Oscillatori elevatori di tensione per il recupero di ...7 febbraio 2013 Oscillatori elevatori di...

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Oscillatori elevatori di tensioneper il recupero di micropotenze ambientali

da sorgenti a radiofrequenza

Marco Alessandrini

Università di Bologna – Sede di CesenaSeconda Facoltà di Ingegneria

Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni

7 febbraio 2013

Oscillatori elevatori di tensione per il recupero di micropotenze ambientali da sorgenti a radiofrequenza 7/2/2013

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Scenario

Parametri di progetto:innesco di un sistema di recupero ambientale di energia (energyharvesting)sorgenti a radiofrequenza, captate tramite rectennanessuna batteria ricaricabile interna (sistema energeticamenteautonomo)

Obiettivi intermedi:funzionamento di un oscillatore di Meissnerdimensionamento di un transistore MOSFET per innescoautonomosviluppi futuri


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Perché recuperare energia? (1)

riutilizzare energia sprecata da altri utentiridurre manutenzione (costo, difficoltà tecniche)assicurare durata nel tempo (no usura batterie/condensatori)

Vantaggio e problema:

L’ambiente è una forma di energia ad alta disponibilità e bassa densità


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Perché recuperare energia? (2)

Sorgente ambientale Potenza Potenzadi sorgente recuperabile

Luce ambientale (esterni) 100 mW/cm2 10 mW/cm2

Vibrazioni/moto umano 0,5m @1 Hz, 4µW/cm2

1 m/s2 @50 HzEnergia termica umana 20 mW/cm2 30µW/cm2

RF (telefono cellulare) 0,3µW/cm2 0,1µW/cm2

Consumo Autonomia EnergiaSmartphone 1 W 5 ore ' 55 ·10−6 JApp. acustico 1 mW 5 giorni ' 2 ·10−9 JNodo rete sensori wireless 100µW a vita ' 0 JPacemaker 50µW 7 anni ' 2 ·10−13 JOrologio al quarzo 5µW 5 anni ' 3 ·10−14 J


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Riferimenti bibliografici

Bibliografia essenziale

ALBERTI, PAOLO (mar. 2012). “Circuiti per la conversione di micropotenze da gradienti termici ambientali”. Tesi di laurea triennale.Università di Bologna, Seconda Facoltà di Ingegneria -Ingegneria elettronica e telecomunicazioni.

COSTANZO, A. et al. (2012). “RF/baseband co-design of switchingreceivers for multiband microwave energy harvesting”. In:Journal of Sensors and Actuators A.179, pp. 158–168.


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Rectenna

Irect Vrect Prect Rout ηPC[µA] [mV] [µW] [kΩ] [adim.]

GSM 900 111 508 56,4 4,58 56,4%GSM 1800 118 405 47,8 3,43 47,8%Wi-Fi 102 118 12,0 1,16 12,0%

Prestazioni di rectenna in condizioni stazionarie,Pdisp = 100µW (COSTANZO et al. 2012)

primo strato: tre strutture risonanti perenergy harvesting da sorgenti sconosciute(tabella)secondo e terzo strato: polarizzazionecircolare, alimentazione, rettificazione delsegnale


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Sistema di recupero dell’energia

Problema della rectenna:micropotenze, impedenza elevata = difficile adattamento in potenza


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Oscillatore di Meissner

Possibile soluzione: adattamento L1 − Rrf ?Impossibile: servono valori di L1 troppo elevati

|jω0L1| Rrf (1)


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Risultati di ALBERTI (2012)

oscillatore di Meissner pilotato da TEG termoelettrico, senzabatteria di supportoinnesco possibile (resistenza interna del TEG circa 1Ω)dimensionamento MOSFET secondo Barkhausen (A ·β(jω) = 1):

gm ·ZR(ω0)

N≥ 1 ⇒ gm ≥

NZR(ω0)

(2)

Principio operativo:Riadattamento del lavoro di ALBERTI 2012 considerando le variazionicausate da Cin sull’adattamento in ingresso


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Ampliamento di ALBERTI (2012)

1 correzione circuito ai piccoli segnali considerando Cinsostituzione di R ′

eq (in ingresso) con Zin = Rin + jXin = Cin // Rrf

adattamento: Rin ' 1Ω ⇒ Cin =

√Rrf − 1ωRrf

dipende solo da ω0

2 definizione della pulsazione di risonanza ω0 secondo Barkhausen

ω01,2 =RbCX ′

in ±√

R2bC2X ′

in2 + 4CL ′

m(r ′ds + R ′

in + Rb)(r ′ds + R ′

in)

−2CL ′m(r ′

ds + R ′in + Rb)

(3)

3 confronto con approssimazione ω0 =1√L ′

mC


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Risultato: nuova formulazione di Barkhausen

1 aggiornamento definizione ZR(ω0)

ZR(ω0) =k · r ′

dsCL ′m

Θ(4)

2 legame tra dimensione MOSFET (W ) e ZR(ω0)

gm = kp ·WL

VDS (regione lineare) (5)

W ≥ NZR(ω0)

· Lkp ·VDS

(6)

Varie incognite, legate tra loro. Come fare?

Studio algebrico del legame tra ZR(ω0) e rds


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Tecnologia del MOSFET:L = 1,6µmkp = 86µA/V2

Altri dati:N ' 101 ÷ 102

VDS ' 10−2 ÷ 10−1

Per ordini di grandezza:

W ≥ 102

ZR(ω0)(7)


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Dimensionamento del MOSFET (1)

ZR(ω0) ' 102: MOSFET largo circa 1 metro (irrealizzabile)ZR(ω0) ' 104: MOSFET largo circa 1 centimetro (difficile marealizzabile)maggiore è ZR(ω0), minore deve essere W del MOSFET

ZR(ω0) aumenta quando: diminuiscono N, C1, Cgs aumentano rds e L1

Variabilità di Cgs e rds

I parametri intrinseci/parassiti e differenziali del MOSFET dipendonodalla tecnologia (dimensioni) e dal punto di funzionamento

Cgs ∝W , rds ∝ kp,VDS (8)


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Dimensionamento del MOSFET (2)

ZR ' 103 ÷ 104: potrebbe oscillareN = 10L1 = 7,5 mHC1 = 1 pFC2 = 330µF

Larghezza minima MOSFET:

W > 1÷ 10 cm (molto conduttivo)

Limitazione:rds elevata (circa 100Ω) difficilmente realizzabile, non simulabile

Con i valori standard di rds (alcuni ohm) non c’è oscillazione


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Conclusioni e sviluppi futuricorretta determinazione di ω0

problema di funzionamento:frequenza di lavoro elevatalegame stretto con Cin e ZR(ω0)

problema tecnologico: dimensionielevate MOSFET vs. necessitàMOSFET poco conduttivo(serve rds elevata)problema volumetrico: dimensionefisica componenti elevataproblema progettuale: trasformatorecon N piccolo per favorire innesco vs.N grande per aumentare vout

problema intrinseco: tolleranze eimprecisioni dei processi tecnologici


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Conclusioni e sviluppi futuricorretta determinazione di ω0

problema di funzionamento:frequenza di lavoro elevatalegame stretto con Cin e ZR(ω0)

problema tecnologico: dimensionielevate MOSFET vs. necessitàMOSFET poco conduttivo(serve rds elevata)problema volumetrico: dimensionefisica componenti elevataproblema progettuale: trasformatorecon N piccolo per favorire innesco vs.N grande per aumentare vout

problema intrinseco: tolleranze eimprecisioni dei processi tecnologici

Evoluzione di Nguyen

Trasformatore a treavvolgimenti per ampliarela retroazione positiva


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