近日，清华大学集成电路学院王晓红教授课题组围绕摩擦纳米发电机（TENG）电源管理芯片设计取得重要突破。课题组提出了一种名为“多释放同步电荷提取”（MR-SECE）的无电感电源管理策略，通过定制化的多相开关电容阵列（SCA）取代传统大体积电感，在紧凑的系统体积内实现了高效能量提取。相关论文发表在工业电子领域顶级期刊 IEEE Transaction on Industrial Electronics上。
随着物联网与便携式电子设备的快速发展，环境能量采集为自供能微系统提供了理想解决方案。摩擦纳米发电机作为一种新兴的机械能量采集器，具有高输出电压、低成本、易微型化等优势。然而，微型化TENG的内阻极大（源于其内部电容CTENG约1 nF），与标准电子设备（50 Ω输入阻抗）之间存在严重阻抗失配，导致能量转换效率仅约1%。
传统的电源管理电路多依赖LC振荡回路进行阻抗匹配，例如同步开关电感采集（SSHI）策略。尽管理论上效率较高，但所需电感量级达数十毫亨，多为数立方厘米的分立元件，难以满足微型化电子系统的需求。针对高开路电压能量采集器，同步电荷提取（SECE）策略理论上可实现全能量提取，但传统SECE电路基于Buck变换器，仍需大于100 μH的大电感作为缓冲。为突破“效率-体积”的 trade-off，课题组提出了MR-SECE策略。如图1所示，该方案采用定制化多相开关电容阵列，构建高电压有源平台（AP）以匹配TENG的高输出电压，并通过多次释放有效降低能量传输损耗。
图1.提出的MR-SECE电路与多相开关电容阵列
MR-SECE的核心创新在于用SCA取代了传统电感。当TENG达到峰值电压时，SCA中所有电容串联形成高电压有源平台（N×VL），TENG释放部分电荷至SCA直至电压平衡；随后SCA切换为并联构型，将倍增的电荷转移至负载。完成一个周期后，SCA中断开一个电容，形成逐次降低的有源平台（(N-1)×VL， (N-2)×VL……），直至TENG电压降至接近VL。理论分析表明，随着释放步数N增加，单次传输的电压差ΔV'呈平方级下降，累积能量损失显著降低。仿真显示，30步释放且优化有源平台设计后，CMEO效率可达96.2%。
图2.传统SECE被动平台与MR-SECE有源平台对比
课题组基于0.18-μm BCD工艺完成了芯片设计与流片。芯片面积2500 μm × 2000 μm，SCA占据主要面积。芯片贴装于5500 μm × 5500 μm PCB上，背面集成15颗01005封装的MLCC（14颗用于SCA，1颗用于储能）。系统总体积仅30.25 mm³。
图3.芯片显微照片与系统实物
本工作在无电感条件下实现了67.7%的效率与3.01×的FoM，且在2-4.5 V负载电压范围内性能领先。MR-SECE的输出电压范围（2-4.5 V）与标准电子器件高度兼容，无需二次降压即可直接用于工业自供能传感、状态监测与无线节点等场景。
图4.数字校准后电压输出特性
总体而言，此项工作提出的MR-SECE策略巧妙地将“电荷释放”问题转化为“多步有源平台匹配”问题，以定制化开关电容阵列取代大体积电感，打破了传统电源管理电路中“效率-体积”的固有矛盾。从应用角度，该芯片为低频、大内电容TENG提供了高效、紧凑的能量采集解决方案，在工业自供能传感、可穿戴设备、环境监测等领域具有广阔的应用前景。展望未来，课题组正探索将片外电容替换为CMOS兼容的微型超级电容器（MSC），以进一步提升系统集成度。
相关成果以“An Inductor-Free Power Management Circuit with Compact System Volume Achieving High Conversion Efficiency for Triboelectric Nanogenerators” 为题，于2026年8月2日发表于工业电子领域顶级期刊IEEE Transaction on Industrial Electronics (TIE)。清华大学集成电路学院博士生徐泽瑞为第一作者，王晓红教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金（62174097, 61834003, 62204082）的资助。
原文链接
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/11637120
