南科大深港微电子学院詹陈长团队提出新型自适应采样频率MPPT技术，提升能量采集芯片响应速度与能效

2026-09-02 科研聚焦 浏览量：28

近日，南方科技大学深港微电子学院詹陈长副教授课题组提出了一种基于能量包计数的自适应采样频率的分数开路电压最大功率点跟踪（adaptive sampling frequency fractional open circuit voltage maximum power point tracking, ASF-FOCV MPPT）技术，该技术提高了MPPT的响应速度和效率，拓宽了能量采集电路的应用范围。相关研究成果以“An Adaptive Sampling Frequency FOCV MPPT Based on Constant-Energy-Packet-Counting for Energy Harvesting Applications”为题，发表于集成电路领域权威期刊IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers。

面向物联网、可穿戴设备的热电能量采集技术，可将环境余热转化为电能，摆脱电池与有线供电的束缚。分数开路电压（FOCV）是能量采集系统中常用的最大功率点跟踪（MPPT）算法，具备逻辑简单、单步即可收敛的优势。然而，在传统FOCV中，采样周期的选择需要在两个因素之间进行权衡：（1）为了在稳定输入功率下保持高效率，必须尽量减小采样时间与采样周期的比值，这限制了采样周期的下限，通常采样周期需大于100倍的采样时间；（2）由于自放电效应，采样电容上的电压会持续衰减，因此需要定期刷新最大功率点电压，这限制了采样周期的上限。

因此在传统FOCV方案中，一旦采样电容和采样周期确定，其适用的功率频率范围也就受到限制了。当输入功率的变化频率过高时，由于采样周期太长，会因无法及时更新最大功率点而造成功率损失；而当输入功率的变化频率很低时，频繁的开路电压采样又会造成额外的能量损耗。 

 图1：本文提出的集成了ASF-FOCV MPPT的Buck-Boost变换器结构图 

针对上述问题，团队提出了一种自适应采样频率的开路电压（ASF-FOCV）MPPT方法[1]，该方法不再采用固定采样间隔，而是根据输入功率的变化自适应地调整频率对开路电压进行采样，因而有效缓解了传统FOCV MPPT中的跟踪速度与稳态精度折衷的问题，在输入功率稳定时降低采样频率从而减小频繁开路的损耗，在输入功率频繁波动时则增大采样频率，降低了因功率点失配而造成的损耗。项目的关键点在于动态的采样频率，通过两个核心模块实现：（1）一种解耦采样保持（D-S&H）方案，将开路电压的采样与最大功率点电压的刷新过程进行了分离。D-S&H实现了对换能器的直接采样，将每次采样的开路时间缩短至1µs量级，同时省去电阻、电容分压网络；通过数字刷新机制克服电容漏电问题，理论上可实现无限长电压保持时间。（2）一种基于恒定能量包技术的功率检测技术（constant-energy-packet-counting power detection，CEPC-PD），无需检测输入电流，仅通过检测开关频率来间接估计输入功率，电路开销与静态功耗极低，适配微瓦毫瓦级低功耗能量采集场景应用。

图2：芯片照片和测试平台实景

本设计基于180 nm CMOS工艺流片验证，测试结果显示，得益于D-S&H技术，本方案单次采样开路时间仅 1 μs，相比已报道传统 FOCV 方案降低至少一个数量级；MPPT 最短跟踪响应时间236 μs，平均跟踪响应时间544 μs；输入功率稳定条件下采样频次可降至零，可提供理论上无限的保持时间。同时，得益于ASF-FOCV的自适应采样机制，系统在50 μW～10 mW超宽输入功率范围内，MPPT 跟踪效率大于 98%；变换器转换效率在100 μW～10 mW范围内高于 80%，峰值转换效率可达 90%。

图3：最大功率点跟踪过程波形图

论文精简版本已先期发表于2026年5月IEEE国际电路与系统会议（ISCAS）论文集[2]，本文为其扩展后的期刊论文。两篇论文均以南方科技大学深港微电子学院博士研究生吴佑林为第一作者，詹陈长副教授为通讯作者，南方科技大学为通讯单位。

本研究得到了国家自然科学基金委员会、广东省基础与应用基础研究基金委员会、深圳市科技创新委员会以及企业横向课题的资助，并得到了茂睿芯-深港微电子学院先进绿色能源管理芯片联合实验室的支持。

[1] Y. Wu, C. Chen, H. Guo, F. Liu, S. Chen and C. Zhan, "An Adaptive Sampling Frequency FOCV MPPT Based on Constant-Energy-Packet-Counting for Energy Harvesting Applications," IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, Early Access. https://doi.org/10.1109/TCSI.2026.3721872.

[2] Y. Wu, C. Zhan, H. Guo and Z. Wang, "An Adaptive Sampling Frequency FOCV MPPT Based on Energy-Packet-Counting for Energy Harvesting Applications," IEEE Int'l Symp. Circ. Syst. (ISCAS), pp. 3111-3115, May 2026. https://doi.org/10.1109/ISCAS66217.2026.11562001.