Design and implementation of low power interface electronics for vibration-based electromagnetic energy harvesters
Titreşime dayalı elektromanyetik enerji üreteçleri için düşük güçlü arayüz elektronik devrelerinin tasarımı ve uygulaması
- Tez No: 305165
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HALUK KÜLAH, YRD. DOÇ. DR. ALİ MUHTAROĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Mikroelektromekanik sistemler, Microelectromechanical systems
- Yıl: 2011
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Bölümü
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Uzun yıllardır, taşınabilir elektronik cihazlar için ana güç kaynağı olarak piller kullanılmaktadır. Ancak, entegre devreler ve mikro-elektro-mekanik sistemlerin (MEMS) ölçekleme oranındaki gelişmeler pil teknolojilerininkinden çok daha hızlı ilerlemiştir. Bu nedenle, pil gibi geçici enerji rezervuarlarını sürekli olarak enerji üreten küçük boyutlu modüllerle değiştirme ihtiyacı ortaya çıkmıştır. Enerji üreteçleri olarak adlandırılan bu modüller, ortamdaki ısı, ışık ve titreşim gibi enerji kaynaklarını kullanarak duyarga ağları gibi akıllı sistemlere enerji sağlarlar. Mevcut enerji üreteçleri arasında elektromanyetik (EM) üreteçler basit yapıları ve pek çok titreşimin bulunduğu düşük frekans değerlerinde (<10 Hz) çalışmaya uygunlukları nedeniyle ön plana çıkmaktadırlar. Ancak, düşük frekanslı titreşimlerden üretilen EM gerilim ve güç düşük olduğu için, üretilen enerjinin sürülen yüke verimli bir şekilde iletilebilmesi için yüksek performanslı arayüz elektroniği devreleri gerekmektedir.Bu çalışmanın amacı, EM enerji üreteçlerinde üretilen düşük voltaj ve güçteki sinyalleri gerçek uygulamalarda kullanılabilecek doğru akıma çeviren düşük güçte çalışan verimli bir arayüz elektroniği tasarlamaktır. Bu tür elektronik devrelerin en önemli elemanı AC/DC (Alternatif Akım / Doğru Akım) doğrultuculardır. Çünkü devrenin, DC/DC (Doğru Akım - Doğru Akım) çeviricisi, güç yöneticisi gibi diğer tüm bloklarının performansı AC/DC doğrultucuda üretilen doğru akıma bağlıdır. Bu sebeple, üreteci uygulamaları için uygun olan birçok doğrultucu üzerinde çalışılmıştır. Daha önceden tasarlanmış doğrultucular, kullanılan diyotların üzerinde oluşan yüksek gerilim kayıpları nedeni ile düşük verimde çevirme oranına sahiptirler. Bu çalışmada iki tip doğrultucu yapısı önerilmiştir: bunların ilki diyotların açılma gerilimlerinin düşmesini sağlayan“Boot Strapping”tekniğini kullanan yeni bir pasif doğrultucudur; diğeri ise karşılaştırıcı yapısı üzerine kurulu ultra düşük güç harcayan aktif doğrultucudur . Önerilen bu yapılar ve daha önceden rapor edilmiş birkaç başka tasarım X-FAB 0.35 µm standart CMOS teknolojisinde üretilmiştir. Daha sonra bağımsız enerji üretim sistemleri, üretilen entegre devre ve daha önce araştırma grubumuz tarafından geliştirilmiş EM enerji üreteçleri kullanılarak gerçeklenmiş ve farklı elektromekanik uyarma koşulları altında karakterize edilmişlerdir. Bu tezde, farklı devrelerden ve enerji üretçlerinden oluşan beş farklı sistem sunulmuştur. Bunlar arasında, 2 Hz frekansta ve 72 mg tepe ivmelenmesinde çalışan,“Boot Strap”doğrultucu kullanan 21cm3 hacmindeki özgün sistem, bağlanan yüke1.6 V, 80 ?A (128 ?W) doğru akım gücü iletebilmektedir. 2 Hz çalışma frekansında sisteminin maksimum güç yoğunluğu 6.1 ?W/cm3'dür ki bu da bu çalışma frekansı için literatürde rapor edilmiş en yüksek değerdir. Ayrıca piyasada bulunan bir sıcaklık duyargasının, bu enerji üretecinden sağlanan güç ile sürülebileceği gösterilmiştir. Karşılaştırıcı yapısı içeren aktif doğrultucu kullanan diğer bir sistem ise 16 cm3 hacimde 8 Hz çalışma frekansında çift çıkışlı 1.46 V, 37 ?A'lik bir yük sürebilmektedir ve bu sistemin maksimum güç yoğunluğu da 6.03 ?W/cm3'tür.Bunların yanıda, EM enerji üreteci için bir sinyal iyileştirme sistemi de TSMC 90 nm CMOS teknolojisi kullanılarak tasarlanmıış ve simule edilmiştir. Önerilen entegre, yüksek verimli bir AC/DC doğrultucu ve doğrultulan gerilimi çip üzerinde DC-DC çeviricisi ve voltaj regülatörü kullanarak yükseltecek ve regüle edecek ultra düşük güç yönetimi ünitesi içermektedir. Bu pasif entegre devrenin toplam güç tüketimi 5 ?W'tan azdır ve bu değer yeni nesil MEMS tabanlı EM enerji üreteçleri ile beraber kullanım için uygundur.Bu çalışma kapsamında, yüksek verimlilikteki CMOS doğrultucu entegre devreleri tasarlanmış ve birkaç titreşim tabanlı EM enerji üreteci modulü ile birlikte test edilmiştir. Sonuçlar, sunulan enerji üreteç sistemlerinin düşük frekanslarda bilinen en verimli sistemler olduğunu ve en yüksek güç yoğunluklarına sahip olduklarını göstermektedir. Buna ek olarak, daha gelişmiş bir CMOS teknolojisi kullanarak tasarlanacak devrelerle daha iyi sonuçlara ulaşılabileceği de gösterilmiştir.
