I nd o ne s ia n J o urna l o f   E lect rica l En g ineering   a nd   Co m pu t er   Science   Vo l.   24 ,   No .   3 Dec em b er   2 0 2 1 ,   p p .   13 79 ~ 1 3 9 1   I SS N:  2 5 0 2 - 4 7 5 2 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijeecs.v 24 .i 3 . pp 13 79 - 1 3 9 1          1379       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij ee cs.ia esco r e. co m   multi - inpu en e rg y  harv esting  sy stem wi th  in depe ndent  energy  harv esting  block a nd po w er  ma na g ement bloc k       E un   J eo ng   Yun 1 ,   H y eo n J o o ng   K im 2 ,   Cho ng   G un   Yu 3   1 In stit u te G M Tea m ,   M S   De v e l o p m e n t,   S il ico n   W o rk s   Co .   LT D,  S e o u l,   Re p u b li c   o Ko re a   2 ,3 De p a rtme n o El e c tro n ics   En g i n e e rin g ,   In c h e o n   Na ti o n a U n iv e r sity ,   I n c h e o n ,   Re p u b l ic o K o re a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u l   21 2 0 2 1   R ev is ed   Sep   24 2 0 2 1   Acc ep ted   Oct   6 2 0 2 1       I n   t h e   c o n v e n t i o n a l   a p p r o a c h   w i d e l y   u s e d   f o r   m u l t i - i n p u t   e n e r g y   h a r v e s t i n g   ( M I E H ) ,   e n e r g y   h a r v e s t i n g ,   e n e r g y   c o m b i n i n g ,   a n d   p o w e r   c o n v e r s i o n   a r e   p e r f o r m e d   i n t e g r a l l y   i n   a n   i n d u c t o r   s h a r i n g   b l o c k   t h r o u g h   t i m e   m u l t i p l e x i n g   o p e r a t i o n s ,   w h i c h   i n o t   s u i t a b l e   f o r   h o t - p l u g g a b l e   s y s t e m s .   I n   th e   M I E s y s t e m   p r o p o s e d   i n   t h i s   p a p e r ,   a n   e n e r g y   h a r v e s t i n g   b l o c k   ( E H B )   a n d   a   p o w e m a n a g e m e n t   b l o c k   ( P M B )   a r e   i n d e p e n d e n t   o f   e a c h   o t h e r   t o   i n c r e a s e   t h e   m o d u l a r i t y   o f   t h e   s y s t e m .   T h e r e f o r e ,   t h e   E H B   c a n   b e   o p t i m i z e d   t o   e x t r a c t   m a x i m u m   p o w e r   fr o m   e n e r g y   so u r c e s ,   a n d   t h e   P M B   c a n   b e   f o c u s e d   o n   c o m b i n i n g   i n p u t   e n e r g i e s   a n d   c o n v e r t i n g   p o w e r   e f f e c t i v e l y .   T h i s   p a p e r   m a i n l y   f o c u s e s   o n   t h e   d e s i g n   a n d   i m p l e m e n t a t i o n   o f   t h e   E H B .   F o r   l i g h t ,   v i b r a t i o n ,   a n d   t h e r m a l   e n e r g y ,   t h e   m e a s u r e d   p e a k   p o w e r   e f f i c i e n c i e s   o f   t h e   E H B   i m p l e m e n t e d   u s i n g   a   0 . 3 5   μ m   C M O S   p r o c e s s   a re   9 5 . 2 % ,   9 2 . 5 % ,   a n d   9 5 . 5 % ,   r e s p e c t i v e l y .   T o   c o n f i r m   t h e   f u n c t i o n a l i t y   a n d   e f fe c t i v e n e s s   o f   t h e   p r o p o s e d   M I E s y s t e m ,   a   P M B   c o m p o s e d   o f   s i m p l e   c h a r g e   p u m p   c i r c u i t s   a n d   a   p o w e r   m a n a g e m e n t   u n i t   h a s   a l s o   b e e n   i m p le m e n t e d   a n d   v e r i f i e d   w i t h   t h e   d e s i g n e d   E H B .   K ey w o r d s :   E n er g y   h ar v esti n g   Ma x im u m   p o wer   p o i n t tr ac k in g     Ph o to v o ltaic  en er g y   Piezo elec tr ic  en er g y   T h er m o elec tr ic  e n er g y   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   C h o n g   Gu n   Yu   Dep ar t m en t o f   E lectr o n ics E n g in ee r in g   I n ch eo n   Natio n al  Un iv e r s ity   1 1 9   Aca d e m y - r o ,   Yeo n s u - g u ,   I n ch eo n ,   R ep u b lic  o f   Ko r ea   E m ail: c h o n g @ in u . ac . k r       1.   I NT RO D UCT I O N     R ec en tly ,   h ar v esti n g   am b ien en er g y   to   p o wer   s m all - s ized   elec tr o n ic   d ev ices  h a s   attr ac ted   co n s id er ab le  r esear ch   in ter est .   T o   ac h iev s elf - p o wer in g   with o u b atter ies  an d   n ea r - p e r m an en o p e r atio n ,   en er g y   h ar v esti n g   is   alr ea d y   ess en tial  f o r   th d ev elo p m en t   o f   lo w - p o wer   an d   s m all - s ized   s en s in g   s y s tem s   s u ch   as  wir eles s   s en s o r   n o d es  [ 1 ] - [ 6 ]   an d   wea r ab le/im p l an tab le  d ev ices   [7 ] - [ 9 ] .   Sev er al  en v ir o n m e n tal  en er g y   s o u r ce s   s u ch   as  l ig h t,   v ib r atio n ,   th er m al,   a n d   r a d i o   f r eq u en cy   ( RF )   en er g y   ar e   u tili ze d   f o r   e n er g y   h ar v esti n g .   T h ese  en er g ies  ar ty p ically   co n v er te d   in to   elec tr ical  en er g y   u s in g   e n er g y   t r an s d u ce r s   s u ch   as  p h o to v o ltaic  ( PV)   ce lls ,   p iezo elec tr ic  ( PE)   tr an s d u ce r s ,   th er m o elec tr ic  ( T E )   g en er at o r s ,   an d   r ec tify in g   an ten n as.  Ho wev er ,   t h p o we r   o b tain ab le  f r o m   s in g le  en e r g y   s o u r ce   is   lim ited   to   f ew  m icr o watts  o r   less   f o r   m an y   ap p licatio n s   [ 7 ] .   Sin ce   en er g y   tr an s d u ce r s   u s ed   i n   s m all  elec tr o n ic   s y s tem s   ar lim ited   in   s ize,   th e   en er g y   h ar v ested   is   f u r th er   lim ited .   Als o ,   th en e r g y   s o u r ce s   ca n   b u n s tab le.   T h u s ,   s in g le - in p u t   en er g y   h ar v esti n g   ( SIE H)   s y s tem s   h a v lim ited   a p p licatio n   a r ea s   b ec au s th ey   ca n   o n ly   o p er ate   i n   lim ited   o p er atin g   m o d es  s u ch   as  b u r s m o d o r   ac tiv e/sl ee p   m o d e   [ 1 0 ] ,   [ 1 1 ] .   I n   th is   m o d o f   o p er atio n ,   th s y s tem   ac tiv ate s   wh en   th er is   en o u g h   en e r g y   a n d   g o es  in to   s leep   m o d wh e n   th er is   in s u f f icien e n er g y   av ailab le.   T h er ef o r e,   h ar v esti n g   e n er g y   f r o m   m u ltip le  av ailab le  s o u r ce s   is   d esira b le  to   in cr ea s t h o v er all   s y s tem   r eliab ilit y   an d   is   cu r r en tly   c o n s id er ed   p r o m is in g   way   to   i m p r o v e   en e r g y   h ar v esti n g   ca p ab ilit ies   [ 1 2 ] - [ 2 9 ] .