集成化高效率能量获取关键技术研究

To solve the efficiency problem of the environmental vibration energy utilization, the project focuses on the research of key techniques of integrated high efficiency energy harvesting system. By studying the principles of energy harvesting, a high efficiency interface circuit and its control method is proposed to maximize the energy harvested from the collector. The rectifier is realized with gate voltage controlled MOS to reduce the conduction loss. The multi-mode control method is adopted to ensure the high efficiency of DC-DC converter over the entire operating range. A low start technique based on the bootstrap principle is adopted in the interface circuit, the rectifier and the DC-DC converter, to broaden the operating range. A fast adaptive maximum efficiency point tracking (MEPT) method is proposed to make the system work at the maximum efficiency point by a rational energy management. The energy harvesting system can be integrated by the integrated circuit design technology to meet the application requirements. The research results will be the theoretical and technical supports for the high-efficiency utilization and extensive application in micro-electronic systems of vibration energy. And they have great significance for promoting the utilization and development of environmental micro-energy.

本项目针对当前环境振动能量利用过程中存在的效率问题，展开集成化高效率能量获取关键技术的研究。主要研究内容包括：通过能量获取机理的研究，提出了高效率的接口电路及其控制方法，使得从采集器获取的能量达到最大；整流电路采用栅压控制的MOS管实现，降低了导通损耗；多模式控制方法保证了DC-DC转换电路在整个工作范围的高效率；接口电路、整流电路和DC-DC转换电路均采用基于自举原理的低压启动技术，拓宽了电路工作范围；本项目所提出的一种快速自适应最高效率点跟踪方法（MEPT）可使系统通过合理的能量管理即可始终工作在最高效率点。为更好地满足应用需求，研究采用集成电路设计技术，实现能量获取系统的集成化。项目的研究成果将为振动能量的高效利用及在微型电子系统领域的广泛应用提供理论和技术支持，对推动环境微能源的利用和发展具有重要意义。

自1999年美国加州大学伯克利分校研制成功由太阳能对无线传感网络节点供电技术以来，利用能量采集器将环境能源转换为电能以作为传统电源的替代或补充的研究，已经引起学术界和工业界的广泛关注。本项目基于环境振动能量利用过程中存在的效率问题，开展了能量高效获取关键技术的针对性研究：1）通过振动能量获取机理的研究，提出了两种新的高效率接口电路及其控制方法，有效提高了从压电式振动能量采集器提取电能的能力，使接口电路输出的平均功率显著提高；2）提出了一种自供电、自启动、无偏置、无静态功耗的有源整流电路，在减小整流电路自身功耗的同时，拓展了接口电路进行能量提取的电压范围；3）设计了一种多模式自适应四开关结构的DC-DC转换电路，拓展了工作电压范围，提高了输入输出压差较大时的转换效率，并通过PWM/PSM双模式控制方案，有效提高了系统轻载下的效率，实现了全输入电压、全负载范围的高效率；4）提出了最高效率点跟踪方法并进行了算法实现，保证系统始终工作在最高效率点，实现系统级的效率优化；5）电路均采用集成化设计方法，部分电路已进行了流片测试。本项目研究成果为环境振动能量的高效利用提供了坚实的理论和技术支持，有助于推动环境能源在微型电子系统领域中利用技术的发展。