Σχεδιασμός ολοκληρωμένου κυκλώματος ανύψωσης τάσης συνεχούς ρεύματος (Boost DC-DC Converter) για συγκομιδή ενέργειας από θερμοηλεκτρικές γεννήτριες (TEGs)
Creators: name: Τραϊκούδης, Χρήστος Ευάγγελου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Κύκλωμα ανύψωσης τάσης
Θερμοηλεκτρικές γεννήτριες
Συγκομιδή ενέργειας
Boost DC-DC converter
TEG
Energy Harvesting

description: Η παρούσα εργασία ασχολείται με τη μελέτη και το σχεδιασμό ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος μετατροπέα ανύψωσης τάσης συνεχούς ρεύματος (Boost DC-DC Converter), με σκοπό τη μέγιστη συγκομιδή ενέργειας από θερμοηλεκτρικές γεννήτριες (Thermoelectric Generators – T.E.Gs). Για την επίτευξη τόσο του ανωτέρω βασικού χαρακτηριστικού όσο και τη μεγιστοποίηση της εκμετάλλευσης και απόδοσης της τελικής παραγόμενης ενέργειας, το κύκλωμα είναι μονού επαγωγού και διπλής εξόδου (Single Inductor Dual Output – S.I.D.O.), παράγει σταθερές τάσεις εξόδου (3 και 2 V), χωρίς χρήση κάποιου επιπλέον κυκλώματος στην έξοδο, λειτουργεί πάντα πολύ κοντά στο σημείο μέγιστης ισχύος (Maximum Power Point – M.P.P.) της καμπύλης εξόδου ισχύος του T.E.G.,με σκοπό τη μέγιστη συγκομιδή ενέργειας από αυτό (με απώλειες μικρότερες του 1% για την έξοδο των 3 V και του 3% για την έξοδο των 2 V, αντίστοιχα), ενσωματώνεται σ’ αυτό τεχνική μείωσης των ανάστροφων ρευμάτων εξόδου (τεχνική Zero Current Switching – Z.C.S.), με σκοπό την μεγιστοποίηση της συνολικής απόδοσης ενέργειας του κυκλώματος και δέχεται ως εισόδους τάσεις ανοιχτού κυκλώματος (Open Circuit Voltage – Voc) ενός T.E.G. από 200 mV έως 2 V, με συνολική απόδοση ενέργειας που φτάνει μέχρι και το 91,65% για την έξοδο των 3 V και 90,6% για την έξοδο των 2 V, αντίστοιχα. Το ολοκληρωμένο κύκλωμα σχεδιάστηκε στο πρόγραμμα Cadence Virtuoso, σε τεχνολογία CMOS 0,35 μm, ενώ όλα τα ανωτέρω λειτουργικά χαρακτηριστικά αυτού αποδεικνύονται μέσω προσομοιώσεων σε επίπεδο τόσο σχηματικού (Schematic) όσο και φυσικού σχεδίου (Layout) στο υποπρόγραμμα Analog Design Environment (ADE L). Όσον αφορά τα προαναφερθέντα, βασικά χαρακτηριστικά του κυκλώματος, το χαρακτηριστικό S.I.D.O. επιλέχθηκε ώστε να αποδειχθεί ότι η παραγόμενη τάση εξόδου δεν δύναται απαραίτητα να καθοριστεί, αποκλειστικά και μόνο, από την τεχνολογία σχεδίασης του μετατροπέα ανύψωσης τάσης. Ως τεχνική εντοπισμού του M.P.P. (M.P.P. Tracking- M.P.P.T.) επιλέχθηκε μια μορφή της, συνήθως χρησιμοποιούμενης, τεχνικής «ταιριάσματος αντιστάσεων» (Impedance Matching) μεταξύ κυκλώματος ανύψωσης τάσης και T.E.G., ως η αποδοτικότερη και αποτελεσματικότερη για το υπό σχεδίαση κύκλωμα, αλλά ειδικά σχεδιασμένη για μέγιστη απόδοση τόσο σε χαμηλές όσο και σε υψηλές τάσεις Voc (στη συγκεκριμένη περίπτωση από 0,2 έως 2 V, όπως προαναφέρθηκε). Η υπόλοιπη, γενικότερη λειτουργία του κυκλώματος επιτυγχάνεται μέσω δειγματοληψίας της τάσης κλειστού κυκλώματος (Closed Circuit Voltage – Vcc), η οποία και βρίσκεται πολύ κοντά στο M.P.P. λόγω της επιλεχθείσας, προσαρμοσμένης τεχνικής M.P.P.T.. Κάθε τιμή της τάσης Vcc αντιστοιχείται, μέσω απλού μαθηματικού μοντέλου, σε ένα και μοναδικό σημείο λειτουργίας του κυκλώματος ανύψωσης τάσης, που αντιστοιχεί σε συγκεκριμένους χρόνους αγωγιμότητας των διακοπτών NMOS και PMOS, βάσει της καμπύλης απόδοσης ισχύος του TEG. Όπως γίνεται αντιληπτό και από τα ανωτέρω, μπορεί το κύκλωμα ανύψωσης τάσης να παρουσιάζεται ως ειδικού σκοπού, με την έννοια της προσαρμοσμένης λειτουργίας του στην καμπύλη απόδοσης ισχύος του συγκεκριμένου, επιλεγέντος T.E.G., παρ’ όλ’ αυτά, δύναται, όπως αποδεικνύεται με συγκεκριμένο παράδειγμα στην παρούσα εργασία, με μια απλή ρύθμιση ορισμένων εξωτερικών στοιχείων του κυκλώματος να μετατραπεί σε γενικού σκοπού και να προσαρμοστεί σε ένα ευρύ φάσμα T.E.G. του εμπορίου.
