A self-adaptive storage unit for autonomously powered Wireless Sensor Nodes
Creators: name: Γόγολου, Βασιλική Πέτρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Υπερπυκνωτής
Μονάδα αποθήκευσης
Ασύρματοι κόμβοι αισθητήρων
Supercapacitor
Storage unit
Wireless sensor nodes

description: In this thesis a storage unit based on a supercapacitor self-adaptive matrix is studied for energy harvesting deployments. The structure consists of two supercapacitors, a smaller one and a larger value one, four switches and a control unit, responsible for the reconfiguration of the matrix. The system changes state depending on small supercapacitor’s voltage level and the ability of the overall system to sufficiently supply the load. The architecture aims to a fast supply of the load and output voltage pre-regulation. Such a storage scheme upgrades an application’s performance and eliminates many disadvantages that supercapacitors present, as a single storage element. The system’s design was carried out using the Cadence design suite and the available technology AMS 0.35um CMOS. Since the proposed architecture should be suitable for wireless sensor nodes (WSNs) applications, it is crucial for the system to present high efficiency and energy autonomy. For this reason, special techniques were used for the design of the individual circuit blocks, aiming to lower the power consumption at the minimum achievable level. The switches are implemented as 3.3V pmos, large width transistors and an active diode is utilized in order the system to properly self start-up. The control unit of the system is comprised of two hysteresis comparators and a conventional comparator which provide the required windows for the system to charge/ discharge properly. After the simulations of the schematics, the physical design (layout) of the overall architecture was deployed and post-layout simulations were carried out, verifying that the supercapacitors self-adaptive storage system presents the expected behavior.
description: Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετάται μια μονάδα αποθήκευσης ενέργειας βασισμένη σε μια αυτο-διατασσόμενη συστοιχία υπερ-πυκνωτών (supercapacitors) για εφαρμογές συγκομιδής ενέργειας από το περιβάλλον. Η δομή αποτελείται από δύο υπερ-πυκνωτές, έναν μικρής χωρητικότητας και έναν μεγαλύτερης, τέσσερις διακόπτες και την μονάδα ελέγχου, υπεύθυνη για την αναδιάταξη της συστοιχίας. Το σύστημα αλλάζει κατάσταση ανάλογα με το επίπεδο της τάσης του μικρού υπερ-πυκνωτή και την ικανότητα του συνολικού συστήματος να τροφοδοτήσει επαρκώς το φορτίο. Η δομή αυτή στοχεύει στην ταχύτερη δυνατή τροφοδοσία του φορτίου και στη ρύθμιση της τάσης εξόδου σε ένα σταθερό επίπεδο. Μια τέτοια αρχιτεκτονική αποθήκευσης αναβαθμίζει την απόδοση μιας εφαρμογής και εξαλείφει πολλάμειονεκτήματα που παρουσιάζουν οι υπερ-πυκνωτές ως στοιχείο αποθήκευσης.Ο σχεδιασμός του συστήματος πραγματοποιήθηκε με τη χρήση της σουίτας σχεδιασμού Cadence στην διαθέσιμη τεχνολογία CMOS AMS 0.35um. Δεδομένου ότι η προτεινόμενη αρχιτεκτονική στοχεύει στο να είναι κατάλληλη για εφαρμογές ασύρματων κόμβων αισθητήρων (WSNs), είναι σημαντικό για το σύστημα να παρουσιάζει υψηλή απόδοση και ενεργειακή αυτονομία. Για το λόγο αυτό, ειδικές τεχνικές χρησιμοποιήθηκαν για το σχεδιασμό των επιμέρους κυκλωμάτων, με στόχο τη μείωση της κατανάλωσης ισχύος στο ελάχιστο δυνατό επίπεδο. Οι διακόπτες υλοποιήθηκαν με 3.3V pmos τρανζίστορ μεγάλου πλάτους και μια ενεργή δίοδος χρησιμοποιήθηκε προκειμένου το σύστημα να εκκινεί σωστά. Η μονάδα ελέγχου του συστήματος αποτελείται από δύο συγκριτές υστέρησης και ένα απλό συγκριτή, που παρέχει τα απαιτούμενα παράθυρα τάσης για την σωστή φόρτιση / εκφόρτιση του συστήματος.Μετά τις προσομοιώσεις των σχηματικών, αναπτύχθηκε ο φυσικός σχεδιασμός (layout) της αρχιτεκτονικής και πραγματοποιήθηκαν post-layout προσομοιώσεις, επαληθεύοντας ότι το σύστημα αυτόματης προσαρμογής των υπερ-πυκνωτών παρουσιάζει την αναμενόμενη συμπεριφορά.