Design of power management system for autonomous microsystems
Conception de systèmes de gestion d'énergie pour microsystèmes autonomes
Abstract
This PhD thesis presents new solutions for power management in autonomous microsystems. The autonomous microsystems are the new candidates for the nodes of wireless sensor network. These systems contain microgenerators that harvest ambient energy and convert it into electricity. This thesis has been done in the framework of a European project (VIBES : VIBration Energy Scavenging FP6 IST-1-STREP-507911). This project focused on harvesting energy from mechanical vibrations. In this case piezoelectric or electromagnetic microgenerators are used for the conversion. The microgenerators are connected to a storage element by the way of power management modules. The main challenge for the design of these modules is the low voltage (few millivolts) and the ultra low power (hundreds of nanowatts) provided by the microgenerators. To overcome this problematic three approaches are proposed. The first technique allows the increase of the output voltage given by the microgenerator. This technique is called SSH (Synchronized Switch Harvesting). The efficiency of this technique was validated with a piezoelectric macrogenerator. The influence of scale down effects on this technique is studied, and a more suitable solution is proposed for microgenerators. The second approach is based on a voltage multiplier. This circuit plays the role of AC/DC and DC/DC converters. It accepts input voltages in the order of tenth of millivolt. This passive circuit uses diodes with very low threshold voltage. The third approach deals with the design of ultra low power AC/DC converter (tenth of nanowatt). This converter can rectify signals of few millivolts. The three approaches are implemented with two types of integrated-circuits technologies.
Cette thèse présente de nouvelles approches pour la gestion d'énergie dans un microsystème autonome. Le microsystème autonome est la nouvelle génération des nœuds de capteurs sans fil. Le microsystème autonome est alimenté via un microgénérateur qui récolte l'énergie ambiante. Cette thèse s'est déroulée dans le cadre du projet européen VIBES (VIBration Energy Scavenging FP6 IST-1-STREP-507911). Ce projet s'intéresse à récolter l'énergie ambiante issue de vibrations mécaniques. La problématique dans la conception du module de gestion d'énergie est la très basse tension (dizaines de millivolts), et l'ultra basse puissance (centaine de nanowatts) fournie par le microgénérateur. Trois approches sont proposées dans cette thèse. La première approche est une technique pour l'amplification de la tension du microgénérateur. Celle-ci est vérifiée par l'application d'une technique de commutation dite SSH (Synchronized Switch Harvesting). Cette technique est validée pour des générateurs de taille centimétrique. L'influence de la réduction d'échelle sur cette technique est étudiée, et une technique plus convenable pour les microgénérateurs est proposée. La deuxième approche est l'utilisation d'un multiplicateur de tension. Ce multiplicateur joue le rôle d'un AC/DC et DC/DC. Il accepte une tension d'entrée d'amplitude très faible (dizaines de millivolts). Le fonctionnement du multiplicateur à ces très basses tensions est basé sur une nouvelle structure de diode à très basse tension de seuil. La troisième approche est la proposition d'un convertisseur AC/DC ultra basse consommation (dizaines de nanowatt). Ce convertisseur peut rectifier des signaux d'amplitude de l'ordre de quelques millivolts. Les trois approches sont implémentées en utilisant deux technologies de fabrication de circuits intégrés.
Loading...