微生物燃料电池(MFC)因为具有将工业废水、生活污水等污染物进行氧化处理并产生电能的能力而受到高度的重视。但是由于MFC产生的直流电压有限没办法被外部设备直接使用,所以如何将MFC的能量进行收集、转化成为了重大的研究方向之一,其中如何使MFC高效地工作、合理地进行负载管理成为了研究的焦点,具有重大的背景和研究意义。本论文根据微弱能量收集系统存在的MFC工作效率低和负载管理不合理的问题,在应用系统设计中:一方面提出了使用两级升压转换并分级管理的思想设计出了系统的功率管理模块,另一方面调试现有的应用模块来满足应用端的功能需求。整个应用系统实现了对MFC的最大功率点跟踪(MPPT)、电压的两级升压转换、负载的管理,并成功驱动了外部应用负载。实验结果表明第一级功率管理将MFC电压升压至1.18V并通过MPPT电路使MFC的电压维持在316mV-390mV的最佳功率点,第二级功率管理将1.1V电压升压至3.5并驱动应用负载每13ms对周围环境温度信息进行一次采集,并将温度信息进行发送、接收和存储;接着本文根据应用系统设计中实现的功能和相应的参数对芯片系统进行了设计。在芯片系统设计中:一方面研究设计了应用于微弱能量收集系统的超低压自启动电路、创新型低电压低功耗迟滞比较器等适用于低压环境的模块电路,另一方面对应用系统中的功率管理模块进行了优化,采用了基于变压器的单级升压转换,并利用动态电压比较器和控制开关对负载进行管理。论文的最后对芯片系统的迟滞比较器模块和电荷泵模块进行了版图绘制、验证、后仿真、流片,并对流片后的芯片进行测试分析。本设计基于180nm CMOS工艺,流片后模块芯片面积约为0.111 mm2。芯片系统实验结果表明第一:芯片系统成功将MFC电压升压至1.82V、实现了MPPT功能将MFC电压限制在390mV-470mV之间、实现对负载的管理;第二:启动电路可以在最低80mV的条件下进行自启动,整个芯片电路均可在1.2V低压环境下工作;第三:在输出电压小于2V的条件下变压器的升压效率达到了 90.3%。与国内外其他相似系统对比虽然集成度比较差,但是启动性能更好、电压转换效率更高、功能更齐全。