Özet (Çeviri)
For many years batteries have been used as the main power sources for portable electronic devices. However, the rate of scaling in integrated circuits and micro-electro-mechanical systems (MEMS) has been much higher than that of the batteries technology. Therefore, a need to replace these temporary energy reservoirs with small sized continuously charged energy supply units has emerged. These units, named as energy harvesters, use several types of ambient energy sources such as heat, light, and vibration to provide energy to intelligent systems such as sensor nodes. Among the available types, vibration based electromagnetic (EM) energy harvesters are particularly interesting because of their simple structure and suitability for operation at low frequency values (< 10 Hz), where most vibrations exits. However, since the generated EM power and voltage is relatively low at low frequencies, high performance interface electronics is required for efficiently transferring the generated power from the harvester to the load to be supplied.The aim of this study is to design low power and efficient interface electronics to convert the low voltage and low power generated signals of the EM energy harvesters to DC to be usable by a real application. The most critical part of such interface electronics is the AC/DC converter, since all the other blocks such as DC/DC converters, power managements units, etc. rely on the rectified voltage generated by this block. Due to this, several state-of-the-art rectifier structures suitable for energy harvesting applications have been studied. Most of the previously proposed rectifiers have low conversion efficiency due to the high voltage drop across the utilized diodes. In this study, two rectifier structures are proposed: one is a new passive rectifier using the Boot Strapping technique for reducing the diode turn-on voltage values; the other structure is a comparator-based ultra low power active rectifier. The proposed structures and some of the previously reported designs have been implemented in X-FAB 0.35 µm standard CMOS process. The autonomous energy harvesting systems are then realized by integrating the developed ASICs and the previously proposed EM energy harvester modules developed in our research group, and these systems have been characterized under different electromechanical excitation conditions. In this thesis, five different systems utilizing different circuits and energy harvesting modules have been presented. Among these, the system utilizing the novel Boot Strap Rectifier is implemented within a volume of 21 cm3, and delivers 1.6 V, 80 µA (128 µW) DC power to a load at a vibration frequency of only 2 Hz and 72 mg peak acceleration. The maximum overall power density of the system operating at 2 Hz is 6.1 µW/cm3, which is the highest reported value in the literature at this operation frequency. Also, the operation of a commercially available temperature sensor using the provided power of the energy harvester has been shown. Another system utilizing the comparator-based active rectifier implemented with a volume of 16 cm3, has a dual rail output and is able to drive a 1.46 V, 37 µA load with a maximum power density of 6.03 µW/cm3, operating at 8 Hz.Furthermore, a signal conditioning system for EM energy harvesting has also been designed and simulated in TSMC 90 nm CMOS process. The proposed ASIC includes a highly efficient AC-DC converter as well as a power processing unit which steps up and regulates the converted DC voltages using an on-chip DC/DC converter and a sub-threshold voltage regulator with an ultra low power management unit. The total power consumption on the totally passive IC is less than 5 µW, which makes it suitable for next generation MEMS-based EM energy harvesters.In the frame of this study, high efficiency CMOS rectifier ICs have been designed and tested together with several vibration based EM energy harvester modules. The results show that the best efficiency and power density values have been achieved with the proposed energy harvesting systems, within the low frequency range, to the best of our knowledge. It is also shown that further improvement of the results is possible with the utilization of a more advanced CMOS technology.
Benzer Tezler
- Design and implementation of an interface circuit for piezoelectric energy harvesters
Piezoelektrik enerji üreteçleri için arayüz devresi tasarımı ve uygulaması
SALAR CHAMANIAN
Doktora
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALUK KÜLAH
DOÇ. DR. ALİ MUHTAROĞLU
- 2-8 MBit/s fiber optik hat teçhizatı arayüz devresinin sahada programlanabilir kapı dizisi ile tasarlanması ve gerçeklenmesi
Designing and implementing 2MBit/s and 8 MBit/s fiber optic line terminating equipment interface circuit by using field programmable gate array
ÜMİT GÖĞÜSGEREN
Yüksek Lisans
Türkçe
1993
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. AHMET DERVİŞOĞLU
- Düşük bir hızlarında konuşma kodlama ve uygulamaları
Low bit rate speech coding and applications
TARIK AŞKIN
Doktora
Türkçe
1999
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. GÜNSEL DURUSOY
- Ticari araçların yüksek akım güç devreleri içinpasif soğutucu tasarımı ve termal performans analizi
Passive cooler design and thermal performance analysis for high current power circuits of commercial vehicles
HAMDİ YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZEKERİYA PARLAK
- A low-power analog-to-digital converter integrated circuit for data acquisition applications
Sinyal alma uygulamaları için düşük güç tüketimli analog-sayısal çevirici tümleşik devresi
SERHAT KOÇAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TAYFUN AKIN