EnTON - Schaltungen für einen optimierten Energietransfer in Energy Harvesting Anwendungen

Abstract

Der Einsatz von Energy-Harvesting-Systemen zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Umgebungsenergie für die Versorgung elektronischer Systeme ist weit verbreitet. Solche Anwendungen erfordern eine hoch effiziente Energieextraktion und Steuerung, um die Nut-zung der begrenzt verfügbaren Leistung zu maximieren. Die maximale Leistungsentnahme wird erreicht, wenn die Lastimpedanz dem komplex konjugierten Wert der Harvester-Impedanz entspricht. Aufgrund Schwankungen der Anregung des Harvesters ist es jedoch nicht möglich, den Betrieb ohne eine aktive Regelung dauerhaft im optimalen Arbeitspunkt zu halten. Das Regelsystem muss somit sicherstellen, dass die Ausgangsspannung des Harves-ters stets der Hälfte der Leerlaufspannung entspricht, um die maximale Leistung aus dem Harvester zu gewinnen. Da beim betrachteten Harvester das Ausgangssignal sinusförmig ist, erfordert dies eine kontinuierliche Regelung, die mit einem hohen Leistungsbedarf einher geht. Aufgrund dieses hohen Energieverbrauchs wurde dieser Ansatz bislang ausschließlich mit Mikrocontrollern gelöst und nur mit großen Harvestern und Leistungen im Bereich von mehre-ren zehn bis hundert Milliwatt realisiert. Ziel dieses Projekts war es, eine derartige Regelstrategie in energieeffizienter Form in einem ASIC zu implementieren und eine Leistungsaufnahme von wenigen Mikrowatt zu erreichen. Die entworfene Regelung basiert auf einem Hill-Climbing-Algorithmus, der die Leistungsände-rungen eines elektromagnetischen Schwingungs-Harvesters ermittelt, der bei einer Reso-nanzfrequenz von 100 Hz betrieben wird. Das vorgeschlagene System emuliert eine ideale Lastimpedanz, die den Harvester im optimalen Arbeitspunkt hält. Die Impedanz-Emulation erfolgt mithilfe eines hocheffizienten Aufwärtswandlers. Ein dediziertes analoges Mess- und Regelsystem wurde vollständig auf Transistorebene in einer 0,35µm CMOS-Technologie im-plementiert und für einen Temperaturbereich von −40 °C bis 80 °C ausgelegt. Die Regel-schaltung basiert auf Gleichungen analoger Schaltungsblöcke, wodurch eine energiearme Berechnung des erforderlichen Tastverhältnisses ermöglicht wird, das zur Emulation der op-timalen Impedanz notwendig ist. Darüber hinaus wurde ein neuartiges Konzept für eine aktive Diode entwickelt, das eine zuverlässige Nulldurchgangs- bzw. Nullstromdetektion bei gleich-zeitig geringem Stromverbrauch gewährleistet. Mittels dieser Ansätze wurde die gesamte Schaltung konsequent energiearm ausgelegt. Simulationsergebnisse zeigen, dass das System Wirkungsgrade von über 96 % bei Eingangs-leistungen ab 400 µW sowie über 98 % bei Eingangsleistungen oberhalb von 1 mW erreicht. The use of energy harvesting devices to extract ambient energy for powering electronic sys-tems is widespread. Such applications require highly efficient energy extraction and man-agement in order to maximize the utilization of the limited available power. Maximum power extraction is achieved when the load impedance is the complex-conjugate of the harvester impedance. However, due to changing ambient perturbations, it is not possible to maintain operation at the optimal operating point without an active control mechanism. To extract the maximum power from the harvester, the control system must ensure that the harvester output voltage is always equal to half of the open-circuit voltage. Since the output waveform of the harvester under study is sinusoidal, this requires continuous regulation, which is highly power demanding. Thus, this approach has so far been realized only in micro-controller-based applications with large harvesters that deliver powers in the range of several tens to hundreds of milliwatts. The aim of this project was to implement such a control strategy on an ASIC in a low-power manner, targeting a power consumption in the low microwatt range. The control is based on a hill-climbing algorithm to track and follow variations of an electro¬magnetic vibration harvester operating at resonance at 100 Hz. The proposed system emulates an ideal load impedance that keeps the harvester operating at its optimal working point. Impedance emulation was achieved using a high-efficiency boost converter. A dedicated analog measurement and con-trol system was fully implemented at transistor level using standard 0.35 µm CMOS technolo-gy and is designed to operate over a temperature range from −40 °C to 80 °C. The control circuitry is based on mathematical functions implemented with analog circuits, enabling a low-power computation of the duty cycle for emulating the optimal impedance. Furthermore, a novel active diode concept was developed that ensures reliable zero-current detection while maintaining low current consumption. As a result, the complete circuit is implemented in a consistently low-power manner. Simulation results demonstrate that the system achieves efficiencies above 96% for input powers starting at 400 µW and above 98% for input powers exceeding 1 mW.