自供电可穿戴WBAN的多源能量收集管理技术及其芯片研究

Self-powered the wearable Wireless Body Area Network (WBAN) by harvesting variety of ambient energies is an effective way to improve system robustness and self-sustainability. However, harvesting energy from various ambient sources still faces some key problems such as low efficiency, low sensitivity, high power consumption，difficult to self-startup and CMOS integration. The theory and methods of solving these key problems will be investigated in this project. To develop the theory of high performance energy harvesting technique, the devices and circuits level restriction mechanism in sub-uW energy harvesting will be investigated, and the corresponding physics and electrical models will be established. The mutual restraint mechanism between the self-starting circuit and the voltage transformation controller in the energy harvesting manager under sub-uW level power will be analyzed; high-performance ultra-low input voltage self-starting mechanism and new circuits structure will be develop. Ultra-low power, high efficiency power management and control theory and methods will be researched and new type of circuitry suitable for the effective management and control of a variety of sub-uW-level energy will be developed. Explore novel energy harvesting and transforming circuits, self-startup circuits, and ultra-low-power, high-efficiency power management and controllers for wearable WBANs. Finally, all of these CMOS integrated circuits will be designed, fabricated and measured.

通过采集多种环境能量实现可穿戴无线体域网(WBAN)的自供电是提高系统稳健性和自可持续性的有效方法，而今环境能量的收集与管理仍面临效率低、高功耗、自启动难以及CMOS集成等关键问题。本项目旨在探索解决这些关键问题的理论和方法：研究亚uW级功率下影响能量收集性能的器件级与电路级制约机制并建立相应的物理学与电学模型，发展高性能的能量收集技术理论；分析亚uW级功率情况下的能量收集管理器中自启动电路与电压变换控制器之间的相互制约机制，发展高性能的超低输入电压自启动机制及新型电路结构；研究超低功耗、高效率的电源管理与控制理论和方法，发展适用于对多种亚uW级能量进行有效管理与控制的新型电路系统；探索适用于可穿戴WBAN的新型能量收集与变换、自启动电路以及超低功耗、高效率电源管理与控制器并实现CMOS集成电路与系统协同设计，流片测试。

自组织、自可持续性、轻质量可穿戴WBAN所面临的关键制约因素是能量限制，潜在的解决办法是采用能量收集技术使系统从环境中收集能量，实现自供电或再充电。但从环境中收集单一能源的稳定性差、能量低，多源能量收集是解决这一问题的方法。本课题结合可穿戴WBAN的应用条件，开展针对射频能量、光能、热电能等多种能量的高效能量收集管理技术研究，对能量收集管理系统中的各模块电路进行集成电路与系统设计。在研究制约亚μW级能量收集转换性能的内部机制，分析各制约因素之间的内在关系的基础上，针对射频能量收集提出了负压断路关断型和地端断路关断型射频整流器，以及具有最大功率点跟踪（MPPT）控制的可配置多阶射频整流器，提高了射频能量收集的灵敏度，使其在较宽的输入功率范围内保持较高的转换效率，提高其适用性。结合不同环境能量的特点，开展无外加电源下能量收集系统的超低输入电压自启动机制及电路研究，根据自启动电路与电压变换器之间的相互制约关系，提出了开关电容升压和电感升压相结合的两级升压自启动电路等结构。从DCDC的调制方式，导通模式，控制策略以及反向泄漏电流抑制等方面开展高效率、超低功耗电源管理与控制理论和方法研究，发展了若干高适应性、高鲁棒性的能量收集、管理与控制方面的新电路结构，包括MPPT控制电路，工作模式可重构能量收集控制电路，新型电压基准电路，多能量融合升压电路等模块。以降低功耗，提高效率、灵敏度、输出电压和功率，为WBAN提供更稳健的能源为目标，针对射频、光、热等能量开展了若干种单源或多源能量收集管理系统芯片设计研究，包括具有射频和TEG双能量融合自启动的能量收集变换器，低自启动电压热电能量收集电源管理电路，热、光和振动三源能量收集管理系统，压电和热电收集双源自供电系统等。研究成果为环境能量收集、可穿戴生物医学设备、无线传感网络、集成电路设计等领域提供了新的理论和技术，具有重要的理论意义和应用价值。