[논문 리뷰] Step-up converter for electromagnetic vibrational energy scavenger

Chitta Saha, Terence O’Donnell외 7명|ArXiv.org|2008. 02. 21.

Innovative Energy Harvesting Technologies참고 문헌 10인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 전자기 진동 에너지 수확기에서 유도하는 저전압 출력을 증폭하기 위해 설계된 전압 승압 회로(Voltage Multiplier, VM)를 제시한다. 이 VM은 18μW에서 85%의 효율을 달성한다. VM은 부하 조건을 최적화함으로써 마이크로 스케일 에너지 수확 장치에 효과적인 전력 조절을 가능하게 하여, 저전력 임베디드 시스템에 대한 실현 가능성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 마이크로 스케일 시스템에서 전자기 진동 에너지 수확기의 저전압 출력 문제를 해결한다.
• 150mV 피크 이하의 전압을 효율적으로 증폭하여 사용 가능한 수준으로 승압하는 전력 조절 회로를 개발한다.
• 전압 승압 회로에 연결된 전자기 발전기의 부하 조건을 최적화한다.
• 실제 마이크로 및 마크로 스케일 진동 발전기에서 전압 승압 회로의 실용적 효율성과 성능을 입증한다.
• 주변 기계적 진동을 이용한 저전력 전자 시스템에 안정적인 전력 공급을 가능하게 한다.

제안 방법

• 최소 입력 전압 150mV(피크)를 처리할 수 있는 전압 승압 회로(Voltage Multiplier, VM)를 설계한다.
• 다이오드와 커패시터를 사용하여 전하 펌프 기반 회로로 VM을 실현한다.
• 실험적 검증을 위해 마이크로 및 마크로 스케일 전자기 진동 수확기를 VM과 통합한다.
• 최적의 전력 전달 조건을 도출하기 위해 다양한 부하 조건에서 VM의 성능을 특성화한다.
• 다양한 입력 진동 진폭과 주파수에서 효율성과 출력 전력을 측정한다.
• 실제 운영 조건에서 VM의 효율성을 평가하기 위해 18μW 전력 수준을 기준으로 삼는다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자기 진동 수확기에서 150mV 피크 이하의 전압을 효과적으로 증폭할 수 있는 전압 승압 회로가 가능한가?
• RQ2 제안된 전압 승압 회로가 저전력 수준, 특히 18μW 근처에서의 효율은 어떠한가?
• RQ3 전압 승압 회로는 전자기 발전기의 최적 부하 저항에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 전압 승압 회로는 마이크로 및 마크로 스케일 전자기 진동 수확기에서 모두 높은 효율을 유지하는가?
• RQ5 전압 승압 회로는 주변 진동을 이용한 저전력 전자 시스템에 실용적인 전력 공급을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 전압 승압 회로는 최소 입력 전압 150mV(피크)를 성공적으로 증폭하여 저전압 진동 원천으로부터 사용 가능한 전력을 추출할 수 있다.
• VM은 출력 전력 18μW에서 최대 85%의 효율을 달성하여 저전력 조건에서 뛰어난 성능을 보였다.
• VM을 전자기 발전기와 통합함으로써 최적 부하 조건이 변화하였으며, 이는 실험적으로 특성화되고 최적화되었다.
• VM은 마이크로 및 마크로 스케일 전자기 진동 수확기에서 모두 효과적인 성능을 유지하여 확장 가능성을 보였다.
• 측정된 결과는 VM이 에너지 수확 응용 분야, 특히 저전력 IoT 장치에서 효율적인 전력 조절을 가능하게 함을 확인하였다.
• 시스템은 변동성이 큰 저전압 입력에서 안정적이고 조절된 출력을 제공하는 실용적인 가능성을 입증하였다.