توصيفگر ها :
برداشت انرژي لرزشي پيزوالكتريك , مدار پردازش توان , يكسوكننده تمام موج , يكسوكننده PSSHI , مبدل ac/dc مستقيم , تعقيب نقطه بيشينه توان
چكيده فارسي :
امروزه يكي از فناوري‌هاي رو به توسعه در حوزه ارتباطات بي‌سيم، فناوري اينترنت اشياء و شبكه‌هاي حسگر بي‌سيم مي‌باشد كه در صنايع مختلف از جمله دورسنجي پزشكي و سلامت و درمان هوشمند كاربرد فراوان دارد. يكي از مهم‌ترين چالش‌ها در فناوري اينترنت اشياء، نياز به تعويض باتري‌هاي فرسوده و هزينه‌هاي تعمير و نگهداري ناشي از بررسي و جايگزيني باتري‌ها است.
همين چالش‌ها سبب رشد تقاضا براي يافتن رويكردهاي مناسب براي جايگزيني باتري و يا شارژ آن شده است. در كنار پيشرفت تكنولوژي‌هاي ساخت باتري، يكي از راهكارهاي جديد و قابل توجه براي تامين توان شبكه‌هاي حسگر بي‌سيم، برداشت انرژي از محيط است. در اين زمينه برداشتگرهاي مختلفي از جمله برداشتگرهاي انرژي لرزشي وجود دارد. براي ﺑﺮﺩﺍﺷﺖ ﺍﻧﺮﮊﻱ ﻟﺮﺯﺷﻲ مي‌توان ﺍﺯ سه نوع برداشتگر الكترواستاتيكي، الكترومغناطيسي و پيزوالكتريكي استفاده كرد كه در اين پايان‌نامه تمركز روي برداشت انرژي لرزشي پيزوالكتريك مي‌باشد.
براي استفاده از توان توليدي برداشتگر پيزوالكتريكي بايد يك مدار واسط پردازش توان بين برداشتگر و باتري قابل شارژ در خروجي طراحي شود به گونه‌اي كه بتواند ولتاژ سينوسي را يكسو كرده و همچنين شرايط دريافت بيشينه توان از برداشتگر را فراهم كند.
مدار پردازش توان در حالت متداول به صورت دو طبقه شامل يك طبقه يكسوكننده و يك طبقه مبدل dc/dc است كه يكسوكننده‌ها در انواع مختلفي اعم از مدار FBR و PSSHI وجود دارند. مدار واسط دو طبقه داراي محدوديت‌هايي از جمله تعداد زياد المان در مسير پردازش توان است كه منجر به افزايش تلفات هدايتي و در نهايت بازده توان پايين مي‌شود.
راهكار مناسب و مورد توجه براي بهبود بازده توان و كاهش تعداد كليد در مسير توان، ادغام دو طبقه يكسوكننده و مبدل dc/dc است. در اين پايان‌نامه مدار پيشنهادي يك مبدل ac/dc مستقيم يك طبقه مي‌باشد كه فاقد يكسوكننده مجزا و فيلتر خازني است. از مزاياي توپولوژي پيشنهادي، امكان استفاده از آن در دو حالت مدار ادغام شده يكسوكننده FBR و مبدل dc/dc افزاينده و مدار ادغام شده يكسوكننده PSSHI و مبدل dc/dc افزاينده تنها با يك سلف است. با تحليل‌هاي انجام شده براي هر دو حالت، شرايط برداشت بيشينه توان از مدار به دست آمده است.
همچنين برداشتگر انرژي به يك مدار كنترل‌كننده جهت تعقيب نقطه بيشينه توان نياز دارد تا با وجود تغييرات ورودي اعم از تغيير در فركانس لرزش و يا تغيير در ولتاژ مدار باز برداشتگر، بتواند همواره بيشينه توان را به خروجي منتقل كند.
