Today energy harvesting plays an important role in human life; thus, many methods have been used to harvest green ener-gy from the surrounding environment for the service of humankind. One of the most popular methods involves the use of a piezoelectric (PE) material to harvest energy from vibration sources. A PE energy harvesting system has two functional sections: a transducer, which converts potential energy into electrical energy; and an electrical interface, which is used to manage this electrical energy. One of the most important parts of the electrical interface is a rectifier, such as an AC-DC converter. This dis-sertation proposes three types of rectifiers that are cross-coupled rectifier with synchronous switches, rectifier with automatic resetting of transducer capacitance, and series synchronous switch harvesting on inductor (SSHI) rectifier.
The cross-coupled rectifier with synchronous switch is the first proposed to increase extracted power from PE. By using two synchronized switches, the extracted efficiency of the rectifier is double. Furthermore, the passive diode of the conventional rectifier is replaced by active diode to increase the conversion efficiency of rectifier. The simulation and measurement results show that the power extraction efficiency of the rectifier is 1.9 times that of the active full-bride rectifier.
The second architecture proposes a rectifier with automatic resetting of transducer capacitance, and the key idea of the proposed architecture is to reset the transducer capacitor at optimal instants to maximize the extracted power. The switches dis-charge the transducer capacitor at optimal instants two times for every cycle. The active diodes are based on op-amps with a preset dc offset, which reduces the voltage drop and the leakage current and avoids instability. In addition, the controller for the second proposed rectifier is simple to reduce the circuit complexity and the power dissipation. The proposed rectifier was de-signed and fabricated in 0.18 um CMOS technology. The power extracted by the second proposed rectifier is 1.92 times larger when compared with conventional full-bridge rectifiers. The die area of the proposed circuit is 0.08×0.20 mm2.
A rectifier with Series Synchronized Switch Harvesting Inductor (SSHI) is the last proposed for a PE energy harvesting system. The series SSHI rectifier includes two active diodes, two switches, and an inductor. The inductor flips the transducer voltage when the current source of the transducer crosses zero, which avoids waste of power through charging and discharging the transducer capacitance. Owing to the diode on the LC resonant loop, the flipping time of the capacitor is optimal for the pro-posed rectifier to maximize the extracted power. The proposed rectifier increases the power extraction efficiency by 3.3 times when compared to an active full-bridge (FB) rectifier. The die size of the proposed circuit is 0.4x0.5 mm2 in CMOS 0.18
오늘날 에너지 하베스팅은 우리 생활에 중요한 기술이 되었다. 이에 따라 주변 환경의 그린 에너지 하베스팅과 관련된 여러가지 기술들이 개발되었고 그 중 가장 널리 쓰이는 방식은 진동을 하는 에너지원으로부터 piezoelectric 물질을 사용하여 에너지를 수확하는 방식이다. PE 에너지 하베스팅 시스템은 기능적으로 두 가지 부분으로 구분된다: 포텐셜 에너지를 전기 에너지로 바꿔주는 transducer와 생성된 전기 에너지를 관리하는 전기 인터페이스이다. 전기 인터페이스의 가장 중요한 부분은 AC-DC 변환기와 같은 rectifier이다. 본 논문은 synchronous 스위치가 달린 cross-coupled rectifier, transducer 캐패시터를 자동으로 리셋해주는 rectifier, inductor rectifier에서 series synchronous switch harvesting을 하는 세 종류의 rectifier를 제안한다.
첫 번째 구조인 synchronous 스위치가 달린 cross-coupled rectifier는 PE로부터 얻어내는 에너지를 증대시키기 위한 것이다. 두 개의 synchronous switch를 사용함으로서 rectifier로부터 에너지를 추출하는 효율은 두 배가 된다. 시뮬레이션과 측정결과는 rectifier의 에너지 추출효율이 active full-bridge rectifier보다 1.9배 좋다는 것을 보여준다.
두 번째 구조는 transducer capacitance를 자동리셋 해 주는 rectifier로서 이 구조의 핵심은 적절한 시기마다 transducer의 capacitance를 리셋해 줌으로서 에너지 추출효율을 극대화하는 것이다. 매 사이클마다 스위치가 transducer capacitor에 쌓인 전하를 방전시킨다. Active diode들은 미리 설정한 dc offset을 가진 op-amp에 기반함으로써 전압강하와 전류누출을 줄이고 안정성을 강화하였다. 또한 이 구조를 위한 컨트롤러는 구조가 간단하여 회로의 복잡함과 소모 전력량을 줄일 수 있다. 제안된 rectifier는 0.18um 공정을 사용하여 제작했다. 이 구조를 통해 기존 full-bridge rectifier에 비해 1.9배 많은 에너지를 추출할 수 있었다.
마지막으로 series synchronized switch harvesting inductor를 사용한 rectifier는 두 개의 active diode, 두 개의 스위치, inductor를 포함한다. Inductor는 transducer의 전력원이 0을 지날 때마다 transducer의 전압을 뒤집음으로써 transducer capacitance를 충전하고 방전하는데 낭비되는 전력을 절약할 수 있게 해준다. LC 공진회로의 diode가 있기에 capacitor의 전압이 뒤집히는 시점을 최적화할 수 있다. 이 구조는 active full-bridge rectifier에 비해 3.3배의 전력추출효율을 보인다.
