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

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Godinho, António Maria Martinho Mendes
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: https://hdl.handle.net/1822/82321
Resumo: Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, Instrumentação e Microssistemas Eletrónicos
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spelling Power management circuit: design and comparison of efficient techniques for ultra-low power analog switch and rectifier circuitEnergy HarvestingCircuito de controlo de potênciaAnalog switchCMOS RectifierCircuitos de baixo consumo energéticoPower management circuitLow-power consumption circuitsEngenharia e Tecnologia::Engenharia Eletrotécnica, Eletrónica e InformáticaDissertação de mestrado integrado em Engenharia Eletrónica Industrial e Computadores, Instrumentação e Microssistemas EletrónicosA 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.The master dissertation presents a study in the area of mixed analog/digital CMOS power extraction and conversion circuits for Power Management Circuit (PMC) suitable for energy harvesting applications. The main contributions of the work are the development of low power circuits, such as an Analog Switch and a Rectifier, that can efficiently extract and convert the output power of the vibrational energy harvester into suitable electric energy for powering a Wireless Sensor Network (WSN) node. The circuit components were fully designed in the standard 130 nm CMOS process, and the respective simulation experiments were carried out using the Cadence Virtuoso Analog Environment. A new Analog Switch was designed for energy harvesting applications with special consideration for achieving low power consumption. The proposed structure can achieve a reduced ON-resistance and avoid the reverse leakage current from the load. Simulation results reveal a power consumption of about 200.8 nW, a low ON-resistance of 244.6 Ω, and a low leakage current of around 44 pA, which indicates that the analog switch has features of low power consumption, low voltage, and low-frequency operation. Furthermore, this switching circuit is suitable for performing the up-conversion technique in the PMC, which may contribute to the real application of vibrational energy harvesters. The proposed CMOS Rectifier consists of two stages, one passive stage with a negative voltage converter, and another stage with an active diode controlled by a threshold cancellation circuit. The former stage conducts the signal full-wave rectification with a voltage drop of 1 mV while the latter reduces the reverse leakage current, consequently enhancing the output power delivered to the ohmic load. As a result, the rectifier can achieve a voltage and a power conversion efficiency of over 99 % and 90 %, respectively, for an input voltage of 0.45 V and low ohmic loads. This circuit works for an operating frequency range from 800 Hz to 51.2 kHz, which is promising for practical applications.Gonçalves, L. M.Zhaochu YangUniversidade do MinhoGodinho, António Maria Martinho Mendes2022-01-122022-01-12T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/82321eng203104528info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T12:25:05Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/82321Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T19:19:16.575602Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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