Energy Harvesting Aus mehreren Quellen versorgt

Messungen am MISIMO-Wandler

Der MISIMO-Chip ist 0,5 mm² groß und wurde in einer 28-nm-FDSOI-Technologie bei STMicroelectronics implementiert. Messungen zeigen einen maximalen Wirkungsgrad von 89 % und einen Wirkungsgrad von 75 % über alle Lasten und über einen Dynamikbereich von 1:60.000 (1 μW bis 60 mW) in L3 bei 1 V (Bild 4, oben links). Dies ist zum einen der ereignisgesteuerten dynamischen Regelung von tϕ_Hi, tϕ_BAT und fSW_Hi zu verdanken, die den Wirkungsgrad bei niedriger Last um bis zu 34 % verbessern (Bild 4, oben rechts). Zum anderen liegt dies an der dynamischen Switch-Size-Modulation bei 1 V bzw. 0,6 V, die den Wirkungsgrad um 17 % bis 24 % verbessert (Bild 4, unten).

Dynamische Messungen zeigen, dass der Chip drei unabhängige Lasten bei unterschiedlichen Spannungen mit dynamischer Einschaltdauer und PFM effektiv regeln kann – auch während der Anlaufphase (Bild 5, oben links) oder während eines Lastsprungs (Bild 5, oben rechts), alle mit vernachlässigbarem Spannungseinbruch und einer Restwelligkeit von unter 30 mV. Die gemessenen Lastsprünge (Bild 5, unten links) und Sprünge bei den Harvesting-Quellen (Bild 5, unten rechts) zeigen, dass der MISIMO-Chip mehrere Eingangsquellen (maximal 15 mV Welligkeit für MPPT-Zwecke) und mehrere Ausgangslasten mit einer Topologie gleichzeitig mit nur einer einzigen Induktivität ohne Cross-Regulation-Fehler regeln kann.

ParameterBandyopadhyay [1]Chew [3]Shrivastava [4]Chen [ISSCC 2015]Lu [ISSCC 2016]Chowdary [2]Amin [5]
Prozesstechnik0,35 µm0,18 µm0,13 µm0,5 µm0,35 µm0,18 µm28 nm
Zahl der Eingänge3 + Akku1 + Akku1 + Akku1 + Akku1 + Akku3 + SuperCap3 + Akku
Zahl der Ausgänge1 + Akku2 + Akku3 + Akku1 + Akku1 + Akku1 + SuperCap3 + Akku
Wandlerarchitekturzweistufiger Buck/Boost mit einer Ind.einstufiger Buck/Boost mit einer Ind.zweistufiger Buck/Boost mit einer Ind.einstufiger Buck/Boost mit einer Ind.einstufiger Buck/Boost mit einer Ind.zweistufiger Buck/Boost mit einer Ind.einstufiger Buck/Boost mit einer Ind.
Energiequellen (Eingangsspannung)PV (0,15 V – 0,75 V); Piezo (1,5 V – 5,0 V); TEG (0,02 V – 0,16 V); Akku (3,3 V)PV (2,6 V); Akku (3 V)PV (0,38 V – 3,3 V); Akku (<5 V)PV (3,6 V); Akku (4 V)PV (0,03 V – 3,6 V); Akku (<3,6 V)PV; Piezo, HFPV (0,2 V – 1,0 V); TEG (0,1 V – 0,4 V); BFC (0,2 V – 0,5 V); Akku (1,8 V)
LastregelmechanismusPFMPFMPFM, SpitzenstromregelungPFMPFMPFM 
MPPT-Mechanismusadaptive tON, feste fSWkonstante tON, variierende fSWkonstante tON, variierende fSWkonstante tON, variierende fSWN. R.konstanter iPK, variierende fSWadaptive tON, adaptive fSW
Induktivität22 µH10 µH20 µH4,7 µH22 µH47 µH10 µH
Lastkapazität C15 µF10 µF8 µF4,7 µF4,7 µF10 µF1 µF
Chipgröße~15 mm²4,62 mm²2,25 mm²0,5 mm²4 mm²1,1 mm²0,5 mm²
Ausgangsspannung1,8 V1,0 V; 1,8 V1,2 V; 1,5 V; 3,3 V1 V – 3,3 V3,6 V1,2 V – 1,8 V0,4 V – 1,4 V
Ruhestrom bzw. Leerlaufleistung2,7 µA bei VDD = 1,8 V0,4 µA bei VDD = 1 V1,2 µW1 µA bei VDD = 4 V200 nA18 nA262 nA bei VDD = 1 V
Ausgangsleistung9 µW – 540 µW1 µW – 10 mW<100 mW1 µW – 15 mWN. R.60 nW – 40 µW‡1 µW – 60 mW
Dynamikber. f. η >70 %60 x10.000 x16.500 x‡15.000 xN. R.667 x‡60.000 x
maximaler Wirkungsgrad90 %83 %92 %93 %85 %87 %89 %

 

Tabelle: N. R. = Not Reported; ‡: aus den Diagrammen heraus geschätzt.

Zu verdanken ist der Topologie, mit der sich die Ladung in der Spule dynamisch zurück in den Akku speisen lässt. Eine vergleichende Tabelle mit früheren Arbeiten zeigt, dass der MISIMO-Chip die erste Lösung ist, die sowohl ein Energy-Harvesting mit MPPT aus mehreren Quellen als auch die Regelung mehrerer Ausgänge mit nur einer Induktivität durchführt. Gleichzeitig erreicht diese Lösung den größten Dynamikbereich unter den bisherigen Multi-Input-Energy-Harvestern, und das alles auf einer recht kleinen Chipfläche und mit wettbewerbsfähigem Wirkungsgrad.

Dieser Artikel basiert auf einem Paper aus dem Tagungsband der ISSCC 2018.

REFERENZEN

[1] S. Bandyopadhyay, and A. Chandrakasan, Platform Architecture for Solar, Thermal, and Vibration Energy Combining with MPPT and Single Inductor, IEEE JSSC, vol. 47, no. 9, pp. 2199-2215, Sept. 2012.

[2] G. Chowdary, et al., An 18 nA, 87% Efficient Solar, Vibration and RF Energy-Harvesting Power Management System with a Single Shared Inductor, IEEE JSSC, vol. 51, no. 10, pp. 2501-2513, Oct. 2016.

[3] K. Chew, et al., A 400nW Single-Inductor Dual-Input-Tri-Output DC-DC Buck-Boost Converter with Maximum Power Point Tracking for Indoor Photovoltaic Energy-Harvesting, ISSCC, pp. 68-90, Feb. 2013.

[4] A. Shrivastava, et al., A 1.2μW SIMO energy harvesting and power management unit with constant peak inductor current control achieving 83–92% efficiency across wide input and output voltages, IEEE Symp. VLSI Circuits, pp. 1-2, June 2014.

[5] S. Safwat Amin, and P. Mercier, MISIMO: A Multi-Input Single-Inductor Multi-Output Energy Harvester Employing Event-Driven MPPT Control to Achieve 89% Peak Efficiency and a 60,000× Dynamic Range in 28nm FDSOI, IEEE ISSCC, pp. 144-146, Feb. 2018