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l.  24 ,   No .   3 Dec em b er   2 0 2 1 13 79   -   1 3 9 1   1380   Mu lti - in p u en er g y   h ar v esti n g   ( MI E H)   ca n   b class if ied   in t o   h o m o g en e o u s   MI E ( HO - MI E H)   an d   h eter o g en e o u s   MI E ( HE - MI E H)   d ep en d in g   o n   th t y p o f   en er g y   s o u r ce s   u s ed .   HO - MI E u tili ze s   m u ltip le  en er g y   s o u r ce s   o f   t h s am ty p s u ch   as  PV  ce lls   ( PVC s )   [ 1 2 ] ,   [ 1 3 ] ,   PE  tr a n s d u ce r s   ( PZT s )   [ 1 4 ] - [ 1 6 ] ,   an d   T E   g en er ato r s   ( T E Gs)  [ 1 7 ] ,   [ 2 4 ] .   Ob v io u s ly ,   HO - MI E is   m o r ad v an tag e o u s   f o r   in c r ea s in g   th o v er a ll  in p u t   p o wer   th an   SIE H.   HO - MI E is   also   u s ef u f o r   im p r o v i n g   th d y n am ic  r an g o f   an   en er g y   h ar v esti n g   s y s tem .   Fo r   ex am p le,   m u ltip le  d if f er e n tly   s ized   PZT s   ca n   b e   u s ed   t o   u tili ze   b r o ad b an d   v ib r atio n   [ 1 5 ]   o r   v ar io u s   ty p es  o f   h u m a n   m o v e m en [ 1 6 ] .   H o wev er ,   th HO - MI E s y s tem   m ay   n o b s u itab le  f o r   m ain tain in g   s y s tem   o p er atio n   b ec au s am b ien e n er g y   s o u r ce s   ar o f ten   ir r eg u lar   o r   in ter m itten d e p en d i n g   o n   en v ir o n m en tal  co n d itio n s .   Fo r   ex am p le,   o u td o o r   lig h en er g y   ca n   b u s ed   o n ly   in   t h d a y tim e.   T h u s ,   h a r v e s tin g   en er g y   f r o m   v ar io u s   ty p es o f   en er g y   s o u r ce s ,   as in   HE - MI E H,   is   m o r ap p r o p r iate  f o r   im p r o v in g   th s y s tem   s u s tain ab ilit y ,   in   s u ch   way   th at  t h s y s tem   d o es  n o r ely   s o lely   o n   en er g y   s o u r ce s   o f   th s am ty p e.   As  an   ex am p le,   HE - MI E is   th b est  ap p r o ac h   f o r   wea r ab le  elec tr o n ics  ap p licatio n s   [ 7 ] - [ 9 ] ,   wh er e n er g y   ca n   b h ar v ested   f r o m   m u lti - ty p s o u r ce s   s u ch   as b o d y   h ea t a n d   m o v em en ts ,   am b ien t lig h t,  an d   R F e n er g y   f r o m   h an d - h eld   d e v ices.   A   t y p i c al   b l o c k   d i a g r a m   o f   S I E H   s y s t e m s   is   s h o w n   i n   F i g u r 1 .   T h e   f i r s t   p a r t   o f   t h e   s y s te m ,   t h e   e n e r g y   h a r v e s t e r ,   c o n s i s ts   o f   a   t r a n s d u c e r   t h a t   c o n v e r t s   c e r t a i n   t y p es   o f   a m b i e n t   e n e r g y   i n t o   e l e ctr i c a l   e n e r g y   a n d   a n   i n t e r f a c e   ci r c u i t   t h a t   p e r f o r m s   c e r t a i n   o p e r a ti o n s ,   s u c h   a s   m a x i m u m   p o w e r   p o i n t   t r a c k i n g   ( MP P T ) ,   t o   e x t r a c t   t h m a x i m u m   a v a i l a b l e   p o w e r   f r o m   t h e   e n e r g y   s o u r c e .   T h p o we r   m a n a g e m e n t   u n it   ( PM U ) ,   t h e   s e c o n d   p a r t   o f   t h s y s te m ,   c o n d i t i o n s   t h e   p o w e r   f l o w   f r o m   t h e   e n e r g y   h a r v e s t e r   t o   t h e   o u t p u t   l o a d .   I t   u s u a l l y   c o n s i s t s   o f   D C - DC   c o n v e r t e r s   a n d   as s o c ia t e d   c i r c u i t r y   t o   c h a r g e   a n   e n e r g y   s to r a g e   d e v i c e   ( E S D )   ( e . g . ,   a   s u p e r - c a p a c i t o r   o r   r e c h a r g e a b l e   b a t t e r y )   o r   t o   p o w e r   t h e   o u t p u t   l o a d .   T o   i m p r o v e   t h e   s y s te m   e f f i c i e n c y ,   t h P M U   a n d   i n t e r f ac c i r c u i t r y   s h o u l d   p e r f o r m   t h e i r   g i v e n   r o l e s   w it h   v e r y   l o w   p o w e r   c o n s u m p t i o n .   I n   MI E s y s tem s ,   th er is   an o th er   s p ec if ic  is s u e,   wh ich   is   en er g y   co m b in in g .   C o m b in in g   en er g y   f r o m   m u ltip le  s o u r ce s   s h o u ld   b e   p er f o r m ed   s im u ltan eo u s ly   an d   ef f icien tly   to   m i n im ize  en er g y   lo s s es  w h en   m er g in g   th en er g ies  o f   in d i v id u al   h ar v ester s .   MI E s y s tem s   ca n   b class if ied   in to   two   ty p es   ac co r d in g   to   th o r d er   o f   en e r g y   c o m b in in g   an d   p o wer   co n v er s io n   as sh o w n   in   Fig u r 2 .           Fig u r 1 .   B lo ck   d iag r am   o f   t y p ical  SIE s y s tem         ( a)     ( b )     Fig u r 2 .   E n er g y   co m b in in g   m eth o d   in   MI E s y s tem :   ( a)   b asic m eth o d   an d   ( b )   m o r e   ef f i cien t m eth o d       s t r a i g h t f o r w a r d   m e t h o d   [ 1 8 ]   f o r   e n e r g y   c o m b i n i n g   i n   a   M I E H   s y s t e m   i s   t o   m e r g e   t h e   e n e r g y   o u t p u t   f r o m   e a c h   S I E H   s y s t e m   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   2 ( a ) ,   w h e r e   p o w e r   c o n v e r s i o n   f o r   e a c h   e n e r g y   s o u r c e   i s   p e r f o r m e d   f i r s t ,   f o l l o w e d   b y   e n e r g y   c o m b i n i n g .   T h e   a d v a n t a g e   o f   t h i s   a p p r o a c h   i s   t h a t   t h e   P M U   c a n   b e   o p t i m i z e d   i n d e p e n d e n t l y   f o r   e a c h   e n e r g y   s o u r c e .   H o w e v e r ,   w h e n   m o r e   e n e r g y   s o u r c e s   a r e   c o m b i n e d ,   t h e   n u m b e r   o f   P M Us   i n c r e a s e s ,   r e q u i r i n g   m o r e   c o m p o n e n t s ,   r e s u l t i n g   i n   l a r g e r   v o l u m e   s i z e s ,   h i g h e r   p o w e r   l o s s e s ,   a n d   h i g h e r   c o s t s .   A   m o r e   e f f i c i e n t   m e t h o d   [ 1 9 ] - [ 2 6 ]   f o r   e n e r g y   c o m b i n i n g   i s   t o   m e r g e   t h e   e n e r g y   f r o m   e a c h   e n e r g y   h a r v e s t e r   f i r s t   a n d   t h e n   p e r f o r m   p o w e r   c o n v e r s i o n   o n   t h e   m e r g e d   e n e r g y   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   2 ( b ) .   