南京大學團隊開發出面向侵入式腦機接口的高能效無線能量接收芯片

　　【儀表網 研發快訊】近日，南京大學電子科學與工程學院施毅教授/邱浩副教授團隊在無線能量傳輸技術的研究取得重要進展。
 

　　侵入式腦機接口需長期工作于人體內部，受限于生物安全性與密閉生理環境，設備無法依賴物理導線供電，必須采用無線供能技術。同時，其緊湊的封裝結構嚴重制約了散熱能力，芯片功耗轉化的熱量若無法及時導出，不僅會導致電路性能衰退，還可能引發器件失效甚至周圍組織熱損傷。因此，最大限度提升能量轉換效率、降低自身熱耗散成為電源管理設計的核心訴求。在此背景下，單級可調壓雙輸出整流技術因能兼顧微型化體積與高能效，被視為實現侵入式設備長效、安全供能的理想方案，近年來備受學界關注。
 

　　然而，該技術目前仍面臨三大挑戰：一是傳統架構多采用時分復用或半波整流，有效充電窗口受限，致使輸出功率與轉換效率偏低；二是多路輸出難以實現獨立精準穩壓，現有拓撲常因電壓耦合或滯回控制失配導致紋波超標；三是普遍依賴PMOS有源二極管，其顯著的導通與開關損耗在微型侵入場景下易引發局部發熱，降低系統可靠性。因此，如何在嚴苛的體積與熱約束下，同時實現高能量轉換效率、低輸出紋波、雙路獨立穩壓整流，已成為突破侵入式腦機接口長效、安全供能的核心難題。
 

　　針對上述問題，研究團隊提出了一種新型高效率單級雙輸出穩壓整流器拓撲，可在半周期內同時為雙輸出進行充電，突破了傳統設計中時間復用模式的限制，顯著提升負載功率、供電電壓質量和能量轉換效率。進一步，提出的創新型電荷分配模式，能夠有效緩解雙輸出負載條件失衡導致問題，通過自適應優化多輸出端間電荷分配，有效拓寬了額定輸出電流范圍，顯著提升了電路的穩定性和適應性。
 

　　該芯片采用0.18 μm CMOS工藝進行了流片驗證，實測結果表明，測試結果表明：在穩態情況下，實現了92.2%的峰值效率和131mW的峰值負載功率，雙輸出電壓分別穩定在3.3V和1.6V，對應的最大紋波電壓控制在50mV和75mV；在大負載切換(×15)情況下，實現高速響應的同時避免了雙輸出之間的耦合干擾。多個核心指標刷新了國際報道相關工作的最高記錄。
 

　　相關成果于04月16日以“A 6.78-MHz single-stage regulating rectifier with dual outputs simultaneously charged in a half cycle achieving 92.2 % efficiency and 131 mW output power”為題在線發表于集成電路頂刊IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC)。電子科學與工程學院2024級博士生莊泉榮是論文的第一作者，邱浩副教授和施毅教授是論文的共同通訊作者，IBM托馬斯?J?沃森研究中心的張信研究員對該工作進行了指導。研究得到了國家自然科學基金重點項目、首批海外優青項目、面上項目、創新研究群體項目等的資助，以及光電材料與芯片技術教育部工程中心、未來智能芯片交叉研究中心的支持。