[論文レビュー] Step-up converter for electromagnetic vibrational energy scavenger

Chitta Saha, Terence O’Donnell+7 more|ArXiv.org|Feb 21, 2008

Innovative Energy Harvesting Technologies参考文献 10被引用数 6

ひとこと要約

本論文では、電磁的振動エネルギー回収素子からの低電圧出力を段階的に増幅する電圧倍圧回路（VM）を提案し、18 μWで85%の効率を達成した。VMは負荷条件の最適化により、マイクロスケールのエネルギー回収素子における効果的な電力調整を可能にし、低消費電力埋め込みシステムへの実用性を示した。

ABSTRACT

This paper introduces a voltage multiplier (VM) circuit which can step up a minimum voltage of 150 mV (peak). The operation and characteristics of this converter circuit are described. The voltage multiplier circuit is also tested with micro and macro scale electromagnetic vibrational generators and the effect of the VM on the optimum load conditions of the electromagnetic generator is presented. The measured results show that 85% efficiency can be achieved from this VM circuit at a power level of 18 ?W.

研究の動機と目的

• マイクロスケールシステムにおける電磁的振動エネルギー回収素子からの低電圧出力の課題に対処すること。
• 150 mVピーク未満の電圧を有効なレベルに段階的に増幅できる電力調整回路の開発。
• 電圧倍圧回路に接続された電磁的発電機の負荷条件を最適化すること。
• 実際のマイクロおよびマクロスケールの振動発電機に対して、電圧倍圧回路の実用的効率と性能を実証すること。
• 周囲の機械的振動を用いた低消費電力電子機器への信頼性の高い電力供給を可能にすること。

提案手法

• 最小入力電圧150 mV（ピーク）を段階的に増幅できる電圧倍圧回路（VM）の設計。
• ダイオードとコンデンサを用いたチャージポンプベースの回路構成により電圧倍圧を実現。
• 実験的検証のため、マイクロおよびマクロスケールの電磁的振動発電機とVMを統合。
• 負荷条件の変化に応じたVMの性能を評価し、最適な電力伝送条件を特定。
• 異なる入力振動の振幅および周波数における効率と出力電力を測定。
• 実際の動作条件下でのVM効率評価のため、18 μWの出力レベルをベンチマークとして用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電磁的振動回収素子からの150 mV未満の電圧を、電圧倍圧回路が効果的に段階的に増幅できるか？
• RQ2 特に18 μW前後という低出力レベルにおける、提案された電圧倍圧回路の効率はいかほどか？
• RQ3 電圧倍圧回路の統合が、電磁的発電機の最適負荷抵抗にどのように影響を与えるか？
• RQ4 マイクロおよびマクロスケールの電磁的振動発電機の両方において、VMが高い効率を維持できるか？
• RQ5 VMは、周囲の振動を用いた低消費電力電子機器への実用的電力供給を可能にするか？

主な発見

• 電圧倍圧回路は、最小入力電圧150 mV（ピーク）を段階的に増幅でき、低電圧振動源からの有効な電力抽出を可能にした。
• 出力電力18 μWでピーク効率85%を達成し、低出力領域でも優れた性能を示した。
• VMと電磁的発電機を統合することで最適負荷条件が変化し、実験的に同定され最適化された。
• VMはマイクロおよびマクロスケールの電磁的振動発電機の両方で効果的な性能を維持しており、スケーラビリティを示した。
• 測定結果から、VMがエネルギー回収応用、特に低消費電力IoTデバイスにおいて、効率的な電力調整を可能にすることが確認された。
• 変動する低電圧入力からの安定かつ制御可能な出力が得られるため、実世界への展開の実用的妥当性が示された。