随着物联网及无线传感网络的发展,使用能量收集技术代替电池为物联网设备提供持续稳定的电源引起广泛关注。能量收集的供电方式绿色环保且近乎永久,从而能够延长设备及物联网系统的寿命。其中,光能收集由于能量密度高被广泛应用,但传统的光能收集系统面积大、成本高,一些研究通过将光伏电池和电源模块集成在同一硅衬底上来节约面积、降低成本,但该技术仍存在输入功率范围小、输出电压不稳定和能量收集效率偏低等问题。针对片上光伏电池能量收集系统的上述不足,本文提出一种新型、高效率的片上光伏电池能量收集系统。首先,基于片上光伏电池与电荷泵的基本联合模型,设计了一种新型的采用电荷复用技术的光伏电池与电荷泵联合模型,同时推导新模型的表达式。其次,研究传统电荷泵的阈值压降效应及其改进措施,针对其反向漏电流过高的不足,设计两种适用于低压条件的低漏电电荷泵,显著减少电荷传导过程中的反向漏电流,有效提高转换效率。最后,以设计的新联合模型为框架,提出基于片上光伏电池的微能量收集系统:在低功耗弛张振荡器中增加自调节偏置电压产生单元,以改变振荡器的输出时钟信号频率、实现可控调频,并在空闲时关闭振荡器以降低功耗。同时,在高电压电平检测器中增加有源二极管,有效降低其面积,并采用低功耗电压调节电路,使系统输出稳定电压。本系统采用SMIC 40 nm CMOS工艺,使用Cadence Spectre仿真平台搭建电路、绘制版图并进行后仿真。仿真结果表明,本系统输出电压1.1 V时最大负载电流达到6.23μA,在相同输入下比原系统提高约41.27%。此外,本系统的能量收集效率显著提高,其峰值达到74.16%,相比原系统峰值效率提高约14.76%,此时输出功率约为3.9μW,同时系统的输入功率范围约为120 n W至23000 n W,输出功率范围约为38 n W至14000 n W,均显著提高。