در اين پايان‌نامه دو روش كنترل حلقه بسته براي مدار واسط پيشنهادي، پيشنهاد شده است كه روش اول از طريق آشكارسازي زمان هدايت ديود مبدل و روش دوم از طريق اندازه‌گيري ولتاژ مدار باز برداشتگر است. چالش اصلي كنترل حلقه بسته، توان مصرفي مدار كنترل و سرعت واكنش آن نسبت به تغييرات ورودي است كه بايد در طراحي در نظر گرفته شود.
در نهايت مدار پيشنهادي در حالت مدار ادغام شده يكسوكننده FBR و مبدل dc/dc افزاينده براي تامين توان يك باتري قابل شارژ 1/8 ولتي به همراه كنترل حلقه بسته به روش اندازه‌گيري ولتاژ مدار باز در تكنولوژي 180 نانومتر استاندارد سي‌ماس در سطح شماتيك پياده‌سازي شده است كه تنها يك سلف 100 ميكروهانري به عنوان المان خارج تراشه دارد. طبق نتايج شبيه‌سازي در ولتاژ مدار باز 1/2 ولت، بازده مدار برابر 91/84 درصد و بازده تعقيب نقطه بيشينه توان برابر 98/95 درصد به دست آمده است. همچنين زمان تعقيب حلقه كنترلي كمتر از يك دوره تناوب لرزش برداشتگر به دست آمده است.
چكيده انگليسي :
Today, one of the developing technologies in the wireless communication is the Internet of Things (IoT) technology and wireless sensor networks (WSNs), which are widely used in various industries, including medical and health telemetry and smart therapy. One of the most important challenges in IoT technology is the need to replace batteries and maintenance costs due to checking and replacing batteries. These challenges have caused the demand to find suitable approaches to replace the battery or charge it. Along with the advancement of battery manufacturing technologies, one of the new and significant solutions for supplying the power of WSNs is harvesting energy from the environment. In this field, there are various harvesters including vibration energy harvesters. Three types of electrostatic, electromagnetic, and piezoelectric harvesters can be used to harvest Vibration energy. In this thesis, the focus is on harvesting piezoelectric vibration energy.
In order to use the extracted power of the piezoelectric harvester, a power processing interface circuit between the harvester and the rechargeable battery at the output must be designed in such a way that it can rectify the sinusoidal voltage and also provide the conditions for extracting the maximum power from the harvester. The Conventional power processing circuit consists of two stages, including a rectifier stage and a dc/dc converter stage, which rectifiers exist in different types including FBR and PSSHI circuits. The two-stage interface circuit has limitations, including the large number of elements in the power processing path, which leads to increased conduction losses and ultimately low power efficiency.
A suitable and interesting solution to improve power efficiency and reduce the number of switches in the power path is the merging of two stages of the rectifier and dc/dc converter. In this thesis, the proposed circuit is a single-stage direct ac/dc converter that does not have a separate rectifier and capacitor filter. Among the advantages of the proposed topology, it is possible to use it in two modes: the first one, merged circuit of rectifier FBR and dc/dc boost converter, and the second one, merged circuit of rectifier PSSHI and dc/dc boost converter with only one inductor. With the analyzes performed for both modes, the conditions of maximum power extraction from the circuit have been obtained.
Also, the energy harvester needs a controller circuit to track the maximum power point so that it can always transfer the maximum power to the output despite the changes in the input, including the change in vibration frequency or the change in the open circuit voltage of the harvester.
In this thesis, two methods of closed- loop control for the proposed interface circuit are proposed, the first method is through the detection of the conduction time of the converter diode and the second method is through the measurement of the open circuit voltage of the harvester. The main challenge of closed-loop control is the power consumption of the control circuit and its reaction speed to input changes, which must be considered in the design.
Finally, the proposed circuit in the mode of the merged circuit of rectifier FBR and the dc/dc boost converter to powering of a 1.8 volt rechargeable battery with closed-loop control using the open circuit voltage measurement method is implemented at the schematic level in 180nm CMOS technology, which has only one 100 μH inductor as an off-chip element. According to the simulation results, at the open circuit voltage of 1.2 V, the circuit efficiency is 91.84 percent and the maximum power point tracking efficiency is 98.95 percent. Also, the tracking time of the control loop is less than one vibration period of the harvester.