T h i s   a p p r o a c h   u s e s   o n l y   o n e   P M U ,   t h e r e b y   r e d u c i n g   s y s t e m   f o r m   f a c t o r ,   p o w e r   l o s s ,   a n d   c o s t .   T h e r e f o r e ,   m o s t   m i c r o   e n e r g y   h a r v e s t i n g   s y s t e m s   a d o p t   t h i s   a p p r o a c h .   T a b l e   1   s u m m a r i z e s   t h e   p r o p e r t i e s   o f   r e c e n t   M I E H   s y s t e m s   u s i n g   t h i s   a p p r o a c h .     R ec en tly ,   v ar iety   o f   en er g y   co m b in in g   tech n iq u es  h av b e en   r ep o r ted   s u ch   as  p o we r   OR in g   u s in g   d io d es  [ 2 0 ] ,   [ 2 1 ] ,   s elec tin g   h ar v ester   g en e r atin g   m a x im u m   in s tan tan eo u s   p o wer   [ 3 0 ] ,   s u m m in g   th o u tp u t   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:  2502 - 4 7 5 2       A   mu lti - in p u t e n erg h a r ve s tin g   s ystem  w ith   in d ep en d en t e n e r g h a r ve s tin g   b lo ck     ( E u n   J eo n g   Yu n )   1381   v o ltag es  f r o m   in d iv id u al  h ar v ester s   b y   s tack in g   ea ch   s to r ag ca p ac ito r   [ 3 1 ] ,   an d   s h ar i n g   a   s in g le  in d u cto r   f o r   p o wer   co n v er s io n   [ 2 2 ] - [ 2 6 ] .   T h last   o f   th ese  m eth o d s   h as  b ee n   th p r ef er r e d   an d   wid ely   u s ed   ap p r o ac h   b ec au s it  ca n   h ar v est  en er g y   f r o m   all  e n er g y   s o u r ce s   wit h o u lar g en e r g y   l o s s   an d   h as  r elativ ely   h ig h   s y s tem   ef f icien cy .   I n   th is   ap p r o ac h ,   in ter f ac e   ( MPPT) ,   en er g y   co m b in i n g ,   an d   p o wer   co n v er s io n   ar g e n e r a l l y   p e r f o r m e d   i n t e g r a l l y   i n   t h e   i n d u c t o r   s h a r i n g   b l o c k ,   s wi t c h ed - i n d u c t o r   c i r c u i t r y ,   a s   s h o w n   i n   F i g u r e   3 .   I n   th e   in d u cto r   s h ar i n g   b lo c k ,   tim e - m u ltip lex ed   o p er atio n   is   u s u a lly   u s ed   f o r   en e r g y   c o m b in in g   an d   f o r   s h a r in g   o f   th p o wer   s tag b etwe en   d if f er en in p u s o u r ce s ,   r esu ltin g   in   r ed u ce d   n u m b er   o f   co m p o n en ts .   Ho we v er ,   co m p lex   tim in g   co n tr o is   r eq u ir ed   to   d r iv s witch es  r eq u ir ed   f o r   tim e - m u ltip lex ed   o p er a tio n ,   an d   c o n tr o ller   m o d if icatio n   is   in ev itab le   to   c h an g e   th n u m b er   o f   en er g y   s o u r ce s .   T h is   is   b ec au s e,   wh en   an   en e r g y   s o u r ce   is   ad d ed ,   n ew  tim in ter v al  m u s b allo ca ted   f o r   en e r g y   h a r v esti n g   f r o m   t h ad d e d   en er g y   s o u r ce ,   an d   if   th en er g y   s o u r ce   is   r em o v ed ,   en er g y   is   n o h ar v ested   d u r in g   t h tim p er i o d   allo ca ted   to   th r em o v e d   en e r g y   s o u r ce .   T h er ef o r e,   th is   a p p r o a ch   is   n o t   s u itab le  f o r   a   h o t - p lu g g ab le  s y s tem   in   wh ich   ad d iti o n   o r   r e m o v al   o f   an   en er g y   s o u r ce   ca n   b p e r f o r m ed   in d ep e n d en tly .       T ab le  1 .   Per f o r m an ce   co m p a r is o n   o f   r ec e n t m u lti - in p u t e n er g y   h ar v esti n g   s y s tem     [ 1 9 ]   [ 2 4 ]   [ 2 5 ]   [ 2 6 ]   Th i s   w o r k   N o .   o f   i n p u t s   3   9   3   2   3   Ty p e   o f   s o u r c e s   Li g h t ,   V i b r a t i o n   RF   Li g h t ,   V i b r a t i o n   Th e r m a l   Li g h t ,   T h e r mal   B i o f u e l   V i b r a t i o n ,   T h e r m a l   Li g h t ,   V i b r a t i o n   Th e r m a l   En e r g y   c o m b i n e   t e c h n i q u e   P a r a l l e l - c o n n e c t e d   LD O s   I n d u c t o r   sh a r i n g   ( P B Q )   I n d u c t o r   sh a r i n g   ( t i me - m x )   I n d u c t o r   sh a r i n g   ( t i me - m x )   C h a r g e   p u m p   P o w e r   c o n v e r si o n   B a n d - b a n d   c o n t r o l   B u c k - b o o s t   B u c k - b o o s t   B o o st   B a n d - b a n d   c o n t r o l   M P P T   N o n e   D C :   F O C V   P E:   S E C E   I M   ( a d a p t i v e   f r e q . / d u t y )   I M   ( P F M ,   P W M )   F O C V   En e r g y   st o r a g e   C a p a c i t o r   C a p a c i t o r   B a t t e r y   C a p a c i t o r ,   B a t t e r y   C a p a c i t o r   P eak   Ef f i c i e n c y   ( %)   N . A .   8 9 . 6   ( P E) ,   8 1 . 0   ( H V )   6 3 . 8   ( LV )   89   82   9 5 . 2   ( P V EI )   9 2 . 5   ( P EEI )   9 5 . 5   ( TEEI )   Te c h n o l o g y   0 . 1 3   m   C M O S   0 . 3 2   m   B C D   28   n m   F D S O I   0 . 1 8   m   C M O S   0 . 3 5   m   C M O S   I n p u t   v o l t a g e   ( V )   P V : 1 . 0 ~ 2 . 5   P E: 1 . 3 ~ 2 . 5   TE: 1 . 3 ~ 2 . 5   P E:   0 . 7 ~ 5 . 0   H V :   1 . 0 ~ 5 . 0   LV :   0 . 1 ~ 1 . 0   P V :   0 . 2 ~ 1 . 0   TE:   0 . 1 ~ 0 . 4   B F :   0 . 2 ~ 0 . 5   P E:   0 . 5 ~ 1 . 0   TE:   0 . 0 2 5 ~ 0 . 1   P V :   1 . 4 ~ 5 . 0   P E:   2 . 0 ~ 5 . 0   TE:   2 . 0 ~ 5 . 0   O u t p u t   v o l t a g e   ( V )   1 ~ 1 . 2   <   5 V   0 . 4 ~ 1 . 4   1 . 2 ~ 1 . 8   1 . 8 ~ 2 . 0   P o w e r   / c u r r e n t   2 2 0 W   4 3 1 n A   2 6 2 n A   5 8 2 n W   19 W   I M :   i m p e d a n c e   ma t c h i n g ,   mx :   m u l t i p l e x i n g ,   P B Q :   p r i o r i t y - b a se d   q u e u e ,   H V :   h i g h - v o l t a g e   D C ,   LV :   l o w - v o l t a g e   D C ,   B F :   b i o f u e l ,   N . A . :   n o t   a v a i l a b l e .           Fig u r 3 .   B lo ck   d iag r am   o f   MI E s y s tem   u s in g   an   in d u ct o r   s h ar in g   b lo ck       Fo r   p o wer   co n v er s io n   i n   th e   in d u cto r   s h ar in g   ap p r o ac h ,   m ain ly   b o o s [ 2 2 ] ,   [ 2 3 ] ,   [ 2 6 ]   o r   b u ck -   b o o s [ 2 4 ] ,   [ 2 5 ]   ty p e   DC - DC   co n v er ter s   ar e   u s ed .   So m etim es,  two   ty p es  o f   co n v er ter s   ( e. g . ,   b o o s a n d   b u c k - b o o s [ 2 2 ] ,   b o o s an d   b u ck   [ 2 3 ] )   m ay   b u s ed   to g eth er   to   p r o v id r e g u lated   v o ltag to   th lo ad .   Fo r   t h e   in ter f ac to   ac h iev e   m ax im u m   p o wer   ex t r ac tio n   in   s u c h   s in g le - i n d u cto r   ar c h itectu r e,   a n   im p e d an ce   m atch in g   tech n iq u is   u s u ally   u tili ze d   as  s im p le  an d   lo w - p o wer   MPPT  m eth o d .   I n   th is   s ch em e,   th in p u t   im p ed an ce   o f   th e   p o wer   co n v er ter   is   ad ju s ted   to   m atch   th e   in ter n al  im p ed a n ce   o f   th e   en e r g y   tr a n s d u ce r s   b y   co n tr o llin g   th ef f ec tiv e   s witch in g   f r eq u e n cy   [ 2 2 ] ,   [ 2 5 ] ,   [ 2 6 ]   o r   d u ty   cy cle  [ 2 3 ] ,   [ 2 5 ] ,   [ 2 6 ]   o f   t h p o we r   co n v er ter .   Fo r   a   s im p le  MPPT  im p lem en tatio n ,   o n e - tim e   s ettin g   d u r i n g   in s tallatio n   is   p er f o r m ed   to   s et  th e   s witch in g   f r eq u en cy   o r   d u t y   c y cl e,   ass u m in g   th at  th e   tr an s d u ce r s   in ter n al  im p e d an ce   is   k n o wn   in   a d v an ce .   Ho wev er ,   th in ter n al  im p ed a n ce   o f   tr an s d u ce r   ca n   ch a n g with   en v ir o n m e n tal  co n d itio n s .   Fo r   ex am p le,   th e   T E G' s   in ter n al  im p ed an ce   v a r ies  with   tem p er at u r d if f er e n ce s   an d   ca n   d ev iat e   b y   1 2 f r o m   its   n o m in al     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l.  24 ,   No .   3 Dec em b er   2 0 2 1 13 79   -   1 3 9 1   1382   v alu [ 3 2 ] .   Als o ,   ty p ical  in d u cto r   h as  an   in d u ctan ce   to ler a n ce   o f   at  least  ± 2 0 %.  I n   ad d i tio n ,   th f r eq u en cy   g en er ated   b y   o n - ch ip   cl o ck   o s cillato r s   is   h ig h ly   d ep en d en o n   p r o ce s s ,   v o ltag e ,   tem p e r atu r ( PVT )   c h an g es .   T h er ef o r e,   th i s   o n e - tim s ettin g   m eth o d   is   d if f icu lt to   e f f ec ti v ely   tr ac k   th e   m ax im u m   p o wer   p o in ( MPP) .     I n   t h i s   p a p e r ,   w e   p r o p o s e   a   MI E H   s y s t e m   i n   w h i c h   t h e   e n e r g y   h a r v e s t e r   b l o c k   ( E H B )   a n d   t h e   P MU   b l o c k   ( P M B )   a r e   i n d e p e n d e n t   o f   e a c h   o t h e r   t o   i n c r e a s e   t h e   m o d u l a r i t y   o f   t h e   s y s t e m .   I n   t h e   p r o p o s e d   s y s t e m ,   as   s h o w n   i n   F i g u r e   4 ,   t h E HB   an d   P M B   s h a r t h e   r e q u i r e d   w o r k   f o r   t h e   e n t i r e   s y s t e m   a n d   i n d e p e n d e n t l y   p e r f o r m   t h e   w o r k   g i v e n   t o   e a c h .   T h u s ,   t h e   E H B   c a n   b e   o p t i m i z e d   to   e x t r a c t   m a x i m u m   a v a i l a b le   p o w e r   f r o m   e n e r g y   s o u r c e s ,   a n d   t h P MB   c a n   b f o c u s e d   o n   t h e   f u n c t i o n   o f   ef f i c i e n t l y   m e r g i n g   i n p u t   e n e r g i e s   a n d   c o n v e r t i n g   p o w e r   r e g a r d l e s s   o f   t h e   n u m b er   o f   a c t i v e   e n e r g y   s o u r c e s .   I n   a d d i t i o n ,   s i n c e   t h e   tw o   b l o c k s   ar e   i n d e p e n d e n t ,   i t   i s   p o s s i b le   t o   a d d   o r   r e m o v e   e n e r g y   s o u r c e s   w i t h o u t   m o d i f y i n g   th e   P MB .   T h i s   p a p e r   m ai n l y   f o c u s e s   o n   t h d e s i g n   a n d   v e r i f i c a t i o n   o f   t h e   E HB   u s in g   l i g h t ,   v i b r a t i o n ,   a n d   t h e r m a l e n e r g y .     M P P T ,   t h e   m a i n   f u n c t i o n   o f   t h e   E HB ,   is   i m p l e m e n t e d   u s i n g   t h e   f r a c ti o n a l   o p e n - c i r c u i t   v o l ta g e   ( FO C V )   m e t h o d   [ 3 3 ] ,   w h i c h   is   s i m p l e   b u t   c a n   a c h i e v r e l a t i v el y   h i g h   a c c u r a c y .   T h e   F OC V   m e t h o d   i s   b a s e d   o n   t h e   o b s e r v a t i o n   t h a t   t h e   M P P   v o l t a g e   o f   a n   e n e r g y   t r a n s d u c e r   i s   li n e a r l y   p r o p o r t i o n a l   t o   i t s   o p e n - c i r c u i t   v o l t a g e .   T o   c o n f i r m   t h e   f u n c t i o n a l i ty   o f   t h e   p r o p o s e d   M I E H   s y s t e m ,   a   PM B   c o m p o s e d   o f   s i m p l e   c h a r g e   p u m p   ( C P )   c i r c u i ts   a n d   P MU   wi t h   a   b a n d - b a n d   c o n t r o l   ( B B C )   f u n c ti o n   h a s   b e e n   i m p le m e n t e d   a n d   v e r i f i e d   wi t h   t h E H B .   A s   a   m o r e   e f f i ci e n t   PM B ,   t h b u c k - b o o s c o n v e r t e r   u s i n g   t h e   p r i o r i t y - b a s e d   q u e u i n g   t e c h n i q u e   p r o p o s e d   i n   [ 2 4 ]   is   o n e   o f   t h e   o p tim a l   c a n d i d a t es .   I n   s e c ti o n   2   c h a r a ct e r is t i cs   o f   t h e n e r g y   t r a n s d u c e r s   u s e d   i n   t h is   p a p e r   a r e   d es c r i b e d .   T h o v e r a l l   a r c h i t e c t u r o f   t h e   d e s i g n e d   s y s t e m   a n d   t h e   i m p l e m e n t a ti o n   o f   i ts   c o m p o n e n t   b l o c k s   a r e   d es c r i b e d   i n   s e c t i o n   3 .   S e c t i o n   4   p r e s e n t s   t h e   o b t a i n e d   e x p e r i m en t a l   r e s u lt s ,   a n d   s e c ti o n   5   c o n c lu d e s   t h e   p a p e r .           Fig u r 4 .   Pro p o s ed   MI E s y s t em   ar ch itectu r e       2.   CH ARAC T E R I ST I CS O F   E NE RG T RANSD UCE RS   2 . 1 .       P ho t o v o lt a ic  ce ll  ( P VC)   T h e   M P P   v o l t a g e   o f   a n   e n e r g y   t r a n s d u c e r   i s   a   f r a c t i o n   o f   i t s   o p e n - c i r c u i t   v o l t a g e   ( V OC ) ,   a n d   t h r e l a t i o n s h i p   c a n   b e   e x p r e s s e d   a s   V M P P   K M P P V OC .   T h e   K M P P   f o r   P V C s   u s u a l l y   r a n g e s   f r o m   0 . 6 5   t o   0 . 8 ,   w h i c h   d e p e n d s   o n   t h e   s p e c i f i c   P V   m o d u l e   b e i n g   u s e d   a n d   a l s o   d e p e n d s   o n   l i g h t   i n t e n s i t y   [ 3 3 ] - [ 3 5 ] .   T h e   P V C   u s e d   i n   t h i s   p a p e r   f o r   h a r v e s t i n g   l i g h t   e n e r g y   i s   a   S o l a r b o t i c s   s o l a r   c e l l   ( S C C 2 4 2 2 )   [ 3 6 ] .   F i g u r e   5 ( a )   i s   t h e   e q u i v a l e n t     c i r c u i t   [ 3 3 ]   o f   t h e   P V C   u s e d   i n   c i r c u i t   s i m u l a t i o n ,   a n d   F i g u r e   5 ( b )   i s   t h e   I - V   a n d   P - V   c h a r a c t e r i s t i c   g r a p h   o f   t h e   P V C .   M e a s u r e m e n t   r e s u l t s   s h o w   t h a t   t h e   P V C   e x h i b i t s   a n   o p e n - c i r c u i t   v o l t a g e   ( V P V C , O C )   o f   a b o u t   3 V ,   a   m a x i m u m   a v a i l a b l e   p o w e r   ( P P V C , M A X   P P V C , M P P   )   o f   4 . 5 m W ,   a n d   a   K M P P   o f   0 . 7   a t   a   l i g h t   i n t e n s i t y   o f   4 0 k l u x   [ 3 5 ] .         ( a )     ( b )     Fig u r 5 .   PVC :   ( a)   eq u i v alen cir cu it   an d   ( b )   I - an d   P - c h ar ac ter is tics       2 . 2 .       P iezo elec t ric  g ener a t o r   ( P E G )   Am o n g   t h v ar i o u s   m eth o d s   u s ed   to   co n v er t   v ib r atio n   en e r g y   in to   elec tr ical  en er g y ,   PZT s   u tili zin g   th p iezo elec tr ic   ef f ec t   ar e   m a in ly   u s ed   [ 1 0 ] .   PZT   ca n   b e   m o d eled   as  an   AC   cu r r en s o u r ce   I P   an d   a   p ar allel  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:  2502 - 4 7 5 2       A   mu lti - in p u t e n erg h a r ve s tin g   s ystem  w ith   in d ep en d en t e n e r g h a r ve s tin g   b lo ck     ( E u n   J eo n g   Yu n )   1383   in ter n al  ca p ac ito r   C P   as  s h o wn   in   Fig u r 6 ( a) .   T h am p litu d o f   th c u r r e n s o u r ce   ch a n g es  ac co r d in g   to   th e   f r eq u e n cy   an d   m ag n itu d o f   th v ib r atio n .   T h o u t p u o f   PZT   i s   k in d   o f   AC   s ig n al,   s o   an   AC - D C   co n v er ter   ( ADC)  is   n ee d ed   to   g en er ate  DC   s ig n al.   Fig u r e   6 ( b )   s h o ws  th I - an d   P - ch ar ac ter is ti cs  o f   p iezo elec tr ic  g en e r ato r   ( PEG) ,   PZT   co n n ec ted   to   a n   ADC.  T h K MPP   f o r   PEGs  is   0 . 5 .   T h PZT   u s ed   i n   th is   wo r k   is   th Qu ick   Pack   QP2 0 W   [ 3 7 ] .   T h C P   v alu is   2 0 0 n F.  T h o p en - cir cu it  v o ltag ( V PEG, OC )   is   ab o u 3   V ,   an d   th m ax i m u m   g e n er ated   p o wer   ( P PE G, MAX )   is   1 2 5   μ W   at  f r eq u e n cy   o f   8 0   Hz  a n d   v ib r atio n   am p litu d o f   7   m /s 2   [ 1 0 ] .         ( a )     ( b )     Fig u r 6 .   PEG :   ( a)   a r ch itectu r ( PZT   co n n ec ted   to   a n   ADC)   an d   ( b )   I - an d   P - ch ar ac ter is tics       2 . 3 .     T herm o elec t ric  g ener a t o ( T E G )   T E Gs  u tili ze   th Seeb ec k   e f f ec o f   g en er atin g   elec tr o m o t iv f o r ce   wh en   th er is   a   te m p er atu r d if f er en ce   b etwe en   th to p   a n d   b o tto m   o f   th th e r m o elec t r ic  d ev ice.   T E G   ca n   b m o d eled   as  a   v o ltag e   s o u r ce   V T   co n n ec ted   in   s er ies  with   an   in ter n al  r esis to r   R T   a s   s h o wn   in   Fig u r 7 ( a)   [ 2 2 ] .   Fig u r 7 ( b )   is   th I - an d   P - ch ar ac ter is tic  g r ap h   o f   th T E G.   T h K MPP   f o r   T E Gs  is   0 . 5 .   I n   th is   wo r k ,   3 - s o u r ce   with   1 5 - k   s er ies  r esis to r   is   u s ed   to   em u late  th T E d ev ice  p r esen te d   in   [ 3 8 ] .   I is   also   eq u iv ale n to   1 7   c o m m er cial  T h er m o   L i f T E Gs  ( T h er m o   L if e TM )   [ 3 9 ]   co n n ec ted   in   p ar allel  at  tem p er atu r d if f er e n ce   o f   3 .   T h o p en - cir cu it v o ltag ( V TEG, OC )   is   ab o u t 3   V,   an d   th m a x im u m   a v ai lab le  p o wer   ( P TEG , MAX )   is   1 5 0   μ W.         ( a )     ( b )     Fig u r 7 .   TEG :   ( a)   eq u iv alen cir cu it   an d   ( b )   I - an d   P - c h ar ac ter is tics       3.   DE S I G O F   T H E   P RO P O S E M I E H   SY ST E M   3 . 1 .       O v er a ll  circ uit  des cr iptio n   T h e   a r c h i t e ct u r e   o f   t h e   p r o p o s e d   H E - M I E H   s y s t e m   is   s h o w n   i n   Fi g u r e   8 .   T h r e e   t y p es   o f   e n e r g y   s o u r c e s   a r e   u s e d   i n   t h i s   d es i g n ,   b u t   a d d i t i o n a l   i n p u t s   c a n   b e   co n n e c t e d   i n   a   h o t - p l u g g a b l e   f o r m ,   a n d   t h e   n u m b e r   o f   i n p u t s   c a n   b e   e a s i l y   e x p a n d e d .   T h e   E H B   c o n s i s t s   o f   t h r e e   i n t e r f a c e s :   a   P V   e n e r g y   i n t e r f a c e   ( P V E I ) ,   a   P E   e n e r g y   i n t e r f a c e   ( P E E I ) ,   a n d   T E   e n e r g y   i n t e r f a c e   ( T E E I ) .   E a c h   i n t e r f a c e   c a n   b e   o p t i m ize d   i n d e p e n d e n t l y   o f   t h e   PM B   t o   e x t r a c m a x i m u m   p o w e r   f r o m   i ts   e n e r g y   s o u r c e .   I n   e a c h   i n te r f a c e   c h a n n e l ,   t h m a x i m u m   p o w e r   is   h a r v e s t e d   f r o m   t h e   e n e r g y   s o u r c e   b y   a n   M P P T   c o n t r o l l e r   a n d   d e l i v e r e d   t o   t h e   P M B .   As   m e n ti o n e d   i n   S e c t i o n   1 ,   i n   t h i s   p r o t o t y p e   d e s i g n ,   t h e   e n e r g y   h a r v e s t e d   f r o m   e a c h   c h a n n e l   i s   c o m b i n e d   i n t o   a   s t o r a g e   c a p a c i t o r   C STO   u s i n g   s i m p l C P   c i r c u i ts .   T h e n e r g y   s t o r e d   i n   C STO   is   t h e n   f e d   to   t h e   l o a d   t h r o u g h   t h e   P M U s   B B C .   