description: This thesis deals with the study and the design of an integrated circuit of a Boost DC-DC Converter, focused in maximizing the harvested energy from thermoelectric generators (TEGs). In order to achieve the above main purpose, as well as maximizing the exploitation and the efficiency of the final generated energy from the circuit, it is designed as a single inductor and dual output circuit, with one main output at 3 Volts (V) and a secondary at 2V, it produces constant output voltages (3 and 2 V), without the need of using a stabilization circuit in the output, it always operates very close to the maximum power point (MPP) of the output power curve of the T.E.G., aiming in maximizing the harvested energy from it (with losses below 1% for the output of 3V and 3% for the output of 2V, respectively), it is embedded a technique for minimizing the inverse output currents (Zero Current Switching technique-Z.C.S.), aiming in maximizing the total output energy efficiency produced by the circuit and it operates in open circuit voltages (Voc) from 200 mV to 2 V, with total peak energy efficiency of 91,65% for the 3 V output and 90,6% for the 2 V, respectively. The integrated circuit is designed in Cadence Virtuoso, in 0,35 μm CMOS technology. All the above functional and performance characteristics have been proved of existence via simulations on the schematic as well as the layout circuit using the sub-program Analog Design Environment (ADE L). With regard to the above basic characteristics of the circuit, the S.I.D.O. characteristic has been chosen in order to prove that the final produced output voltage is not necessarily defined by the design technology of the boost converter. As a tracking technique of M.P.P. (M.P.P. Tracking- M.P.P.T.) the common “Impedance Matching” technique has been chosen between the boost converter and the T.E.G., as the most efficient and effective for this case, but especially designed for maximum performance in a wide range of Voc (in this case from 0,2 to 2 V, as mentioned before). The rest function of the circuit is based in sampling the closed circuit voltage (Vcc), which is always very close to M.P.P., as a result of the designed, high performance, M.P.P.T. technique. Every value of the Vcc is matched, using a simple mathematical model, in a specific operating point of the converter, which corresponds in specific conductivity time of the NMOS and PMOS switches, adapted to the output power curve of TEG. As perceived from all the above description, although the circuit is presented as a special purpose, by the fact of its adapted operation in the output power curve of the selected TEG, however, as it has been demonstrated by a specific example in this thesis, with a simple change in some external circuit elements, the whole boost converter circuit can be adapted in operation to a wide range of commercial TEGs.