This paper presents a CMOS interface circuit for vibration energy harvesting with MPPT (Maximum Power Point Tracking). In the proposed system a PMU (Power Management Unit) is employed at the output of a DC-DC boost converter to provide a regulated output with low-cost and simple architecture. In addition an MPPT controller using FOC (Fractional Open Circuit) technique is designed to harvest maximum power from vibration devices and increase efficiency of overall system. The AC signal from vibration devices is converted into a DC signal by an AC-DC converter, and then boosted through the DC-DC boost converter. The boosted signal is converted into a duty-cycled and regulated signal and delivered to loads by the PMU. A full-wave rectifier using active diodes is used as the AC-DC converter for high efficiency, and a DC-DC boost converter architecture using a schottky diode is employed for a simple control circuitry. The proposed circuit has been designed in a 0.35um CMOS process, and the designed chip occupies $915{\mu}m{\times}895{\mu}m$. Simulation results shows that the maximum power efficiency of the entire system is 83.4%.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.31
no.4A
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pp.287-293
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2011
This paper investigates the applicability of a piezoelectric cantilever for energy supply of wireless sensor node used in structural health monitoring of bridges. By combining the constitutive equation of piezoelectric material and the dynamic equation of cantilever structure, the coupled governing equation for cantilever equipped piezoelectric patches has been addressed in matrix form. Forced excitation tests were carried out to validate the numerical model and to investigate the power output characteristics of the energy harvester. From the numerical simulation based on the measured bridge accelerations under KTX, Saemaul, Mugunghwa trains, the peak powers generated from the device were found to be 28.5 mW, 0.65 mW, 0.51 mW respectively. It is revealed from the results that bridge vibrations caused by moving loads is not a practical source for energy harvesting because of its low acceleration level, low frequency and short duration.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.30
no.8
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pp.501-507
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2017
A unimorph piezoelectric cantilever generator with an interdigitated electrode (IDE) was developed for vibration energy harvester applications driven in the longitudinal mode. Hard lead zirconate titanate (PZT) ceramic with a high $Q_m$ of 1,280 was used as the piezoelectric active material. Ten PZT sheets produced by tape casting were laminated and co-fired with an Ag/Pd IDE at $1,050^{\circ}C$ for 2 h. The approximately $280{\mu}m$-thick co-fired PZT laminate with the IDE was attached to a stainless steel substrate with an adhesive epoxy for the fabrication of an IDE unimorph cantilever. Its energy harvesting characteristics were evaluated: an output power of $1.1{\mu}W$ at 120 Hz across the resistive load of $700k{\Omega}$ was obtained, corresponding to a normalized power factor of $4.1{\mu}W/(G^2{\cdot}cm^3)$.
Seo, Yo-han;Lee, Myeong-han;Jung, Sung-hyun;Yang, Min-Jae;Yoon, Eun-jung;Yu, Chong-gun
Proceedings of the Korean Institute of Information and Commucation Sciences Conference
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2014.10a
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pp.585-588
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2014
This paper presents a self-powered sensor node circuit using photovoltaic and vibration energy harvesting. The harvested energy from a solar cell and a vibration device(PZT) is stored in a storage capacitor. The stored energy is managed by a PMU(Power Management Unit). In order to supply a stable voltage to the sensor node, an LDO(Low Drop Out Regulator) is used. The LDO drives a temperature sensor and a SAR ADC(Successive Approximate Register Analog-to-Digital Converter), and 10-bit digital output data corresponding to current temperature is obtained. The proposed circuit is designed in a 0.35um CMOS process, and the designed chip size including PADs is $1.1mm{\times}0.95mm$.
Sustainable energy supplies without the recharging and replacement of the charge storage device have become increasingly important. Among various energy harvesters, the triboelectric nanogenerator (TENG) has attracted considerable attention due to its high instantaneous output power, broad selection of available materials, eco-friendly and inexpensive fabrication process, and various working modes customized for target applications. In this study, the amount of voltage and current generated was measured by applying the PSD profile random vibration test of the electronic vibration tester and ISTA 3A according to the time of Anodized Aluminum Oxide (AAO) pore widening of the manufactured TENG device Teflon and AAO. The discharge and charging tests of the integrated module during the random simulated transport environment and the recognition distance of RFID were measured while agricultural products (onion) were loaded into the returnable folding plastic box. As a result, it was found that AAO alumina etching processing time to maximize TENG performance was optimal at 31 min in terms of voltage and current generation, and the integrated module applied with the TENG module showed a charging effect even during the continuous use of RFID, so the voltage was kept constant without discharge. In addition, the RFID recognition distance of the integrated module was measured as a maximum of 1.4 m. Therefore, it was found that the surface condition of AAO, a TENG element, has a great influence on the power generation of the integrated module, and due to the characteristics of TENG, the power generation increases as the surface dries, so it is judged that the power generation can be increased if the surface drying treatment (ozone treatment, etc.) of AAO is applied in the future.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2013.05a
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pp.589-590
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2013
The fast development of electronic devices towards wireless, portable and multi-functionality desperately needs the self-powered and low maintenance power sources. The possibility to coupling the nanogenerator to wearable and portable electronic device facilitates the self powered device with independent and self sustained power source. Nanogenerator has ability to convert the low frequency mechanical vibration to electrical energy which is utilized to drive the electronic device [1]. The self powered power source has the ability to generate the power from environment and human activity has attracted much interest because of place and time independent. The human body motion based energy harvesting has created huge impact for future self powered electronics device applications. The power generated from the human body motion is enough to operate the future electronic devices. The energy harvesting from human body motion based on triboelectric effect has simple, cost-effective method [2, 3] and meet the required power density of devices. However, its output is still insufficient to driving electronic devices in continues manner so new technology and new device architecture required to meet required power. In the present work, we have fabricated the triboelectric nanogenerator using PDMS polymer. We have studied detail about the power output of the device with respect to different polymer thickness and varied separation distance.
