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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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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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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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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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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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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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