T h e   p o w e r   h a r v e s t e d   f r o m   s m a l l - s i z e d   e n e r g y   t r a n s d u c e r s   i s   u s u a ll y   n o t   e n o u g h   t o   d r i v e   l o a d   a p p l i c a ti o n s .   T o   o v e r c o m e   t h i s   m is m a tc h   p r o b l e m ,   t h e   a c tiv e / s l ee p   t e c h n i q u e   is   i m p l e m e n t e d   u s i n g   a   s i m p l e   B B C   f u n c tio n   [ 3 5 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l.  24 ,   No .   3 Dec em b er   2 0 2 1 13 79   -   1 3 9 1   1384       Fig u r 8 .   Ar c h itectu r o f   th p r o p o s ed   m u lti - in p u t e n er g y   h a r v esti n g   s y s tem       3 . 2 .       AC - DC  co nv er t er   ( AD C)   T o   tr an s m it  th m a x im u m   p o wer   f r o m   th v i b r atio n   e n er g y   h ar v ester   to   th lo a d ,   th e   ADC  in   th e   PEE I   s h o u ld   b d esig n ed   with   h ig h   co n v er s io n   ef f icien c y .   I n   c o n v e n tio n al  p ass iv ADCs   u s in g   4   d io d e - c o n n e c t e d   M O SF E T s   [ 4 0 ]   o r   g a t e   c r o s s - c o u p l e d   A DC s   u s i n g   2   M O S F E T   s w i tc h e s   a n d   2   M O S F E T   d i o d e s   [ 1 0 ] ,   th av ailab le  o u tp u v o ltag i s   r ed u ce d   d u to   th d i o d v o ltag d r o p ,   r ed u cin g   o v er all   ef f icien cy .   I n   t h is   p ap er ,   t h ac tiv ADC  [ 4 1 ]   s h o wn   in   Fig u r 9   is   em p lo y e d   f o r   AC - DC   co n v er s io n   wit h o u d i o d v o ltag d r o p .   T h e   d esig n e d   ADC  c o n s is ts   o f   2   NM OS  s witch e s   an d   2   ac tiv e   d io d es,   an d   th ac tiv d io d e   is   im p lem en ted   as a   co m p ar ato r   an d   PMOS switch .           Fig u r 9 .   AC - DC   co n v er ter   f o r   PEE I       3 . 3 .       M P P T   co ntr o ller   T h e   M PP T   c o n t r o l le r   f o r   e a ch   i n t e r f a c e   c h a n n el   is   s h o w n   i n   F i g u r e   1 0 .   T h c o n t r o l l e r   h a s   b e en   p r o p o s e d   i n   o u r   p r e v i o u s   w o r k   [ 4 2 ] .   T h e   p u l s e   g e n e r at o r   g e n e r a t e s   a   p u ls e   s i g n a l   MC   f o r   p e r i o d i c a l l y   o p e n i n g   t h e   P M OS   s w it c h   ( S W 1 )   t o   s am p l e   t h e   o p e n - c i r c u i t   v o l t a g e   V OC   o f   t h e   e n e r g y   t r a n s d u c e r .   W h i l e   S W 1   is   c l o s e d ,   t h e   e n e r g y   h a r v e s t e d   f r o m   t h e   e n e r g y   t r a n s d u c e r   i s   s t o r e d   i n   C DD ,   a n d   t h e   v o l t a g e   V DD   e q u a l s   t h e   o u t p u t   v o l t a g e   o f   t h e   e n e r g y   t r a n s d u c e r .   F o r   M P P T   o p e r at i o n ,   l o a d   m a t c h in g   i s   p e r f o r m e d   b y   a d a p t i v e l y   c o n n e c t i n g   t h e   V DD   n o d e   t o   t h e   o u t p u t   n o d e   V CP   b y   t u r n i n g   t h e   P MO S   s wi t c h   ( SW 2 )   o n   o r   o f f .   T h e   e n a b l e   g e n e r a t o r   c o m p a r e s   V DD   w i t h   t h M PP   v o l ta g e s   g e n e r ate d   b y   t h e   s a m p l e r   t o   g e n e r at e   th e   E N   s i g n a l ,   w h i c h   i s   t h e   c o n t r o l   s i g n a l   o f   SW 2 .   I n   p r a c t i c e ,   a   r e f e r e n c e   v o l t a g e   t h a t   c o r r e s p o n d s   t o   V MPP / n   in s t e a d   o f   V MPP   i s   g e n e r a te d   f o r   p r o p e r   o p e r a t i o n   o f   i n t e r n a l   ci r c u i ts .   I n   t h i s   d e s i g n ,   t h e   v a r i a b le   n   is   s e t o   6   f o r   lig h t   e n e r g y   a n d   4   f o r   v i b r a t i o n   a n d   t h e r m a l   e n e r g y .   T h e   K MPP   i s   s e t   t o   0 . 7   f o r   li g h t   e n e r g y   a n d   0 . 5   f o r   v i b r a t i o n   a n d   t h e r m a l   e n e r g y .   D e t ai ls   o f   t h e   i m p l e m e n ta t i o n   o f   b u i l d i n g   b l o c k s   a n d   t h e   o p e r a t io n   c h a r a c t e r i s t i cs   o f   t h e   MP P T   c o n t r o l l e r   c a n   b e   f o u n d   i n   [ 4 2 ] .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:  2502 - 4 7 5 2       A   mu lti - in p u t e n erg h a r ve s tin g   s ystem  w ith   in d ep en d en t e n e r g h a r ve s tin g   b lo ck     ( E u n   J eo n g   Yu n )   1385       Fig u r 1 0 .   Pro p o s ed   MPPT  co n tr o ller       T h p u ls g en er ato r   c o n s is ts   o f   clo ck   g en er ato r   an d   7 - b it   co u n ter .   T h clo c k   g en er ato r   is   r in g - ty p o s cillato r   an d   g e n er ates  clo ck   s ig n al  C LK   w ith   f r eq u en cy   o f   ab o u 1 2 5 Hz.   As  s h o wn   in   Fig u r 1 1 ,   th MPPT  p u ls MC   is   g en er ated   o n ce   ev e r y   1 2 8   cy cl es  o f   C L K .   Fo r   lig h o r   th er m al  e n e r g y   h a r v esti n g ,   th e   p u ls wid th   o f   th MC   s ig n al  is   s et   to   1   cy cle  ( ab o u 8 m s )   o f   C L K .   Ho wev er ,   in   th ca s o f   v ib r atio n   en er g y   h ar v esti n g ,   it sh o u ld   b s et  to   lo n g er   tim e.   T o   m in im ize  th r ip p le  o f   th r ec tifie d   o u tp u t   wh en   SW 1   is   o p en ,   th PEG’ s   o u tp u ca p ac ito r   C PEG   is   s et  to   v alu g r ea ter   th a n   C PVC   o r   C TEG .   T h er ef o r e,   wh en   th MC   s ig n al  is   h ig h ,   th e   tim it  tak es  f o r   th o u tp u v o ltag o f   th e   PEG  to   s ettle  to   th o p en - cir cu it  v o ltag V PEG, OC   b ec o m es   lo n g er .   I n   th is   d esig n ,   th p u ls wid th   o f   th e   MC   s ig n al  f o r   t h PEG  is   s et  to   1 2   cy cles o f   C L K .           Fig u r 1 1 .   T im in g   d iag r am   o f   C L K   an d   MC       3 . 4 .       Cha r g pu m ( CP )   T o   co n f ir m   th e   ef f ec tiv en ess   o f   th e   p r o p o s ed   MI E s y s tem ,   th e   en er g y   h ar v ested   f r o m   ea ch   in ter f ac ch an n el  is   co m b in e d   u s in g   ca p ac ito r - ty p e   C as  s h o wn   in   Fig u r 1 2 .   