一种用于结构健康监测的压电能量采集传感器接口集成电路，具备高效的电源管理和读出电路

压电能量收集传感器接口IC实现高效振动监测与能量管理，采用SSHI整流和基于比较器的动态偏置MPPT电路，55nm CMOS工艺下实现98.7%峰值转换效率及711%输出功率增益，通过20Hz阈值唤醒机制和11.3位有效数模转换器提取振动频率、应变及温度信息。

摘要：

本文介绍了一种用于结构健康监测的振动压电能量收集（PEH）传感器接口集成电路，该电路具备高效能的电源管理和读出电路。该PEH接口包括一个并联同步开关式能量收集整流器（SSHI）以及一种基于占空比的最大功率点跟踪（MPPT）电路，后者采用比较器和开关电容器实现。SSHI和MPPT控制器中的比较器均采用动态偏置设计，以实现快速响应并降低功耗。基于开关电容器的MPPT电路可通过简单的电路结构有效调节输出电压以适应输入信号。此外，当振动频率超过某个阈值（20 Hz）时，系统可触发读出电路工作，从而指示可能发生的灾难性事件。读出电路包含一个低功耗放大器，其动态偏置允许12位SAR ADC实现4/8/32/128的可编程增益。该系统采用55纳米标准CMOS工艺实现。实验结果表明，在133 Hz共振频率下，该电路的MPPT效率可达98.7%，输出功率可提升至711%。同时，系统成功实现了基于事件的读出电路唤醒功能。通过11.3位的SAR ADC，可以从该接口集成电路中获取振动频率、温度和应变信息。

引言

建筑物在运行过程中会因受到各种环境因素的影响而逐渐受损，例如地震事件、地基沉降、温度变化以及城市活动引起的振动[1]、[2]、[3]。与地震等自然灾害引起的振动相比，日常生活中更为常见的振动主要来源于城市活动，如交通运输[4]、工程建设[5]和工业生产[6]。这些活动产生的振动频率通常在20-200 Hz范围内[4]、[5]、[6]，会对建筑物造成从结构安全隐患到材料加速老化等一系列问题。根据[7]、[8]和[9]的研究，需要对这些振动进行监测以评估建筑物的结构健康状况。随着无线传感器网络的快速发展，通过记录振动频率、应变和温度来监测建筑物的结构健康状况已被证明是一种有效的安全保障手段[10]、[11]。与耗时耗力的定期维护相比，无线传感器监测方式成本更低且具备实时监测能力。因此，用于建筑物结构监测的传感器受到了业界和学术界的广泛关注[12]、[13]、[14]。为了降低成本，除了安装之外，应尽量减少传感器的其他维护工作，例如更换电池。因此，低功耗设计以及从环境中收集能量对于这类传感器系统至关重要[15]、[16]、[17]。