Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı

A fully-integrated and battery-free interface electronics for low voltage vibration-based electromagnetic energy harvesters

Düşük voltaj seviyelerinde çalışan titreşim tabanlı elektromanyetik enerji üreteçleri için tamamen entegre ve pil gerektirmeyen bir elektronik devre

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 340966 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

Energy harvesters use environmental energy sources such as heat, light, and vibration, and convert them to electrical energy. The development of micro-scale energy harvesters together with the decreasing power demand of new generation integrated circuits, allow the use of these harvesters as energy source in microsystems as an alternative for batteries. Energy harvesting can then be used for supplying power to the sensors which operate in inaccessible environments, as an enabling technology. However, the generated electrical energy from vibration is in AC form, and design of an efficient and low power interface electronic circuit is crucial especially if the generated voltage and power of these harvesters are at low levels. The aim of this study is to design a fully-integrated and battery-free interface circuit for electromagnetic (EM) energy harvester with low voltage output. The voltage generated by EM energy harvesters is considerably low (<1 V) at low vibration levels (< 10Hz). Hence a low voltage and highly efficient interface circuit must be designed in order to efficiently transfer the power generated by the harvester to the load at a standard system voltage. The interface circuit requires various blocks for efficient power transfer from the harvester to the electrical load. Firstly, there should be an AC to DC converter or a rectifier for converting the generated AC voltage to a DC voltage. Another important block is the DC to DC converter which enables the step-up of the converted voltage to a desired value. Finally, a voltage regulator block should be used for obtaining a stable DC voltage as of a typical battery. The amount of power dissipated by the interface electronics must be kept as low as possible compared to the generated power since the available output power from the harvester is typically low. The designed interface circuit includes all necessary blocks for a full system solution and shows good performance especially at low input AC voltages (<0.5 V peak). The circuit includes a novel rectifier circuit which uses an AC/DC doubler structure to benefit from the full cycle of the input signal. The proposed rectifier uses active diode structure to minimize the effective voltage drop at the output. The comparator circuits utilized at the active diodes are powered internally by another passive rectifier and external power requirement of the circuit is eliminated. The DC/DC converter block of the interface circuit includes a low voltage charge pump and a low power on- chip oscillator design. The final block of the system is a low power voltage regulator which regulates the output to 1 V DC voltage. The proposed interface electronic is designed and fabricated by using TSMC 90 nm CMOS technology. The designed system is merged with an in-house EM energy harvester module and tested with various vibration conditions. The maximum power conversion efficiency of the rectifier stage of the circuit is 67%, while providing 0.61 V for 40 µA load, and it is able to operate down to 100 mV input peak voltages. When the rectifier block is combined with the DC/DC converter, the circuit is able to generate more than 1 V output voltage on 1 M? load resistance for input peak voltages higher than 0.4 During the tests of the fabricated IC, it is observed that the voltage regulator block does not operate as expected. The reason for this is investigated through tests and simulations, and it is concluded that the fabricated transistors were slower than the typical transistors in this specific IC run. The regulator block is then re-designed to be more robust to fabrication variations for another IC run. In the frame of this study, a low voltage CMOS interface electronics have been designed and tested together with a vibration based electromagnetic energy harvester module. The results show that the designed rectifier has the lowest operation voltage among the fully-integrated and self-powered interface circuits for low vibration range, to the best of our knowledge. Furthermore, the rectified voltage is stepped up with the DC/DC converter, so that the output of the circuit reaches to typical battery voltages even with very low AC input signals, enabling the use of the system as an alternative energy source for wireless microsystems.

Summary:

Enerji üreteçleri sıcaklık, ışık ve titreşim gibi çevresel enerji kaynaklarını kullanırlar ve bu kaynakların elektrik enerjisine çevirimini sağlarlar. Mikron düzeyli enerji üreteçlerinin gelişmesi ve yeni jenerasyon entegre devrelerin düşük güçlerde çalışabilmesi sayesinde, bu sistemlerin bataryalar yerine enerji kaynağı olarak kullanılmasını sağlamaktadır. Bunun sonucunda enerji üreteçeleri ulaşılması zor alanlara yerleştirilmiş sensörlere güç sağlamak amaçlı kullanılabilirler. Titreşimden üretilen elektrik enerjisi AA formunda olduğundan dolayı; verimli ve düşük güçlü bir arayüz elektronik devresi, özellikle düşük güç ve voltaj seviyelerinde üretilen sinyaller için önemli rol oynamaktadır. Bu çalışmanın temel amacı düşük voltaj seviyelerinde çalışan titreşim tabanlı elektromanyetik (EM) enerji üreteçleri için tamamen entegre ve pil gerektirmeyen bir elektronik devrenin tasarlanmasıdır. Düşük titreşim seviyelerinde (< 10 Hz) EM enerji üreteçlerinden elde edilen voltaj seviyeleri de düşüktür (<1 V). Bundan dolayı düşük voltajlarda ve yüksek verimlilikte çalışan bir arayüz devresinin tasarlanması üretilen gücün yüke aktarımı için önemli bir rol oynamaktadır. Üretilen gücün verimli bir biçimde elektriksel yüke aktarılabilmesini sağlamak için arayüz devresinin farklı bloklardan oluşturulması gerekmektedir. İlk olarak, üretilen AA (Alternatif Akım) voltajını DA (Doğrusal Akım) voltajına çevirmek için bir AA/DA çevirici veya doğrultucu kullanılmalıdır. Bir diğer önemli blok ise çevrilin DA voltajı istenilen değere getirecek bir DA/DA çeviricisidir. Son olarak, pil görevi görecek sabit bir DA voltajı üretmek için bir voltaj regülatörü bloğu kullanılmalıdır. Arayüz devresi tarafından tüketilen güç miktarı üretilen güce göre mümkün olduğunca küçük tutulmalıdır ki enerji üreteci ile arayüz entegre devresinin bağlanması kullanışlı olsun. Tasarlanan sistem tam bir sistem çözümü sağlamaktadır ve özellikle düşük giriş voltaj değerleri (< 0.5 V peak) için çok iyi performans göstermektedir. Devre giriş voltajının bütün tepe-tepe voltajını kullanmasını sağlayan AA/DA çiftleyici (AC/DC doubler) yapısını kullanan yeni bir doğrulayıcı tasarımı içermektedir. Önerilen doğrulayıcı devresi çıkış voltajındaki voltaj düşümünü minimize etmek için aktif diyot yapısını kullanmaktadır. Kullanılan aktif diyotlardaki karıştırıcı devrelerinin güç gereksinimini karşılamak için ekstra bir pasif doğrultucu devresi kullanılmış ve devrenin dışardan güç alma problemi giderilmiştir. Devrenin bir diğer kısmı olan DA/DA çevirici devresinde tamamen entegre bir yapı oluşturmak için düşük voltajda çalışan bir şarj pompası ve düşük güçte çalışan bir osilatör devresi tasarlanmıştır. Tasarlanan sistemin son bloğu düşük güçte çalışan ve çıkış voltajını 1 V'a regüle eden bir voltaj regülatörü devresidir. Önerilen arayüz elektroniği TSMC 90 nm CMOS teknolojisi kullanılarak tasarlanmış ve ürettirilmiştir. Tasarlanan sistem bir elektromanyetik enerji üreteci ile birleştirilmiş ve farklı titreşim koşullarında test edilmiştir. Devrenin doğrultucu kısmının en yüksek güç verimliliği, 0.61 V çıkış voltajı ve 40 µA yük akımı koşulları altında %67 olarak ölçülmüştür ve doğrultucu devresi 100 mV giriş tepe voltajından yüksek değerlerde çalışabildiği doğrulanmıştır. Doğrultucu ve DA/DA çevirici devresi birleştirildiğinde elde edilen devre, 0.4 V'tan yüksek giriş tepe voltajları için 1 M? yük direnci ile 1 V'tan fazla çıkış voltajı üretebilmektedir. Üretilen arayüz devresinin (IC) testleri sırasında, devrede bulunan voltaj regülatörünün istendiği gibi çalışmadığı gözlemlenmiştir. Yapılan testler ve simülasyonlar sonucunda, üretilen transistörlerin kullanılan teknolojideki tipik transistör performanslarından daha yavaş çalıştığı doğrulanmıştır. Bunun sonucunda regülatör bloğu üretimden kaynaklı sapmalara daha dayanıklı olacak şekildeyeninde tasarlanmıştır. Bu çalışma kapsamında, düşük voltajda çalışan bir CMOS arayüz elektroniği tasarlanmış ve titreşim tabanlı bir elektromanyetik enerji üreteci ile test edilmiştir. Sonuçlar, tasarlanan doğrulayıcı devresinin düşük titreşimlerde çalışan tamamen-entegre ve pil gerektirmeyen arayüz elektronikleri içinde bilinen en düşük çalışma voltajına sahip olduğunu göstermektedir. Bunun yanında, doğrultulan voltaj DA/DA çevirici devresi ile yükseltilerek düşük seviyelerdeki AA giriş voltajlarının bile tipik bir pil voltajına ulaşması sağlanmıştır, böylece tasarlanan sistem kablosuz mikrosistemler için alternatif bir güç kaynağı olarak kullanılabilmektedir.