T h C u s in g   d y n am ic   ch ar g tr a n s f er   s witch es  [ 4 3 ]   is   ad v an tag eo u s   in   ef f ec tiv el y   tu r n in g   o f f   th s witch es  wh ile  m in im izin g   th e   in f lu en ce   o n   th t h r esh o ld   v o l tag o f   th d io d e - co n n ec ted   MO SF E T s   d u r in g   ch ar g p u m p in g   o p er atio n .   T h d esig n ed   C P c o n s is ts   o f   5   s tag es,  an d   th s tag ca p ac itan ce   C CP   is   2 0 p F.           Fig u r 1 2 .   C h ar g p u m p   s ch e m atic       3 . 5 .     P o wer   ma na g e m ent   un it   ( P M U)   Fig u r 1 3   s h o ws  th b lo ck   d iag r am   o f   th PMU  d esig n ed   f o r   tr an s f er r in g   th en er g y   s to r ed   in   C ST O   to   th lo ad   th r o u g h   th B B C   co n tr o l.  T h d esig n ed   PMU  co n s is ts   o f   p o wer - o n   r eset  ( POR ) ,   r ef er en ce   g en er ato r   ( B GR ) ,   two   co m p ar ato r s ,   latch ,   an d   PMOS  s witch   ( SW 3 ) .   W h en   th v o ltag at  th s to r ag e   ca p ac ito r ,   V ST O ,   r ea ch es  p r e d eter m in ed   m a x im u m   lev el  V ST O, MAX ,   SW 3   is   tu r n ed   o n ,   an d   th en er g y   s to r ed   in   C ST O   is   s u p p lied   to   th lo ad .   No r m ally ,   th e   p o wer   r eq u ir e d   b y   th e   lo ad   is   g r ea te r   th an   t h h ar v ested   p o wer ,   s o   V ST O   d ec r ea s es.  W h en   V ST O   d ec r ea s es  to   p r ed eter m in ed   m in im u m   lev el   V ST O, MIN ,   SW 3   is   tu r n ed   o f f ,   a n d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l.  24 ,   No .   3 Dec em b er   2 0 2 1 13 79   -   1 3 9 1   1386   C ST O   s tar t s   r ec h ar g in g .   T h er ef o r e,   C ST O   is   r ep ea ted ly   ch ar g ed   an d   d is ch ar g e d ,   an d   V ST O   is   b an d - b an d   co n tr o lled   b etwe en   V ST O, MAX   a n d   V ST O, MIN .   T h is   s im p le  p o wer   m an ag em e n co n ce p h as  b e en   im p lem en ted   in   o u r   p r ev io u s   wo r k   [ 3 5 ] .           Fig u r 1 3 .   B lo ck   d iag r a m   o f   th PMU       4.   E XP E R I M E N T A L   RE SUL T S   T h p r o p o s ed   M I E s y s tem   h as  b ee n   d esig n e d   an d   f a b r ic ated   in   0 . 3 5 μ m   C MO p r o ce s s   an d   o cc u p ies  d ie  ar ea   o f   3 . 9 1 m m 2 .   T h ch i p   p h o to g r a p h   i s   s h o wn   in   Fig u r 1 4 .   T h v alu es  o f   th p ass iv elem en ts   u s ed   in   th m ea s u r e m en ar as  f o llo ws:   C DD   4 7 μ F,  C ST O   1 m F,  C PVC   C TEG   1 n F,  C PEG   1 μ F,   an d   R Load   1 0 k .   Me asu r em e n ts   f o r   PV  en er g y   ar p er f o r m ed   u s in g   a   So lar b o tics   s o lar   ce ll  ( SC C 2 4 2 2 )   at  lig h in ten s ity   o f   6 . 5 k lu x ,   co r r esp o n d in g   to   th e   in d o o r   illu m in an ce .   I n   th is   ca s e,   V PVC, O C   is   ap p r o x im ately   2 . 3 V,   an d   P PVC, MAX   is   5 0 0 μ W .   T o   h ar v est  PE  en er g y ,   co m m er cial  PZT   ( Q P2 0 W )   f r o m   Mo u s er   E lectr o n ics  is   m o u n ted   o n   s h a k er   ( B r ü e &   Kjæ r   4 8 1 0 ) ,   an d   th e   s h ak er   is   d r iv e n   b y   a   p o we r   am p lifie r   ( B r ü el  &   Kjæ r   2 7 1 8 )   with   th co m m a n d   s ig n als  f r o m   f u n ctio n   g en e r ato r .   I n   th is   m ea s u r em en t,  th PE is   s et  to   o u tp u a   V PEG, OC   o f   3 V,   a nd  P PEG, MAX   is   3 0 0 μ W .   Me asu r em en ts   f o r   T E   en er g y   ar p er f o r m ed   u s in g   an   eq u i v alen cir cu it  co n s is tin g   o f   a   3 - s o u r ce   an d   1 5 - k   s er ies  r esis to r   to   em u late  th T E d escr ib ed   in   s ec tio n   2 .   I ts   P TEG, MAX   is   1 5 0 μ W .           Fig u r 1 4 .   Ph o to g r ap h   o f   th e   d esig n ed   ch ip       Fig u r e s   15 - 1 7   s h o ws  th e   m ea s u r ed   wav ef o r m s   wh en   o n ly   PV  en er g y   is   h a r v ested .   T h wav ef o r m s   m e a s u r e d   w h e n   t h e   o u t p u t   o f   t h e   P V E I   i s   c o n n e c t e d   t o   a   3 - k   r e s i s t o r   i n s t ea d   o f   t h e   C P   a r e   s h o w n   i n   F i g u r e   1 5 .   W h en   th MC PVC   s ig n al  g en er ated   at  p er io d   o f   1   s ec o n d   is   h ig h ,   SW 1 PVC   is   tu r n ed   o f f ,   a n d   th e   o p e n - cir cu i t   v o ltag V PVC, OC   o f   2 . 2 3 is   g en er ated .   W h ile  th MC PVC   s ig n al  is   0 ,   th o u tp u v o l tag o f   th PVC   is   m ain tain ed   b etwe en   1 . 6 7 an d   1 . 4 V,   an d   its   av er ag v alu e   is   1 . 5 4 V,   s h o win g   a   s lig h t   d if f er en ce   f r o m   th e   MPP  v o ltag o f   1 . 5 6 V   ( 0 . 7   t im es  V PVC, OC ) .   T h e r ef o r e,   it   ca n   b e   co n f ir m ed   th at  t h P VC   o p er ates  in   t h v icin ity   o f   th e   MPP  b y   th e   MPPT  co n tr o l.   T h e   o u tp u v o ltag V CP , PVC   f o llo ws  V PVC   wh ile  SW 2 PVC   is   o n ,   wh ich   co r r esp o n d s   to   th e   ac tiv tim th C P c an   o p er ate.   T h clo ck   wav ef o r m s   m ea s u r ed   wh en   th o u tp u o f   th PVEI   is   co n n ec ted   to   th C P   ar s h o wn   in   Fig u r 1 6 .   I ca n   b s ee n   th at  wh ile  p o wer   is   s u p p lied   f r o m   th PVEI   to   th C P,   th at  is ,   w h ile  V CP , PVC   is   h ig h ,   th o s cillato r   in   th C o p er at es  to   g en e r ate  clo ck   s ig n als  ( C L K 1 PVC C LK 2 PV C )   o f   3 . 6 7 M Hz.   As  ca n   b e   s ee n   in   Fig u r e   1 7 ( a) ,   th v o ltag e   V ST O   o f   t h s to r a g ca p ac it o r   is   in cr ea s ed   b y   th e   o p er atio n   o f   th e   C an d   th en   b an d - b an d   co n tr o lled   b y   th PMU.   T h s tar t - u p   tim it  ta k es  to   ch ar g C ST O   to   V ST O, MAX   ( 2 V)   th r o u g h   PV  en er g y   h a r v esti n g   is   6 6   s ec o n d s .   