用到实际场景中，其电源管理芯片起到举足轻重的作用。在此背景下，项目选择了最为常用的压电式能量采集电源管理芯片作为主要研究内容，展开集成电路设计、仿真、验证等研究工作。.主要研究内容：.本项目主要研究了面向压电能量采集的基于翻转-偏置原理的同步电感/电容AC-DC整流电路和面向1mW以下功率的DC-DC电路。着重对其中核心IP：1）精准电流基准源；2）低功耗比较器与开关控制电路；3）阻抗匹配电路进行了仿真与优化。最终将整体电路在SilTerra 180nm 标准CMOS和BCD CMOS工艺上实现成功流片。.重要结果：.通过仿真和流片验证了翻转-偏置型的AC-DC电路在能量采集应用中效率可达80%以上，尤其是在低电压（>1.8V和<5V）低电流（<1mA）条件下，其效率可达到全桥整流（FBR）效率（25.2%）的3倍以上。其启动电路可行、有效，最终结果在40-50Hz的振动源上，需要1.5g左右的加速度进行600-700次振动，可有效启动电路，周期约15秒。本项目在任务书中制定的“翻转-偏置”AC-DC电路的整体技术思路可行，并得到了有效的验证。.关键技术：.基于纯模拟电路的精确电感充-放电控制电路，其精度要求高（参考值控制在10nA以内）。该电路工艺依存度大、不同工艺之间效果差异大等问题，在本项目中使用了蒙特卡洛分析、工艺角测试与验证等，成功实现其核心误差与时序要求。.关键数据：.AC-DC部分端-端效率在使用阻抗匹配电路情况下达82.7%，输入端DC启动时间小于40msec。可应用于1-100Hz的振动源上，其包含DC-DC部分的整体效率可超过70%（考虑90%的DC-DC转换效率）。芯片在180nm工艺下，整体尺寸1.3*1.3mm2。.科学与经济价值：.该技术研发中产生的精准电流基准源与低功耗比较器、控制开关等核心技术具有良好的科学价值，其在能量采集领域及小功耗电路设计领域，如医学植入式设备（心脏起搏器、脑起搏器等）和高精度传感器等，具有重要的参考价值。该项目产生的专利具有一定的产业化经济价值。