SUPERVISOR
Nasrin Rezaei hosseinabadi
نسرین رضایی حسین آبادی (استاد راهنما)
STUDENT
Mostafa Sharifian
مصطفی شریفیان درچه
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Design of an Adaptive Energy Harvesting Interface Circuit for Array of Piezoelectric Transducers
One of the main challenges of using wireless sensor networks (WSN) is their power supply. Due to limited charge, environmental concern, and the difficulty of replacing the batteries, energy harvesting is a promising solution to develop self-powered wireless sensor nodes. One of the ambient energy sources is vibration energy, which can be extracted and converted to electrical power by piezoelectric energy harvesters. The main challenge in using these harvesters is their resonant performance; hence these harvesters receive suitable power only at their resonant frequency, and the power drops extremely at other frequencies. Therefore, using the array of piezoelectric energy harvesters with different resonance frequencies can enhance the generated electrical power. Furthermore, it also improves the reliability of the system, especially under some weak vibrations. Having a correct understanding of ambient environmental vibrations and proper resonant frequency selection is essential for extracting maximum power from the array of energy harvesters. Therefore, in the second chapter of this thesis, a criterion for selecting the resonant frequency of an energy harvester based on amplitude and frequency of vibration in a multi-frequency environment is provided. Designing a suitable interface circuit to get power from array of energy harvesters is another important challenge that should be addressed. The limited size of the wireless sensor nodes and finite power density of energy harvesters necessitate that the interface circuit must be as small as possible and implemented as an integrated circuit with low power consumption. Also, because ambient energy sources are often irregular or intermittent, the interface circuit should receive maximum power from all array harvesters in any environmental vibration conditions. In this thesis, a power processing circuit for an array of piezoelectric energy harvesters with different resonant frequencies and time-varying open-circuit voltages is presented. The proposed power processing circuit can receive maximum power for all array elements, independent of the harvester’s open-circuit voltage. The proposed control method only depends on the amount of the cantilever beam capacitance and vibration frequency. Also, in comparison with other interface circuits, all passive capacitive elements are removed, and the amount of shared inductive component is reduced to 100 uH, saving space and fabrication costs. Sharing different parts of the circuit for all transducers in arrays is another advantage of this structure, which reduces the area. The proposed interface circuit extracts 1.57 times more power than a conventional full-bridge rectifier-based harvesting circuit. Another advantage of the proposed interface circuit is that it can be used for all energy harvesters that deliver maximum power at an optimal resistance load. Hence the suggested circuit can be used for a hybrid set that includes several different energy harvesters. The proposed power processing circuit is designed and simulated in 180 nm CMOS technology, and chip layout with a 0.4 mm2 area is also submitted for fabrication. The circuit simulations verify the analytical results consider all parasitic elements, including resistance, capacitance, and coupling capacitance. The self-powered interface circuit’s efficiency is more than 85% for open circuit voltages above 2.7 volts. Wireless Sensor Networks, Array of Piezoelectric Energy Harvesters, Resonance Frequency, Adaptive Selfpowered Interface Circuit, Integrated Circuit
