Σχεδιασμός Ανορθωτών Τεχνολογίας CMOS για Εφαρμογές Συγκομιδής Ενέργειας από Πιεζοηλεκτρικές Μικρογεννήτριες
Creators: name: Μπούγας, Ιωάννης Δημητρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2019
Subjects: Συγκομιδή Ενέργειας
Πιεζοηλεκτρικές Μικρογεννήτριες
Ανορθωτής
Energy Harvesting
Piezoelectric Microgenerator
Rectifier

description: Η συγκομιδή ενέργειας είναι η διαδικασία κατά την οποία συλλέγουμε ενέργεια από το περιβάλλον και την μετατρέπουμε σε αξιοποιήσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Σκοπός της συγκομιδής ενέργειας είναι η ενεργειακή αυτονομία των συστημάτων που κανονικά θα χρησιμοποιούσαν μπαταρίες ή θα ήταν συνδεδεμένα σε δίκτυο παροχής ηλεκτρικού ρεύματος. Αυτό επιτυγχάνεται με τον σχεδιασμό αυτόνομων ενεργειακών συστημάτων. Τα συστήματα αυτά μπορούν να λειτουργήσουν σε διάφορες εφαρμογές, όπως για παράδειγμα σε εφαρμογές στον διαγνωστικό και θεραπευτικό τομέα (ιατρικά εμφυτεύματα) με κατανάλωση ισχύος πολύ χαμηλή. Στην παρούσα διπλωματική εργασία εκμεταλλευόμενοι το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο σχεδιάζουμε δύο υψηλής απόδοσης μετατροπείς τάσης AC/DC που λειτουργούν σε πολύ χαμηλές τάσεις εισόδου. Ο πρώτος αποτελείται από δύο μέρη: το πρώτο είναι ένας μετατροπέας αρνητικής τάσης (Negative Voltage Converter-NVC) που μετατρέπει τα αρνητικά μισά του εναλλασσόμενου σήματος εισόδου (AC) σε θετικά και το δεύτερο είναι μια ενεργή δίοδος. Ένας συγκριτής που παίρνει είσοδο στα υποστρώματα (bulk) των transistors του διαφορικού ζευγαριού και λειτουργεί σε περιοχή κάτω από το κατώφλι (subthreshold) χρησιμοποιείται για να οδηγήσει τον διακόπτη της ενεργής διόδου. Η πτώση τάσης πάνω στα transistors είναι μερικές δεκάδες mV και η απόδοση σε τάση και ισχύ είναι της τάξης του 90%. Στη συνέχεια παρουσιάζεται ένας δεύτερος ενεργός ανορθωτής που είναι βελτίωση του πρώτου ώστε να λειτουργεί με μικρότερες τάσεις εισόδου. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση δυναμικού ελέγχου της τάσης κατωφλίου (Dynamic Threshold Metal Oxide Semiconductor- DTMOS), στον οποίο η πύλη είναι συνδεδεμένη με το υπόστρωμα σε ένα διοδικά συνδεδεμένο transistor. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων δείχνουν ότι και σε αυτή την περίπτωση μπορούν να φτάσουν και πάλι στα επίπεδα του 90%. Τα κυκλώματα σχεδιάστηκαν σε τεχνολογία AMS 0.35μm Low Threshold Voltage σε περιβάλλον Cadence Virtuoso
description: Energy harvesting is the process by which we collect energy from the environment and convert it into usable electricity. The purpose of energy harvesting is the energy autonomy of systems that would normally use batteries or be connected to a power supply network. This is achieved by designing autonomous energy systems. These systems can work in a variety of applications, such as in applications in the diagnostic and therapeutical field (medical implants) with very low power consumption. In this thesis, exploiting the piezoelectric effect, we design two highly, ultra-low-voltage active full wave rectifiers. In the first one, a two-stage concept is used including the first stage as an NVC (Negative Voltage Converter) which converts the negative half waves of the AC input wave into positive ones, and the second stage as an active diode. A bulk-input comparator working in the subthreshold region is used to drive the switch of the active diode. The voltage drop over the rectifier is some tens of mV, which results in voltage and power efficiencies of over 90%. A second active rectifier is then displayed, which is an improvement of the former to operate at lower input voltages. This is achieved by utilizing the DTMOS (Dynamic. Threshold Metal Oxide Semiconductor) where the bulk terminal is connected to the gate terminal in a diode connected transistor. This implementation facilitates the rectifier with dynamic control over the threshold voltage. The simulation results show that the voltage conversion efficiency and the power conversion efficiency can also reach up to 90%. The design was successfully implemented in AMS 0.35um Low Threshold Voltage technology, in the Cadence Virtuoso environment