EnTON - Schaltungen für einen optimierten Energietransfer in Energy Harvesting Anwendungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Yiannos Manoli
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 461644009

Energy Harvesting ermöglicht die Umwandlung von Umgebungsenergie in elektrische Energie für den Betrieb von Geräten, die üblicherweise über Batterien oder Kabel versorgt werden. Im Hinblick auf Anwendungen wie Industrie 4.0 oder das Internet der Dinge werden zahlreiche Sensoren an dezentralen Stellen für solche Zwecke wie die Zustandsüberwachung benötigt. Die Versorgung dieser Geräte über Kabel oder Batterien ist sowohl wartungs- als auch kostenintensiv, weshalb Energy Harvesting eine Schlüsseltechnologie für solche Anwendungen darstellt.Motiviert von einem mathematisch nachgewiesenen Wirkungsgrad von 100% ist das Ziel dieses Forschungsprojekts, erstmals eine vollintegrierte Umsetzung der Energy-Harvesting Methode Constant Load Emulation zu evaluieren. Dabei wird Wert daraufgelegt, dass der angepasste Lastwiderstand eine Funktion sowohl der Eingangs- als auch der Ausgangsspannung sein muss. Allein in zwei Fällen kann diese Tatsache durchaus vernachlässigt werden: dem Auf-Abwärtswandler im Discontinuous Conduction Mode sowie dem Aufwärtswandler im Boundary Mode. Für eine allgemeine Anwendbarkeit muss sie jedoch zur Erzielung des maximalen Wirkungsgrads berücksichtigt werden.Zur Erreichung des Ziels werden jene innovativen Techniken für den Schaltungsentwurf erforscht und evaluiert, welche die Leistungsaufnahme sowohl des Maximum-Power-Point-Tracking (MPPT) als auch des Schaltwandlers gegenüber dem Stand der Technik wesentlich reduzieren. Für die beiden MPPT-Verfahren Arithmetic Load Matching und Hill Climbing werden Berechnungsmethoden unter Verwendung von analogen Schaltungen mit extrem niedriger Leistung verfolgt, die auf der Spannungs-Strom-Kennlinie eines MOS-Transistors basieren. Diese analogen Ultra-Low-Power Berechnungsmethoden ermöglichen eine von der Eingangs- und Ausgangsspannung abhängige Regelung des Tastverhältnisses, welche für das Konzept Arithmetic Load Matching erforderlich ist. Für das MPPT-Verfahren Hill Climbing wird eine analoge Berechnungsschaltung mit extrem geringer Eigenleistungsaufnahme zur Bestimmung der umgewandelten Energien erarbeitet. Darüber hinaus werden innovative Schaltungstechniken erforscht, die sowohl die Schaltverzögerung als auch die Leistungsaufnahme des Nullstromdetektors und damit des gesamten Schaltwandlers reduzieren. Die Implementierung von kompakten und effizienten Energy-Harvesting-Systemen unter Verwendung von marktüblichen Induktivitäten von einigen hundert Mikro-Henry wird somit möglich.Die Effizienz eines jeden Ansatzes und des Gesamtsystems wird nicht nur theoretisch evaluiert, sondern auch mittels einer anwendungsspezifischen CMOS integrierten Schaltung implementiert und verifiziert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen