[论文解读] 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 11

一句话总结

本文提出了一种用于MEMS惯性能量采集器的功率处理电路，可将电磁和静电转换产生的低水平电能转换为可用的直流输出。该研究解决了效率和阻抗匹配方面的挑战，展示了针对微尺度能量采集应用的优化整流与电压调节，并在MEMS级别通过实验验证。

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.

研究动机与目标

• 解决高效转换MEMS惯性能量采集器产生的低水平电能为可用直流输出的挑战。
• 设计适用于微尺度电磁和静电转换机制的功率处理电路。
• 在可变环境振动输入条件下，优化整流与电压调节以实现稳定电力输出。
• 通过解决功率转换瓶颈，实现能量采集器在自主微系统中的实际集成。

提出的方法

• 设计适用于低电压、高阻抗MEMS源的桥式整流器拓扑结构。
• 采用开关电容电压调节器以稳定并提升输出电压。
• 使用有源整流技术以降低低输入功率水平下的电压降并提高效率。
• 对功率转换链路进行建模与仿真，以评估在真实振动剖面下的性能。
• 利用集成有功率处理电路的制造MEMS器件进行实验验证。
• 分析在不同输入加速度水平下的功率传输效率与输出调节性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何优化用于低功率、高阻抗MEMS惯性能量采集器的功率处理电路？
• RQ2 在低振幅振动下采集能量时，何种整流技术可实现最高效率？
• RQ3 在超低功耗系统中，如何实现最小功率损耗的电压调节？
• RQ4 集成式功率处理在电磁和静电MEMS换能器中的性能极限是什么？
• RQ5 在真实世界振动条件下，电路参数如何影响系统效率？

主要发现

• 所提出的功率处理电路在输入功率低于10 µW时，实现了超过70%的功率转换效率。
• 与传统二极管整流器相比，有源整流在低电压区域将电压降降低了50%以上。
• 开关电容调节器成功实现了在广泛输入加速度范围内的输出电压稳定。
• 集成电路设计使系统在最低0.1g输入加速度下仍能可靠运行。
• 实验结果证实，在不同机械激励下，输出直流电压的纹波小于5%。
• 该系统在真实环境中为低占空比微系统供电的可行性得到验证。