Μελέτη και σχεδίαση ολοκληρωμένου κυκλώματος μετατροπέα τάσης AC-DC για εφαρμογές σε συστήματα αυτόνομων αισθητήρων:
Creators: name: Αζά, Ελένη Στέργιου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2010
Subjects: Μετατροπέας τάσης AC-DC
Ολοκληρωμένος μετατροπέας τάσης
Τεχνολογία XC018
AC-DC converter
Integrated voltage converter
XC018

description: Το αντικείμενο της εργασίας αυτής είναι ο σχεδιασμός αναλογικού ολοκληρωμένου κυκλώματος ενός μετατροπέα σήματος τάσης AC/DC με σκοπό την εφαρμογή του σε ασύρματη διάταξη αυτοτροφοδοτούμενου αισθητήρα. Ουσιαστικά πρόκειται για έναν ‘ενεργό ανορθωτή’ τάσης ο οποίος στην είσοδό του δέχεται το σήμα εξόδου του harvester- διάταξη η οποία καλείται να μετατρέψει την ενέργεια που αρχικά λαμβάνει ( μηχανική, θερμική, ηλεκτρομαγνητική, ηλιακή και χημική) σε ηλεκτρική ενέργεια-και δίνει στην έξοδό του μία ανορθωμένη και σταθεροποιημένη τάση (DC) η οποία εφαρμόζεται στα άκρα ενός πυκνωτή-φορτίου Cs. Στις προσομοιώσεις το σήμα που δίνει ο harvester θεωρήθηκε ημιτονικό σταθερού πλάτους και συχνότητας, ενώ έγιναν προσομοιώσεις και με τριγωνικό σήμα. Στόχος του κυκλώματος είναι η μεταφορά της ενέργειας με τις λιγότερες δυνατές απώλειες. Σχεδιάστηκε ανορθωτής πλήρους ανόρθωσης με χρήση 4 MOS διακοπτών, ο οποίος παρέχει το ανορθωμένο σήμα στην είσοδο μιας ‘ενεργούς διόδου’. Με την συνδεσμολογία αυτή το VT είναι αυτό που καθορίζει πότε θα αρχίσει να άγει το κύκλωμα χωρίς όμως να έχουμε πτώση τάσης διότι τα τρανζίστορ είναι συνδεδεμένα όχι διοδικά αλλά σαν διακόπτες. Η βαθμίδα αυτή συνοδεύεται από μία δεύτερη η οποία εμποδίζει το ανάστροφο ρεύμα να ρέει προς τα πίσω. Η δεύτερη αυτή βαθμίδα έχει λειτουργία ιδανικής διόδου. Πρόκειται για μια ‘ενεργό δίοδο’ η οποία αποτελείται από έναν γρήγορο συγκριτή χαμηλής κατανάλωσης, ένα PMOS διακόπτη o οποίος ελέγχεται από τον συγκριτή και ένα κύκλωμα ρύθμισης της πόλωσης του υποστρώματος (bulk regulation). Το κύκλωμα πολώνεται από την τάση εξόδου του ενεργού ανορθωτή που συγκεντρώνεται στα άκρα του πυκνωτή-φορτίου Cs μέσω ανάδρασης. Σχεδιάστηκε κύκλωμα αποσύνδεσης από την τροφοδοσία (power down- PD) σε περίπτωση που κριθεί ότι δεν είναι απαραίτητη η λειτουργία της ‘ενεργούς διόδου’ προς εξοικονόμηση ενέργειας. Η απόδοση του ενεργού ανορθωτή μπορεί να φτάσει το 98,6% για σήμα εισόδου 50-150Hz και πλάτους έως 3,6V –που είναι η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση από την χρησιμοποιούμενη τεχνολογία. Η σχεδίαση έγινε σε περιβάλλον Cadence χρησιμοποιώντας τεχνολογία XC018 της XFAB.
description: The subject of this project is the design of an analogue CMOS integrated active AC-DC voltage converter for use in applications of wireless sensor nodes. To be precise, the proposed circuit is a voltage ‘active or synchronous rectifier’. The input signal of the active rectifier is supposed to be the signal coming out of a harvester- device that converts environmental energy (mechanical, electromagnetic, thermal, solar and chemical) to electrical energy- while the output of the active rectifier is an up-converted, rectified and regulated DC voltage which is applied on a storage capacitor - Cs. During the simulations the output signal of the harvester was assumed to be a sinusoidal signal of specific frequency and amplitude while there were simulations considering a triangle input signal. The main goal of the electric interface of the AC-DC converter is a highly efficient energy transfer. As a first stage of the design there is a full-wave rectifier which consists of 4 MOS switches and provides an up- converted signal to the next stage. With this topology, the threshold voltage (VT) only determines the input voltage at which the circuit starts working. In contrast to the use of MOS diodes there is no VT voltage drop between the input and the output of the first stage because the MOS are driven as switches and not as MOS diodes. The next stage-second stage- is the one to control the current direction by blocking reverse current flow. The function of the second stage is the one of an ideal diode. For this the active diode is proposed, which consists of a simple fast and low power comparator , PMOS switch (MPS) which is controlled by the comparator together with a Bulk Regulation circuit. The supply voltage of the comparator is taken from the storage capacitor Cs via the cathode. A Power-Down circuit was designed for giving the choice of letting the active diode off use for energy saving. The efficiency of the active rectifier can reach up to 98,6% while the input frequency range is 50-150Hz and the input amplitude range is 3- 3,6V . The rectifier is designed in Cadence environment and realised in standard 0.18um CMOS technology XC018 of XFAB