Analysis and Experiment of Self‐Powered, Pulse‐Based Energy Harvester Using 400 V FEP‐Based Segmented Triboelectric Nanogenerators and 98.2% Tracking Efficient Power Management IC for Multi‐Functional IoT Applications

摩擦电效应 能量收集 材料科学 电源管理 电源管理系统 功率(物理) 最大功率点跟踪 阻抗匹配 计算机科学 电压 电气工程 电子工程 电阻抗 工程类 逆变器 物理 量子力学 复合材料
作者
Seneke Chamith Chandrarathna,Sontyana Adonijah Graham,Muhammad Ali,A. L. A. K. Ranaweera,Migara Lakshitha Karunarathne,Jae Su Yu,Jong‐Wook Lee
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (17) 被引量:21
标识
DOI:10.1002/adfm.202213900
摘要

Abstract A self‐powered system for the Internet of Things (IoT) is demonstrated for efficient energy harvesting of naturally available mechanical energy. In this system, new contact‐separation mode triboelectric nanogenerators (TENGs), based on fluorinated ethylene propylene, are investigated using the segmented multi‐TENG configuration to reduce the effect of parasitic capacitance. The TENG extraction is optimized using a unit step excitation involved with the Dawson function to achieve a high voltage (400 V) and a high current (26.6 µA). To fully extract the power of the TENGs, the power management integrated circuit (PMIC) specially designed for adaptively controlled, high‐voltage (HV) maximum power point tracking (MPPT) is proposed. The PMIC implemented in a bipolar CMOS‐DMOS 180 nm process can handle a wide input range (5–70 V) by consuming 420 nW. The MPPT control allows a wide range of impedance matching from 10 to 300 MΩ, achieving a tracking efficiency of up to 98.2%. The end‐to‐end efficiency of 88% demonstrates state‐of‐the‐art performance. To supply a higher instantaneous power than that available from the TENGs, a duty‐cycling technique is successfully demonstrated. The proposed energy harvesting system provides a promising approach to realizing sustainable and autonomous energy sources for various IoT applications.
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