Publicação

Power management circuit: design and comparison of efficient techniques for ultra-low power analog switch and rectifier circuit

Detalhes bibliográficos
Resumo:	A presente dissertação de mestrado apresenta um estudo na área de CMOS em circuitos analógicos/digitais para extração e conversão de potência adequado para aplicações em energy harvesting. As principais contribuições científicas deste trabalho são: o desenvolvimento de circuitos de baixo consumo energético, tais como um interruptor analógico e um retificador que podem extrair e converter eficientemente a potência de saída do energy harvester. Com os dois circuitos apresentados na presente dissertação, é possível alimentar um nó de uma rede de sensores sem fios. Estes circuitos foram projetados utilizando a tecnologia CMOS de 130 nm e as respetivas simulações foram realizadas utilizando o software Cadence Virtuoso Analog Environment. Neste trabalho projetou-se novo interruptor analógico para aplicações em energy harvesting com especial atenção para a obtenção de um baixo consumo energético. A configuração apresentada consegue atingir uma baixa resistência, quando em condução (ON), e evitar correntes reversas indesejadas provenientes da carga. Os resultados das simulações revelam que o circuito: consome uma potência de 200.8 nW; atinge uma baixa resistência, quando em condução, de 216 Ω; gera uma baixa corrente de fuga de 44 pA. Assim sendo, é possível verificar que este circuito consegue operar com um baixo consumo, baixa tensão e com uma baixa frequência. Para além disso, o mesmo interruptor analógico consegue realizar a técnica de up-conversion dentro do circuito de controlo de potência, o que indica a possibilidade de o mesmo contribuir para uma aplicação real com energy harvesters vibracionais. O retificador em CMOS proposto é constituído por dois estágios: um passivo com um conversor de tensão negativa; e um outro estágio com um díodo ativo controlado por um circuito de cancelamento de threshold. O primeiro estágio é responsável por retificar completamente o sinal de entrada com uma queda de tensão de 1 mV, enquanto que o último tem a função de reduzir a corrente reversa indesejada, o que consequentemente consegue aumentar a potência transferida para a carga. Deste modo, o circuito consegue atingir uma eficiência em tensão e potência de 99 % e 90%, respetivamente, para um sinal de entrada com 0.45 V de amplitude e para cargas resistivas de valor baixo. Ainda assim, este circuito consegue funcionar a uma banda de frequências desde os 800 Hz até 51.2 kHz, o que se revela ser promissor para a aplicação prática deste projeto.
Autores principais:	Godinho, António Maria Martinho Mendes
Assunto:	Energy Harvesting Circuito de controlo de potência Analog switch CMOS Rectifier Circuitos de baixo consumo energético Power management circuit Low-power consumption circuits
Ano:	2022
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade do Minho
Idioma:	inglês
Origem:	RepositóriUM - Universidade do Minho

Descrição
Resumo:	A presente dissertação de mestrado apresenta um estudo na área de CMOS em circuitos analógicos/digitais para extração e conversão de potência adequado para aplicações em energy harvesting. As principais contribuições científicas deste trabalho são: o desenvolvimento de circuitos de baixo consumo energético, tais como um interruptor analógico e um retificador que podem extrair e converter eficientemente a potência de saída do energy harvester. Com os dois circuitos apresentados na presente dissertação, é possível alimentar um nó de uma rede de sensores sem fios. Estes circuitos foram projetados utilizando a tecnologia CMOS de 130 nm e as respetivas simulações foram realizadas utilizando o software Cadence Virtuoso Analog Environment. Neste trabalho projetou-se novo interruptor analógico para aplicações em energy harvesting com especial atenção para a obtenção de um baixo consumo energético. A configuração apresentada consegue atingir uma baixa resistência, quando em condução (ON), e evitar correntes reversas indesejadas provenientes da carga. Os resultados das simulações revelam que o circuito: consome uma potência de 200.8 nW; atinge uma baixa resistência, quando em condução, de 216 Ω; gera uma baixa corrente de fuga de 44 pA. Assim sendo, é possível verificar que este circuito consegue operar com um baixo consumo, baixa tensão e com uma baixa frequência. Para além disso, o mesmo interruptor analógico consegue realizar a técnica de up-conversion dentro do circuito de controlo de potência, o que indica a possibilidade de o mesmo contribuir para uma aplicação real com energy harvesters vibracionais. O retificador em CMOS proposto é constituído por dois estágios: um passivo com um conversor de tensão negativa; e um outro estágio com um díodo ativo controlado por um circuito de cancelamento de threshold. O primeiro estágio é responsável por retificar completamente o sinal de entrada com uma queda de tensão de 1 mV, enquanto que o último tem a função de reduzir a corrente reversa indesejada, o que consequentemente consegue aumentar a potência transferida para a carga. Deste modo, o circuito consegue atingir uma eficiência em tensão e potência de 99 % e 90%, respetivamente, para um sinal de entrada com 0.45 V de amplitude e para cargas resistivas de valor baixo. Ainda assim, este circuito consegue funcionar a uma banda de frequências desde os 800 Hz até 51.2 kHz, o que se revela ser promissor para a aplicação prática deste projeto.