近日，南京大学电子科学与工程学院施毅教授/邱浩副教授团队在无线能量传输技术的研究取得重要进展，相关成果于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”为题在线发表于集成电路顶刊IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC)。
侵入式脑机接口需长期工作于人体内部，受限于生物安全性与密闭生理环境，设备无法依赖物理导线供电，必须采用无线供能技术。同时，其紧凑的封装结构严重制约了散热能力，芯片功耗转化的热量若无法及时导出，不仅会导致电路性能衰退，还可能引发器件失效甚至周围组织热损伤。因此，最大限度提升能量转换效率、降低自身热耗散成为电源管理设计的核心诉求。在此背景下，单级可调压双输出整流技术因能兼顾微型化体积与高能效，被视为实现侵入式设备长效、安全供能的理想方案，近年来备受学界关注。
图1. 侵入式脑机接口无线供电系统架构示意图
然而，该技术目前仍面临三大挑战：一是传统架构多采用时分复用或半波整流，有效充电窗口受限，致使输出功率与转换效率偏低；二是多路输出难以实现独立精准稳压，现有拓扑常因电压耦合或滞回控制失配导致纹波超标；三是普遍依赖PMOS有源二极管，其显著的导通与开关损耗在微型侵入场景下易引发局部发热，降低系统可靠性。因此，如何在严苛的体积与热约束下，同时实现高能量转换效率、低输出纹波、双路独立稳压整流，已成为突破侵入式脑机接口长效、安全供能的核心难题。
针对上述问题，研究团队提出了一种新型高效率单级双输出稳压整流器拓扑，可在半周期内同时为双输出进行充电，突破了传统设计中时间复用模式的限制，显著提升负载功率、供电电压质量和能量转换效率。进一步，提出的创新型电荷分配模式，能够有效缓解双输出负载条件失衡导致问题，通过自适应优化多输出端间电荷分配，有效拓宽了额定输出电流范围，显著提升了电路的稳定性和适应性。
图2. 单级可调压双输出整流电路架构示意图
该芯片采用0.18 μm CMOS工艺进行了流片验证，实测结果表明，测试结果表明：在稳态情况下，实现了92.2%的峰值效率和131mW的峰值负载功率，双输出电压分别稳定在3.3V和1.6V，对应的最大纹波电压控制在50mV和75mV；在大负载切换（×15）情况下，实现高速响应的同时避免了双输出之间的耦合干扰。多个核心指标刷新了国际报道相关工作的最高记录。
图3. 整流芯片照片与瞬态测试、效率测试结果
电子科学与工程学院2024级博士生庄泉荣是论文的第一作者，邱浩副教授和施毅教授是论文的共同通讯作者，IBM托马斯∙J∙沃森研究中心的张信研究员对该工作进行了指导。研究得到了国家自然科学基金重点项目、首批海外优青项目、面上项目、创新研究群体项目等的资助，以及光电材料与芯片技术教育部工程中心、未来智能芯片交叉研究中心的支持。
