[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种电压倍增器（VM）电路，旨在将电磁振动能量采集器产生的低电压输出进行升压，实现在18 μW输出功率下达到85%的效率。该VM通过优化负载条件，有效实现了对微尺度能量采集器的功率调节，展示了其在低功耗嵌入式系统中的可行性。

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.

研究动机与目标

• 解决微尺度系统中电磁振动能量采集器输出低电压的挑战。
• 开发一种能够高效将低于150 mV峰值电压升压至可用水平的功率调节电路。
• 优化电磁发电机与电压倍增器接口时的负载条件。
• 在真实世界的微尺度和宏观尺度振动发电机中，展示电压倍增器的实际效率和性能。
• 通过环境机械振动实现低功耗电子系统的可靠供电。

提出的方法

• 设计一种电压倍增器（VM）电路，能够将最低150 mV（峰值）的输入电压进行升压。
• 采用基于电荷泵的电路结构，利用二极管和电容实现电压倍增。
• 将VM与微尺度和宏观尺度的电磁振动发电机集成，用于实验验证。
• 在不同负载条件下表征VM性能，以确定最佳功率传输条件。
• 测量不同输入振动幅度和频率下的效率与输出功率。
• 以18 μW的功率水平作为基准，评估VM在实际工作条件下的效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 电压倍增器电路能否有效提升电磁振动采集器输出的低于150 mV峰值电压？
• RQ2 所提出的电压倍增器在低功率水平下（特别是约18 μW时）的效率如何？
• RQ3 电压倍增器如何影响电磁发电机的最佳负载电阻？
• RQ4 该VM在不同尺度的电磁振动发电机（微尺度与宏观尺度）中是否保持高效率？
• RQ5 该VM能否实现利用环境振动为低功耗电子系统提供实用的电力供应？

主要发现

• 电压倍增器电路成功将最低150 mV（峰值）的输入电压升压，实现了从低电压振动源中提取可用电力。
• 该VM在18 μW输出功率水平下实现了85%的峰值效率，表明其在低功耗条件下具有优异性能。
• VM与电磁发电机的集成改变了最佳负载条件，这些条件已通过实验表征并得到优化。
• 该VM在微尺度和宏观尺度的电磁振动发电机中均保持高效性能，显示出良好的可扩展性。
• 实测结果证实，该VM能够实现高效功率调节，适用于能量采集应用，尤其适用于低功耗物联网设备。
• 该系统在需要从波动的低电压输入中获得稳定、受控输出的能量采集系统中，展示了实际部署的可行性。