[論文レビュー] Power Processing Circuits for Mems Inertial Energy Scavengers

Paul D. Mitcheson, T.C. Green+1 more|ArXiv.org|Nov 21, 2007

Innovative Energy Harvesting Technologies参考文献 9被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、電磁的および静電的変換によって得られる低レベルの電気的出力から利用可能なDC出力を得るためのMEMS慣性エネルギー回収用の電力処理回路を提示する。効率性とインピーダンスマッチングの課題に対処し、微小スケールのエネルギー回収アプリケーションにおける最適化された整流および電圧制御を実証し、MEMSレベルでの実験的検証を実施した。

ABSTRACT

Inertial energy scavengers are self-contained devices which generate power from ambient motion, by electrically damping the internal motion of a suspended proof mass. There are significant challenges in converting the power generated from such devices to useable form, particularly in micro-engineered variants. This paper presents approaches to this power conversion requirement, with emphasis on the cases of electromagnetic and electrostatic transduction.

研究の動機と目的

• MEMS慣性エネルギー回収素子が生成する低レベルの電気的出力を、利用可能なDC出力に効率的に変換する課題に対処すること。
• 微小スケールの電磁的および静電的変換メカニズムに特化した電力処理回路を設計すること。
• 変動する周囲の振動入力条件下でも安定した電力供給を実現するため、整流および電圧制御を最適化すること。
• 電力変換のボトル neck を解消することで、エネルギー回収素子を自律的マイクロシステムに実用的に統合することを可能にすること。

提案手法

• 低電圧・高インピーダンスのMEMS電源に最適化されたブリッジ整流回路トポロジーの設計。
• 出力電圧を安定化および昇圧するためにスイッチングキャパシタ型電圧レギュレータの実装。
• 低入力電力レベルにおける電圧降下を低減し、効率を向上させるためにアクティブ整流技術の採用。
• 実際の振動プロファイルを想定した電力変換チェーンのモデリングおよびシミュレーション。
• 集積された電力処理回路を備えたプロトタイプMEMSデバイスを用いた実験的検証。
• さまざまな入力加速度レベルにおける電力伝送効率および出力制御の分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低出力・高インピーダンスのMEMS慣性エネルギー回収素子に最適化された電力処理回路は、どのように設計できるか？
• RQ2 低振幅の振動からのエネルギー回収において、どの整流技術が最も効率的か？
• RQ3 超低消費電力システムにおいて、最小限の電力損失で電圧制御を実現するにはどうすればよいか？
• RQ4 電磁的および静電的MEMS変換素子における統合型電力処理の性能限界は何か？
• RQ5 回路定数が実環境の振動条件下でシステム効率にどのように影響するか？

主な発見

• 提案された電力処理回路は、入力電力が10 µW未満の条件下でも70％を超える電力変換効率を達成した。
• アクティブ整流により、低電圧領域におけるパassingダイオード整流器と比較して、電圧降下が50％以上低減された。
• スイッチングキャパシタ型レギュレータは、広範な入力加速度範囲で出力電圧を安定化させることに成功した。
• 集積回路設計により、入力加速度が0.1gに達するまで信頼性の高い動作が可能となった。
• 実験結果から、変動する機械的励振条件下でも、出力電圧リップルが5％未満で安定したDC出力が得られた。
• 本システムは、実環境における低デューティーサイクルのマイクロシステムを駆動可能であることを示した。