用于结构无线超声功率/数据传输与 SHM 测量的 CMOS 片上系统

本文描述了一种用于主动结构健康监测（SHM）的高度集成 CMOS 片上系统（SoC）。该芯片集成了超声功率与双向半双工数据传输、电源管理单元（PMU）以及超声收发器，以实现结构上无线超声耦合的传感器 SHM 网络。PMU 包含具有关断延迟补偿的有源偏置翻转整流器、具有电感分时高效双路径 DC-DC 转换器，以及五个开关电容 DC-DC 转换器，用于产生用于导波 SHM 的多电平频谱带限脉冲。该芯片采用标准 180 nm 工艺制造，管芯面积为 $2\times 2$ mm$^{2}$。测试结果显示，有源整流器的功率转换效率（PCE） $>85\%$，电感式 DC-DC 转换器 $>70\%$，开关电容 DC-DC 转换器 $>60\%$。输出脉冲的峰值旁瓣比（PSL） $>30$~dB，最坏情况带外发射 $<-30$~dB。该 SoC 与低功耗微控制器和无源器件集成，实现了微型化（15~mm $\times$ 30~mm）无线 SHM 节点。一组节点部署在代表机身面板的 SHM 测试台（碳纤维增强聚合物板）上。在该无线网络上的测试证实了远距离超声功率/数据传输以及检测结构损伤的能力。