1/ 16 Oscillatori elevatori di tensione per il recupero di micropotenze ambientali da sorgenti a radiofrequenza Marco Alessandrini Università di Bologna Sede di Cesena Seconda Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea Triennale in Ingegneria Elettronica e delle Telecomunicazioni 7 febbraio 2013
Scenario 2/ 16 Parametri di progetto: innesco di un sistema di recupero ambientale di energia (energy harvesting) sorgenti a radiofrequenza, captate tramite rectenna nessuna batteria ricaricabile interna (sistema energeticamente autonomo) Obiettivi intermedi: funzionamento di un oscillatore di Meissner dimensionamento di un transistore MOSFET per innesco autonomo sviluppi futuri
Perché recuperare energia? (1) 3/ 16 riutilizzare energia sprecata da altri utenti ridurre 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
Perché recuperare energia? (2) 4/ 16 Sorgente ambientale Potenza Potenza di sorgente recuperabile Luce ambientale (esterni) 100 mw/cm 2 10 mw/cm 2 Vibrazioni/moto umano 0, 5m @1 Hz, 4 µw/cm 2 1 m/s 2 @50 Hz Energia termica umana 20 mw/cm 2 30 µw/cm 2 RF (telefono cellulare) 0, 3 µw/cm 2 0, 1 µw/cm 2 Consumo Autonomia Energia Smartphone 1 W 5 ore 55 10 6 J App. acustico 1 mw 5 giorni 2 10 9 J Nodo rete sensori wireless 100 µw a vita 0 J Pacemaker 50 µw 7 anni 2 10 13 J Orologio al quarzo 5 µw 5 anni 3 10 14 J
Perché recuperare energia? (2) 4/ 16 Sorgente ambientale Potenza Potenza di sorgente recuperabile Luce ambientale (esterni) 100 mw/cm 2 10 mw/cm 2 Vibrazioni/moto umano 0, 5m @1 Hz, 4 µw/cm 2 1 m/s 2 @50 Hz Energia termica umana 20 mw/cm 2 30 µw/cm 2 RF (telefono cellulare) 0, 3 µw/cm 2 0, 1 µw/cm 2 Consumo Autonomia Energia Smartphone 1 W 5 ore 55 10 6 J App. acustico 1 mw 5 giorni 2 10 9 J Nodo rete sensori wireless 100 µw a vita 0 J Pacemaker 50 µw 7 anni 2 10 13 J Orologio al quarzo 5 µw 5 anni 3 10 14 J
Riferimenti bibliografici 5/ 16 Bibliografia essenziale ALBERTI, PAOLO (mar. 2012). Circuiti per la conversione di micro potenze 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 switching receivers for multiband microwave energy harvesting. In: Journal of Sensors and Actuators A.179, pp. 158 168.
Rectenna 6/ 16 I rect V rect P rect R out η PC [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, P disp = 100 µw (COSTANZO et al. 2012) primo strato: tre strutture risonanti per energy harvesting da sorgenti sconosciute (tabella) secondo e terzo strato: polarizzazione circolare, alimentazione, rettificazione del segnale
7/ 16 Sistema di recupero dell energia Problema della rectenna: micropotenze, impedenza elevata = difficile adattamento in potenza
Oscillatore di Meissner 8/ 16 Possibile soluzione: adattamento L 1 R rf? Impossibile: servono valori di L 1 troppo elevati jω 0 L 1 R rf (1)
Risultati di ALBERTI (2012) 9/ 16 oscillatore di Meissner pilotato da TEG termoelettrico, senza batteria di supporto innesco possibile (resistenza interna del TEG circa 1 Ω) dimensionamento MOSFET secondo Barkhausen (A β(jω) = 1): g m ZR(ω 0 ) N 1 g m N Z R (ω 0 ) (2) Principio operativo: Riadattamento del lavoro di ALBERTI 2012 considerando le variazioni causate da C in sull adattamento in ingresso
