信息学院梁俊睿课题组提出新型动能收集电路

ON2020-12-04CATEGORY科研进展

环境能量收集技术为无源、泛在、免维护物联网设备的实现提供了最有前途的能源解决方案。其中,机械动能广泛存在于人类的生产生活中,机械运动同时搭载许多运动信息,如何高效收集和利用机械动能为未来无源物联网设备供电,这是近年在材料科学、机械力学、电气电子、通信计算等研究领域都备受关注的研究课题之一。

信息学院智慧能源中心(CiPES)梁俊睿课题组提出了一款名为“串联型同步三次偏置翻转”(S-S3BF)的压电动能收集电路,探讨如何在使用较少外围电容器件的情况下,通过功能复用尽可能地提升压电动能收集效能。较以往提出的压电动能收集电路而言,该电路方案在提升压电能量收集效能的同时,兼顾元件数量的优化,将单个电容器件分时复用,同时作为储能元件和正负偏置电压源,第一次通过最大化复用单电容器件实现同步三次偏置翻转的压电动能收集电路。近期,该成果以Series synchronized triple bias-flip circuit: maximizing the usage of single storage capacitor for piezoelectric energy harvesting enhancement为题,在电力电子领域顶级国际学术期刊IEEE Transactions on Power Electronics上在线发表。

梁俊睿课题组的机电与能量转换实验室(METAL)一直致力于环境动能收集技术以及无源物联网相关电路与系统的科学研究与工程优化设计。同步多次偏置翻转(SMBF)电路亦为该课题组过往基于“压电动能收集电路极限俘能性能”的一般性认识所首创。近年,许多先进的集成电路设计均在该道路上不断探讨,如何使用开关电容技术实现更多次的同步电压阶梯。然而,随着开关网络规模的扩大和偏置电容的增加,电路控制变得更加复杂,体积变得更加庞大。本设计另辟蹊径,化繁就简,既保证了动能收集效能的提升,也降低了电路拓扑的复杂程度,使得系统性能得到综合优化提升。与其他单电容设计相比,S-S3BF电路具有更佳的收集效能。此外,该电路还具有能根据不同负载自动调整偏置翻转次数的特性,使得电路在不同的负载情况下皆能自动选择较优的工作状态。

葡京会5886为本研究成果的第一完成单位,信息学院2020届硕士生赵宝为第一作者,梁俊睿教授为通讯作者,其他作者包括信息学院2018届硕士生赵康、2020届本科生王鑫辰,以及复旦大学微电子学院陈之原。该项工作得到了中国国家自然科学基金、葡京会5886启动经费以及上海市能源工程力学重点实验室开放基金的支持。

文章链接:https://ieeexplore.ieee.org/document/9264712

图1. 本文提出的“串联型同步三次偏置翻转”(S-S3BF)电路原理图。

 

 图2. 本文搭建的实验验证及测试平台。

 

 图3. 本文开发电路在不同负载下的工作波形。(a) 电容充电波形。(b) 重负载下单次电压翻转。(c) 中等负载下两次电压翻转。(d) 轻负载下三次电压翻转。

 

图4. 动能收集电路功率比较。