امروزه یکی از چالش های اصلی در به کارگیری شبکه های حسگر بی سیم تأمین توان آن هاست. به دلیل محدودیت در شارژ و عمر باتری ها و همچنین مشکلات زیست محیطی آن ها، استفاده از برداشتگرهای انرژی به عنوان یک راه حل جایگزین پیشنهاد شده است. یکی از منابع مهم انرژی محیطی، انرژی لرزشی است که به کمک برداشتگرهای پیزوالکتریکی می توان آن را دریافت نمود. اصلی ترین چالش در استفاده از این برداشتگرها عملکرد رزونانسی آن هاست؛ در نتیجه این برداشتگرها فقط در فرکانس رزونانس خود، توان مناسبی را دریافت می کنند و در سایر فرکانس ها توان دریافتی به شدت افت می کند. از سوی دیگر برای محیط های فیزیکی واقعی با چند فرکانس لرزش مختلف، استفاده از برداشتگرهای پیزوالکتریکی آرایه ای می تواند علاوه بر افزایش توان دریافتی، قابلیت اطمینان سیستم را نیز بهبود ببخشد. برای به کارگیری برداشتگرهای آرایه ای داشتن درک صحیح از لرزش های محیطی و نحوة انتخاب فرکانس رزونانس برای دریافت بیشین? توان ضروری است. لذا در فصل دوم این پایان نامه، معیاری جهت انتخاب فرکانس رزونانس یک برداشتگر در محیط چندفرکانسی ارائه شده است که مبتنی بر دامن? شتاب نوسانات و اندازة فرکانس است. طراحی یک مدار واسط مناسب برای دریافت توان از برداشتگرهای آرایه ای یکی دیگر از چالش های مهم به شمار می آید. به دلیل محدودیت در اندازة گره های حسگر بی سیم و محدودیت در توان تولیدی برداشتگرهای انرژی، لازم است که مدار واسط تا حد امکان کوچک بوده و به صورت مجتمع پیاده سازی شود و همچنین توان مصرفی بسیار کمی داشته باشد. علاوه براین به دلیل متفاوت بودن شرایط لرزشی هرمحیط، لازم است که عملکرد مدار به گونه ای باشد که قابلیت دریافت بیشین? توان از تمام برداشتگرهای آرایه و در هم? شرایط را داشته باشد. در این پایان نامه یک مدار پردازش توان برای برداشتگرهای پیزوالکتریکی آرایه ای با فرکانس های رزونانس مختلف و ولتاژهای مدار باز متغیر با زمان پیشنهاد شده است. مدار پیشنهادی شرایط دریافت بیشین? توان را برای تمام عناصر آرایه فراهم می کند؛ به طوری که روش کنترلی پیشنهادی تنها به اندازة فرکانس لرزش محیط و اندازة خازن برداشتگر پیزوالکتریکی وابسته است و مستقل از ولتاژ مدار باز برداشتگر است. همچنین در مدار پیشنهادی در مقایسه با سایر مدارها، تمام المان های پسیو خازنی حذف شده و المان سلفی مدار نیز کاهش یافته است که موجب صرفه جویی در مساحت و هزین? ساخت می شود. به اشتراک گذاری بخش های مختلف مدار برای تمام آرایه ها یکی دیگر از مزایای این ساختار است که موجب کاهش مساحت می شود. همچنین توان تولیدی این مدار نسبت به مدار واسط یکسوکنندة تمام موج با فیلتر خازنی، 1/57برابر افزایش یافته است. از مزایای دیگر این مدار پیشنهادی، می توان به امکان استفادة آن برای انواع برداشتگرهای انرژی که توان بیشینه را در یک بار مقاومتی بهینه تحویل می دهند، اشاره کرد. از این رو می توان ساختار پیشنهادی را برای یک مجموع? هیبریدی که شامل چند نوع برداشتگر مختلف است نیز به کار برد. مدار پیشنهادی در تکنولوژی 180نانومتر سی ماس طراحی شده و طرح تراشه با مساحت 0/4میلیمتر مربع نیز برای ساخت ارسال گردیده است. درستی روابط تئوری و عملکرد مدار به کمک نتایج شبیه سازی و با در نظر گرفتن تأثیر المان های پارازیتی تایید شده است. توان مصرفی مدار نیز به گونه ای است که مدار قابلیت عملکرد به صورت خودتوان را دارد و راندمانمدار نیز به ازای ولتاژهای مدار باز بالاتر از 2/7ولت به بیش از 85درصد می رسد شبکه های حسگر بی سیم، برداشتگرهای انرژی پیزوالکتریکی آرایه ای، فرکانس رزونانس، مدار واسط خودتوان تطبیقی، مدار مجتمع