T h p o wer in g   tim it  tak es  f o r   V ST O   to   d ec r ea s f r o m   V ST O, MAX   to   V ST O, MIN   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:  2502 - 4 7 5 2       A   mu lti - in p u t e n erg h a r ve s tin g   s ystem  w ith   in d ep en d en t e n e r g h a r ve s tin g   b lo ck     ( E u n   J eo n g   Yu n )   1387   ( 1 . 8 V )   d u e   t o   c u r r e n t   s u p p l y   t o   t h e   l o a d   ( 1 0 k )   is   1 . 1   s e c o n d s .   T h e   c h a r g i n g   t i m e   r e q u i r e d   f o r   V S T O   t o   i n c r e as e   b a c k   t o   V S T O , MA X   is   7 . 5   s e c o n d s ,   s o   t h d u t y   c y c l e   o f   t h e   p o we r   s u p p l y   t o   t h e   l o a d   i s   1 2 . 8 % .   F i g u r e   1 7 ( b )   s h o ws   th ch an g o f   V ST O   an d   V Load   wav ef o r m s   wh en   th lig h in t en s ity   ap p lied   to   th PVC   ch an g es  f r o m   7 k lu x   t o   1 . 8 k lu x .   T h e   d u ty   cy cle  is   2 0 % a t 7 k lu x ,   b u t d ec r ea s es to   1 . 9 % a t 1 . 8 k lu x .         ( a)     ( b )     Fig u r 1 5 .   W av ef o r m s   o f   th PVEI   m ea s u r ed   at  6 . 5 k lu x :   ( a)   V PVC   an d   MC PVC   an d   ( b )   V PVC   an d   V CP , PVC           Fig u r 1 6 .   C lo ck   wav ef o r m s   o f   th ch ar g p u m p         ( a )     ( b )     Fig u r 1 7 .   W av ef o r m s   o f   V ST O   an d   V Load   ( a)   wh en   o n ly   PV e n er g y   is   h a r v ested   an d     ( b )   wh en   th lig h t i n ten s ity   ch an g es f r o m   7 k lu x   to   1 . 8 k l u x       Fig u r 1 8   s h o ws  th m ea s u r e d   wav ef o r m s   wh e n   t h o u tp u o f   th PEE I   is   c o n n ec ted   to   4 . 3 - k   r esis to r .   T h o u tp u V PZT   o f   t h PZT ,   wh ich   is   an   AC - ty p s i g n al,   is   co n v er ted   in t o   r ec tifie d   s ig n al  V PEG   b y   th ADC.  W h ile  th MC PE G   s ig n al  is   1 ,   th ADC’s  o u t p u ca p ac itan ce   b ec o m es  C PEG ,   an d   V PEG   h as  a   r elativ ely   lar g e   r ip p le  v o ltag e   o f   u p   to   1 8 0 m V.   On   th e   o th er   h an d ,   w h ile  th e   MC   s ig n al  is   0 ,   s in ce   C DD   is   ad d ed   to   t h o u t p u o f   th AD C ,   th r ip p le  v o ltag e   d ec r ea s e s   to   f ew  m illi v o lts .   Sin ce   C P EG   af f ec ts   b o th   th e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4 7 5 2   I n d o n esian   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l.  24 ,   No .   3 Dec em b er   2 0 2 1 13 79   -   1 3 9 1   1388   V PEG, OC   tr ac k in g   tim e   an d   t h e   r ip p le  v o ltag e,   it  s h o u ld   b o p tim ally   s elec ted   with   an   ap p r o p r iate  v al u e.   T h o u tp u v o ltag o f   th PEG  is   b an d - b an d   co n tr o lled   b et wee n   1 . 2 1 an d   1 . 6 8 b y   th MPPT  co n tr o l.   E x clu d in g   th e   tim wh e n   V PEG , OC   o cc u r s ,   th e   av er a g v o ltag o f   V PEG   is   1 . 4 5 V,   w h ich   is   s l ig h tly   s m aller   th a n   th MPP v o ltag ( V PEG, MPP   1 . 5 V) ,   b u t it  ca n   b s ee n   th at  th PE  en er g y   is   b ein g   h a r v ested   n ea r   th e   MPP.         ( a)     ( b )     Fig u r 1 8 .   W av ef o r m s   o f   th PEE I : ( a)   V PZT   an d   V PEG   an d   ( b )   V PEG   an d   V CP , PEG       W h en   th o u tp u o f   th PEE I   is   co n n ec ted   to   th C P,  th o p er atin g   ch a r ac ter is tics   o f   th C an d   PMU  ar s im ilar   to   th o s o f   PVEI   s h o wn   in   Fig u r 1 6   a n d   1 7 .   T h m ea s u r ed   ch ar ac ter is tics   o f   th T E E I ,   a   th er m al  en er g y   in ter f ac ch an n el,   ar also   s im ilar   to   th o s o f   th PVEI .   T h m ea s u r e d   p o wer   ef f icien cies  o f   th in ter f ac ch an n els  in   th d esig n ed   E HB   ar s h o wn   in   Fi g u r 1 9 .   T h p ea k   p o wer   ef f ic ien cy   o f   th PVEI ,   PEE I ,   an d   T E E I   is   9 5 . 2 %,  9 2 . 5 %,  an d   9 5 . 5 %,  r esp ec tiv ely .   C o m p ar ed   to   th o th er   tw o   ca s es,  th o v er all   ef f icien cy   o f   th PEE I   is   in f er io r   b ec au s th p u ls wid th   o f   th MC   s ig n al  f o r   s am p li n g   th o p en - cir c u it  v o ltag is   r elativ ely   lo n g ,   r ed u cin g   th en e r g y   h ar v esti n g   t im e.   I n   ad d itio n ,   th u s o f   a n   ADC  ca u s es  an   ad d itio n al  r ed u ctio n   i n   p o wer   ef f icien cy .   Fig u r 2 0 ( a )   s h o ws  th co m p a r is o n   o f   V ST O   wav ef o r m s   f o r   s in g le - in p u en er g y   h a r v esti n g ,   i.e . ,   wh en   PV,  PE,   an d   T E   en er g y   ar h a r v ested   s ep ar ately .   I n   th ca s o f   PV  en er g y   h ar v esti n g ,   th s tar t - u p   tim is   th f astes t,  f o llo wed   b y   PE  e n er g y   h ar v esti n g .   T h e   d u ty   c y cle  is   also   th lar g est f o r   PV  en er g y   h ar v esti n g .   T h is   is   b ec au s th m ax im u m   av aila b le  p o wer   o f   th e   in p u t   d ev ice s   u s ed   in   t h is   ex p er im e n is   t h lar g est  in   PVC   at  500 μW ,   f o llo wed   b y   PEG  at  3 0 0 μ W ,   an d   T E at  1 5 0 μW .   Fig u r 2 0 ( b )   s h o ws  th r esu lts   o f   en er g y   h ar v esti n g   f o r   s in g le  in p u t,  d u al  in p u t,  an d   tr ip le  in p u ca s es.  T h eir   d etailed   ch ar ac ter is tics   ar s u m m ar ized   in   T ab le  2 .   As  ex p ec ted ,   as  th e   n u m b er   o f   in p u ts   in cr ea s es,   th s tar t - u p   tim d ec r ea s es,  an d   th e   d u ty   cy cle  in cr ea s es.  T h ese  r esu lts   co n f ir m   th f u n ctio n ality   o f   th p r o p o s ed   MI E s y s tem .           Fig u r 1 9 .   Po wer   ef f icien c y   g r ap h s   o f   th E HB   in ter f ac es       T ab le  2 .   V ST O   ch a r ac ter is tics   f o r   m u lti - in p u t e n er g y   h ar v esti n g     S t a r t - u p   t i me  ( s)   P o w e r i n g   t i me   ( s)   C h a r g i n g   t i m e   ( s)   D u t y   c y c l e   ( %)   P V C   66   1 . 1   7 . 5   1 2 . 8   P V C + TEG   49   1 . 2   3 . 9   2 3 . 5   P V C + P EG + T EG   34   1 . 5   2 . 6   3 6 . 6   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.