Kim, Hyo-Jin;Park, Ji-Young;Jin, Kyu-Nam;Noh, Myung-Hyun
Land and Housing Review
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v.5
no.2
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pp.99-106
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2014
The purpose of this study is to develop hybrid energy blocks with piezoelectric and electromagnetic induction method. The developed energy block is able to be applied to the housing and facilities in the city and is suitable to adjust the characteristics of facilities. To develop the hybrid energy block, we analyzed the characteristics and requirements of various energy block types and drew improvement and application method to develop energy blocks. We compared and analyzed the characteristics and performance of the prototype energy blocks and the developed hybrid energy blocks. According to result of the comparison and analysis, the developed energy block shows higher performance of 12.7 times for adding one vibration and 28.9 times for five consecutive vibrations than that of a existing prototype energy block. This is consistent with research purposes for W-level electrical energy production. Thus, the new energy block will likely be possible to apply to the housing and urban facility.
Journal of the Korean Institute of Electrical and Electronic Material Engineers
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v.25
no.4
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pp.286-289
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2012
In this paper, we have proposed piezoelectric energy harvester employing the pillar structure with the diameter size of 500 um. So we have selected the Su-8 photo-resist and modified lithography process to manufacture the pillar structure with height above the $500{\mu}m$. Simultaneously, we tried to make a comparative study to use ceramic bulk - polymer structure In this paper, we will report the process and properties of micro pillar structure based on the PMN-PZT ($Pb(Mg_{1/3}Nb_{2/3})O_3-PbZrTiO_3$) materials. Finally, We will propose a method for generating electrical energy with a piezoelectric element using vibration, an energy source can be obtained from the "clean" energy.
Kim, Chul-Min;Kim, Chang-Il;Lee, Joo-Hee;Paik, Jong-Hoo;Cho, Jeong-Ho;Chun, Myoung-Pyo;Jeong, Young-Hun;Lee, Young-Jin
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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v.11
no.5
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pp.206-211
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2010
Piezoelectric energy harvesting uses piezoelectric, which is able to convert unused mechanical vibration energy to electrical energy, such as with motor and machinery. The piezoelectric energy harvester was constructed with a cantilever made of lead zirconate titanate with a metal plate. The primary material was soft lead zirconium titanate (PZT-5H) due to the large strain availability, acceptable mechanical strength and high piezoelectric constant. This technique's drawback is that the energy efficiency is lower than the other energy harvesting methods, but this study increases the output electric power efficiency by analyzing a finite element method for the structure of the piezoelectric energy harvester. We manufactured two cantilever types as follows: the L-60 and L-33 bimorph piezoelectric energy harvesters. Their resulting energy harvesters were able to obtain high voltage values as follows: 27.4 mV and 40.6 mV. Moreover, these results have a similar band of resonance frequency it comparison to the simulation. Consequently, this study was confirmed with validity. The output electric powers of the L-60 and L-33 types have 3.1 mW/s and 5.8 mW/s with 47 Hz and 148 Hz of resonance frequency and then, the load resistivities were $100k\Omega$ and $10k\Omega$, respectively.
Kim, Hyo-Jin;Park, Ji-Young;Jin, Kyu-Nam;Noh, Myung-Hyun
Land and Housing Review
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v.7
no.4
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pp.307-314
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2016
Energy harvesting technique is to utilize energy that is always present but wasted. In this study, we have developed the energy harvester of the hybrid method utilizing both vibration and pressure of the vehicle traveling a road or parking lot. In the previous study, we have developed a prototype energy harvester, improved hybrid energy harvester, and developed a final product that offers improved performance in the hybrid module. The results were published in the previous paper. In this study, we installed the finally developed hybrid module in the actual parking lot. And we measured the power generation performance due to pressure and vibration, and the running speed of the vehicle when the vehicle is traveling. And we compared the results with those obtained in laboratory conditions. In a previous study performed in laboratory conditions the maximum power of the energy block was 1.066W when one single time of vibration, and 1.830W when succession with 5 times. On the other hand, in this study, we obtained the average power output of 0.310W when the vehicle is running at an average 5 km/h, 0.670W when at an average 10 km/h, and 1.250W when at an average 20 km/h, and 2.160W when at an average 5 km/h. That is, the higher the running speed of the vehicle has increased power generation performance. However, when compared to laboratory conditions, the power generation performance of the energy block in driving speed by 20km/h was lower than those in laboratory conditions. In addition, when compared to one time of vibration of laboratory conditions, power generation performance was higher when the running speed 20km/h or more and when five consecutive times in laboratory conditions, it was higher when the running speed 30km/h or more. It could be caused by a difference of load conditions between the laboratory and the actual vehicle. Thus, applying the energy block on the road would be more effective than that on the parking lot.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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