HarvestVolt : Cosecha de energía a ultra baja tensión.

Abstract

Este proyecto aborda el diseño e implementación de un sistema de cosecha de energía para operar a tensiones ultra bajas, orientado a dispositivos médicos implantables activos, donde la autonomía energética es crucial. Se busca enfrentar el desafío de alimentar dispositivos autónomos de bajo consumo, prolongando o eliminando la necesidad de baterías mediante técnicas de cosecha de energía. El trabajo se centra en el desarrollo de un circuito de arranque en frío (Cold-Start), es decir, un circuito capaz de iniciar su operación desde tensiones extremadamente bajas (40mV o menos) sin requerir energía previa almacenada. El Cold-Start está compuesto por una variante del oscilador Colpitts MOS y un rectificador multiplicador de voltaje. En este diseño, el inductor tradicional del Colpitts es reemplazado por un resonador piezoeléctrico, permitiendo una operación eficiente a ultra baja tensión y minimizando interferencias electromagnéticas, una ventaja clave en entornos biomédicos. Para ello, se conduce un cuidadoso estudio analítico y experimental sobre el modelado eléctrico de los resonadores piezoeléctricos. La arquitectura diseñada supone un aporte al estado del arte de circuitos osciladores para cosecha de energía ya que, hasta lo mejor de nuestro conocimiento, no existen reportes de osciladores a cristal que logren arrancar con tensiones por debajo de los 60mV. El proyecto está orientado al diseño de circuitos integrados, desarrollando tanto el oscilador como el rectificador desde esa perspectiva, e implementado mayoritariamente con componentes comerciales. El oscilador se diseña alrededor de un transistor customizado integrado, modelado mediante ACM (Advanced Compact MOS). Este enfoque permite realizar un análisis exhaustivo del espacio de diseño para predecir el comportamiento del oscilador y orientar la elección de parámetros. Se selecciona un punto de diseño para el que se realiza el layout del transistor y simulaciones post-layout y de Montecarlo, lo que permite validar la robustez y la viabilidad del diseño antes de su fabricación. La celda solar seleccionada proporciona los 40 mV requeridos en condiciones de baja irradiancia, compatibles con aplicaciones médicas subcutáneas, y su modelo eléctrico se valida mediante simulaciones en Cadence. El rectificador es implementado con componentes comerciales y el sistema completo se ensambla en un circuito impreso que incorpora el transistor diseñado en un encapsulado. Los resultados de simulación muestran que la mínima tensión de alimentación que garantiza el arranque del oscilador es de 30mV, con una amplitud a la salida de 300mVpp. A 40mV de alimentación, la salida oscilatoria es de 750mVpp. En este caso, el Cold-Start logra almacenar 1,56 nJ de energía en un capacitor de salida de 4,7 nF, cargado hasta 816mV. Queda pendiente como trabajo a futuro, la medición experimental del sistema con la integración final del chip. Esta etapa permitirá validar la metodología de diseño empleada y completar la evaluación experimental del Cold-Start.