Circuitos para cosecha de energía a ultra baja tensión

Abstract

Este proyecto presenta el estudio, diseño e implementación de sistemas de cosecha de energía a ultra baja tensión. Estos sistemas convierten tensiones del orden de decenas de mV, que no son lo suficientemente grandes como para alimentar un circuito electrónico estándar, a valores mayores y regulados, como por ejemplo:1:2V, 1:8V, 3V y 5V. El trabajo se divide en dos partes. La primera parte consiste en el diseño, fabricación y testeo de un sistema demostrador de cosecha de energía utilizando componentes off-the-shelf. El sistema comprende una fuente de cosecha de energía, un módulo elevador de tensión y una aplicación. En particular, la fuente de alimentación elegida es una celda Peltier funcionando como TEG (en inglés ThermoElectric Generator). Se caracteriza experimentalmente para voltajes de entre 20mV y 100mV aproximadamente, y para diferencias de temperatura del orden de 3:5 °C a 16:7 °C. A partir de los resultados experimentales, se modela eléctricamente con una resistencia interna de 8 Ω y relación de transformación 13:7mV=°C. Se mide el consumo del nodo para establecer un caso de uso en que el nodo envíe mensajes con la mayor frecuencia posible, dadas las restricciones impuestas por la fuente de alimentación. Se estudia el funcionamiento del circuito integrado elevador de tensión LTC3108 analizando su hoja de datos y realizando medidas experimentales con un kit de evaluación. Se diseña un PCB basado en LTC3108 para esta aplicación, se fabrica y se testea. Se concluye la viabilidad del sistema de cosecha conformado por la TEG, el PCB y el nodo. En la segunda parte se diseña un circuito integrado Cold-Start que implementa un elevador de tensión utilizando la tecnología XT018 que es del tipo SOI (Silicon On Insulator). El integrado debe ser alimentado con la TEG, con diferencias de temperatura de hasta 15 °C. Por tanto, el diseño toma en cuenta que en un rango de temperaturas de 3:5 °C y 15 °C la celda puede entregar de 20mV a 90mV con una carga de 6:2. Como especificación de salida se tiene un voltaje mínimo de 1:2V cuando la entrada es 20mV, de manera de disponer de la tensión necesaria para controlar un conversor elevador que conmute a 100 Hz con una capacitancia de entrada Cboost = 5 pF, lo que corresponde a una potencia de salida de 0:720nW. A partir del estudio del estado del arte se selecciona la arquitectura del circuito de Cold-Start, que consiste en un oscilador Meissner y un rectificador doblador de tensión. Se desarrolla un método de diseño basado en un método iterativo de cálculo de la amplitud de salida del oscilador Meissner, utilizando un modelo para el transistor válido en todos los niveles de inversión y zonas de funcionamiento (ACM) en combinación con look-up tables con los parámetros del transistor según sus dimensiones. El diseño de los bloques se basa en los resultados del método y en simulaciones en Cadence. Finalmente, se realiza el layout y las simulaciones del circuito extraído. Se verificó mediante simulaciones de corners del circuito extraído que se cumplen las especificaciones.