Design of an integrated power management system using reconfigurable storage scheme for batteryless wireless sensor nodes
Creators: name: Σίσκος, Άρης Στυλιανού
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Ενεργειακή Αυτονομία
Ασύρματοι Αισθητήρες
Συγκομιδή Ενέργειας
Υπερπυκνωτές
Ευφυή Αποθηκευτικά Μέσα
Αυτόνομα Συστήματα
Energy Autonomy
Wireless Sensors
Energy Harvesting
Supercapacitors
Smart-storage
Battery-free

description: In this thesis an integrated power management system is implemented, using a reconfigurable supercapacitors (SCs) structure with four SCs, which requires a control unit that alters the different stages of the SCs structure. The different states of the SCs structure are when all SCs are connected in series, a combination between series and parallel connection and all the SCs connected in parallel. These different states of SCs structure offer enhancements in charging and discharging phase, where a simple SC is not able to provide. The system is mandatory to be very low power, autonomous and as generic as possible. Regarding these challenges, there was a research about the possibilities that exist for an architecture. After this step, an architecture is proposed, which is implemented in AMS 0.35μm CMOS. The process family that is selected is C35B3L3, which includes low threshold voltage transistors that benefit the design of the system. Furthermore, the SCs that are selected, have a rated voltage at 5.5V and 100mF capacitance. Low threshold voltage transistors were used for the switches of the reconfigurable SCs structure because of the low on-resistance. The choice of the switches provide the ability of self-startup for the system. The proposed architecture has various circuit blocks. The control unit consists of two comparators and the power management unit consists of an LDO. A bandgap reference circuit is needed to generate a voltage reference for the LDO and the control unit. These circuits must follow the specifications that were extracted from the proposed architecture. The most crucial specification is the high PSRR that the circuits demand. The circuits are implemented in physical design and post-layout simulation and corner analysis are performed. A post-layout and corner analysis are also realized for the total system, which presents the desired behavior. The power management and the control unit consumes 45μW and the switches consume less than 500μW, when the discharging current is maximum. A right charging unit can support this system, which can operate properly and be autonomous. This system was redesigned in AMS 0.35μm CMOS with the flavor C35B4C3, which is available to the universities via Europractice and CMP organizations. Although, this technology does not provide low threshold voltage transistors the whole system presents almost the same behavior with narrower range of operation. This design was sent for fabrication.
description: Στην παρούσα διπλωματική εργασία υλοποιήθηκε ένα ολοκληρωμένο σύστημα διαχείρισης ενέργειας μίας επαναδιατασσόμενης δομής με τέσσερις supercapacitors (SCs), η οποία απαιτεί μία μονάδα ελέγχου που χρησιμοποιείται για να αλλάζει την δομή των SCs σε διαφορετικές συνδεσμολογίες. Η πρώτη συνδεσμολογία είναι με τους SCs συνδεμένους σε σειρά, η δεύτερη είναι ένας συνδυασμός μεταξύ παράλληλης και σειράς σύνδεσης και τέλος η τρίτη συνδεσμολογία είναι όταν όλοι οι SCs βρίσκονται σε παράλληλη σύνδεση. Αυτές οι διαφορετικές συνδεσμολογίες της δομής των SCs προσφέρουν βελτιώσεις στην φάση φόρτισης και εκφόρτισης, όπου ένας μόνο SC δεν είναι ικανός να παρέχει. Το σύστημα είναι υποχρεωτικό να είναι πολύς χαμηλής ενέργειας, αυτόνομο και όσο το δυνατόν πιο γενικό. Δεδομένων αυτών των προκλήσεων, έγινε μία έρευνα για τις δυνατότητες που υπάρχουν για μία αρχιτεκτονική που να υλοποιεί αυτό το σύστημα. Μετά από αυτό το βήμα, προτάθηκε μία αρχιτεκτονική, η οποία υλοποιήθηκε σε τεχνολογία AMS 0.35μm CMOS C35B3L3. Αυτή η τεχνολογία που επιλέχθηκε, περιλαμβάνει τρανζίστορ χαμηλής τάσης κατωφλίου, τα οποία είναι τα πλέον κατάλληλα για το σχεδιασμό του συστήματος. Επιπλέον, οι SCs που επιλέχθηκαν στη δομή, έχουν ονομαστική τάση στα 5.5V και χωρητικότητα 100mF. Τα χαμηλής τάσης κατωφλίου τρανζίστορ χρησιμοποιήθηκαν για τους διακόπτες της επαναδιατασόμενης δομής με SCs, γιατί παρουσιάζουν μικρότερη αντίσταση. Επίσης, η επιλογή των διακοπτών έγινε ώστε το σύστημα να έχει τη δυνατότητα να εκκινεί χωρίς τη χρήση μπαταρίας. Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική έχει διάφορα κυκλώματα. Η μονάδα ελέγχου αποτελείται από δύο συγκριτές, ενώ η μονάδα διαχείρισης ενέργειας αποτελείται από έναν LDO. Ένακύκλωμα τάσης αναφοράς (bandgap reference) χρειάζεται για να δημιουργεί τις κατάλληλες τάσεις αναφοράς στον LDOκαι στη μονάδα ελέγχου. Αυτά τα κυκλώματα πρέπει να ακολουθούν τις προδιαγραφές, οι οποίες εξήχθησαν από την προτεινόμενη αρχιτεκτονική. Η κυριότερη προδιαγραφή είναι το υψηλό PSRR, το οποίο απαιτείται να διαθέτουν τα κυκλώματα, λόγω των απότομων μεταβολών στην τροφοδοσία τους. Τα κυκλώματα υλοποιήθηκαν στο φυσικό σχέδιο και εκτελέστηκε προσομοίωση για αυτά μετά το φυσικό σχεδιασμό συμπεριλαμβανομένων και των παρασιτικών τους και ανάλυση ακραίων συνθηκών. Οι ίδιες προσομοιώσεις έγιναν επίσης για το συνολικό κύκλωμα, το οποίο παρουσιάζει την επιθυμητή συμπεριφορά. Η μονάδα διαχείρισης ενέργειας και η μονάδα ελέγχου απαιτούν 45μA ρεύμα και η κατανάλωση τους είναι περίπου 248uW στην περίπτωση που η τάση τροφοδοσίας είναι 5.5V. Οι διακόπτες καταναλώνουν μέχρι και 500μW στην περίπτωση που το ρεύμα εκφόρτισης είναι το μεγαλύτερο δυνατό (50mA). Ένα σύστημα συγκομιδής ενέργειας και μία κατάλληλη μονάδα φόρτισης μπορεί να υποστηρίξει το σύστημα, ώστε αυτό να λειτουργεί απολύτως αυτόνομα. Το σύστημα επανασχεδιάστηκε στην τεχνολογία AMS 0.35μm CMOS C35B4C3, η οποία είναι διαθέσιμη στα πανεπιστήμια μέσω των οργανισμών Europractice και CMP. Παρόλο που η τεχνολογία δεν παρέχει χαμηλής τάσης κατωφλίου τρανζίστορ, το συνολικό σύστημα παρουσιάζει σχεδόν την ίδια συμπεριφορά με πιο περιορισμένα όρια λειτουργίας. Η σχεδίαση του συστήματος στάλθηκε για κατασκευή.