High-Efficiency Low-Voltage Rectifiers for Power Scavenging Systems

Abstract Rectifiers are commonly used in electrical energy conversion chains to transform the energy obtained from an AC signal source to a DC level. Conventional bridge and gate cross-coupled rectifier topologies are not sufficiently power efficient, particularly when input amplitudes are low. Depending on their rectifying element, their power efficiency is constrained by either the forward-bias voltage drop of a diode or the threshold voltage of a diode-connected MOS transistor. Advanced passive rectifiers use threshold cancellation techniques to effectively reduce the threshold voltage of MOS diodes. Active rectifiers use active circuits to control the conduction angle of low-loss MOS switches. In this thesis, an active rectifier with a gate cross-coupled topology is proposed, which replaces the diode-connected MOS transistors of a conventional rectifier with low-loss MOS switches. Using the inherent characteristics of MOS transistors as comparators, dynamic biasing of the bulks of main switches and small pull-up transistors, the proposed self-supplied active rectifier exhibits smaller voltage drop across the main switches leading to a higher power efficiency compared to conventional rectifier structures for a wide range of operating frequencies in the MHz range. Delivery of high load currents is another feature of the proposed rectifier. Using the bootstrapping technique, single- and double-reservoir based rectifiers are proposed. They present higher power and voltage conversion efficiencies compared to conventional rectifier structures. With a source amplitude of 3.3 V, when compared to the gate cross-coupled topology, the proposed active rectifier offers power and voltage conversion efficiencies improved by up to 10% and 16% respectively. The proposed rectifier using the bootstrap technique, including double- and single-reservoir schemes, are well suited for very low input amplitudes. They present power and voltage conversion efficiencies of 75% and 76% at input amplitude of 1.0 V and maintain their high efficiencies over input amplitudes greater than 1.0V. Single-reservoir bootstrap rectifier also reduces die area by 70% compared to its double-reservoir counterpart. ---------Resume Les redresseurs sont couramment utilises dans de nombreux systemes afin de transformer l'energie electrique obtenue a partir d'une source alternative en une alimentation continue. Les topologies traditionnelles telles que les ponts de diodes et les redresseurs se servant de transistors a grilles croisees-couplees ne sont pas suffisamment efficaces en terme d’energie, en particulier pour des signaux a faibles amplitudes. Dependamment de leur element de redressement, leur efficacite en termes de consommation d’energie est limitee soit par la chute de tension de polarisation directe d'une diode, soit par la tension de seuil du transistor MOS. Les redresseurs passifs avances utilisent une technique de conception pour reduire la tension de seuil des diodes MOS. Les redresseurs actifs utilisent des circuits actifs pour controler l'angle de conduction des commutateurs MOS a faible perte. Dans cette these, nous avons propose un redresseur actif avec une topologie en grille croisee-couplee. Elle utilise des commutateurs MOS a faible perte a la place des transistors MOS connectes en diode comme redresseurs. Le circuit propose utilise: des caracteristiques intrinseques des transistors MOS pour les montages comparateurs et une polarisation dynamique des substrats des commutateurs principaux supportes par de petits transistors de rappel. Le redresseur propose presente des faibles chutes de tension a travers le commutateur principal menant a une efficacite de puissance plus elevee par rapport aux structures d’un redresseur conventionnel pour une large gamme de frequences de fonctionnement de l’ordre des MHz. La conduction des courants de charge elevee est une autre caracteristique du redresseur propose. En utilisant la methode de bootstrap, des redresseurs a simple et a double reservoir sont proposes. Ils presentent une efficacite de puissance et un rapport de conversion de tension eleves en comparaison avec les structures des redresseurs conventionnels. Avec une amplitude de source de 3,3 V, le redresseur propose offre des efficacites de puissance et de conversion de tension ameliorees par rapport au circuit a transistors croises couples. Ces ameliorations atteignent 10% et 16% respectivement. Les redresseurs proposes utilisent la technique de bootstrap. Ils sont bien adaptes pour des amplitudes d'entree tres basses. A une amplitude d'entree de 1,0 V, ces derniers redresseurs presentent des rendements de conversion de puissance et de tension de 75% et 76%. Le redresseur a simple reservoir reduit egalement l’aire de silicium requise de 70% par rapport a la version a double-reservoir.