Risultati di ALBERTI (2012) 9/ 16 oscillatore di Meissner pilotato da TEG termoelettrico, senza batteria di supporto innesco possibile (resistenza interna del TEG circa 1 Ω) dimensionamento MOSFET secondo Barkhausen (A β(jω) = 1): g m ZR(ω 0 ) N 1 g m N Z R (ω 0 ) (2) Principio operativo: Riadattamento del lavoro di ALBERTI 2012 considerando le variazioni causate da C in sull adattamento in ingresso
Ampliamento di ALBERTI (2012) 10/ 16 1 correzione circuito ai piccoli segnali considerando C in sostituzione di R eq (in ingresso) con Z in = R in + jx in = C in // R rf Rrf 1 adattamento: R in 1 Ω C in = dipende solo da ω 0 ωr rf 2 definizione della pulsazione di risonanza ω 0 secondo Barkhausen ω 01,2 = R bcx in ± 2 in + 4CL m(r ds + R in + R b)(r ds + R in ) 2CL m(r ds + R in + R b) R 2 b C2 X 3 confronto con approssimazione ω 0 = 1 L m C (3)
Ampliamento di ALBERTI (2012) 10/ 16 1 correzione circuito ai piccoli segnali considerando C in sostituzione di R eq (in ingresso) con Z in = R in + jx in = C in // R rf Rrf 1 adattamento: R in 1 Ω C in = dipende solo da ω 0 ωr rf 2 definizione della pulsazione di risonanza ω 0 secondo Barkhausen ω 01,2 = R bcx in ± 2 in + 4CL m(r ds + R in + R b)(r ds + R in ) 2CL m(r ds + R in + R b) R 2 b C2 X 3 confronto con approssimazione ω 0 = 1 L m C (3)
Risultato: nuova formulazione di Barkhausen 11/ 16 1 aggiornamento definizione Z R (ω 0 ) Z R (ω 0 ) = k r ds CL m Θ (4) 2 legame tra dimensione MOSFET (W ) e Z R (ω 0 ) g m = k p W L V DS (regione lineare) (5) W Varie incognite, legate tra loro. Come fare? Studio algebrico del legame tra Z R (ω 0 ) e r ds N Z R (ω 0 ) L (6) k p V DS
Risultato: nuova formulazione di Barkhausen 11/ 16 1 aggiornamento definizione Z R (ω 0 ) Z R (ω 0 ) = k r ds CL m Θ (4) 2 legame tra dimensione MOSFET (W ) e Z R (ω 0 ) g m = k p W L V DS (regione lineare) (5) W Varie incognite, legate tra loro. Come fare? Studio algebrico del legame tra Z R (ω 0 ) e r ds N Z R (ω 0 ) L (6) k p V DS
12/ 16 Tecnologia del MOSFET: L = 1, 6 µm k p = 86 µa/v 2 Altri dati: N 10 1 10 2 V DS 10 2 10 1 Per ordini di grandezza: W 102 Z R (ω 0 ) (7)
13/ 16 Dimensionamento del MOSFET (1) Z R (ω 0 ) 10 2 : MOSFET largo circa 1 metro (irrealizzabile) Z R (ω 0 ) 10 4 : MOSFET largo circa 1 centimetro (difficile ma realizzabile) maggiore è Z R (ω 0 ), minore deve essere W del MOSFET Z R (ω 0 ) aumenta quando: diminuiscono N, C 1, C gs aumentano r ds e L 1 Variabilità di C gs e r ds I parametri intrinseci/parassiti e differenziali del MOSFET dipendono dalla tecnologia (dimensioni) e dal punto di funzionamento C gs W, r ds k p, V DS (8)
14/ 16 Dimensionamento del MOSFET (2) Z R 10 3 10 4 : potrebbe oscillare N = 10 L 1 = 7, 5 mh C 1 = 1 pf C 2 = 330 µf Larghezza minima MOSFET: W > 1 10 cm (molto conduttivo) Limitazione: r ds elevata (circa 100 Ω) difficilmente realizzabile, non simulabile Con i valori standard di r ds (alcuni ohm) non c è oscillazione
14/ 16 Dimensionamento del MOSFET (2) Z R 10 3 10 4 : potrebbe oscillare N = 10 L 1 = 7, 5 mh C 1 = 1 pf C 2 = 330 µf Larghezza minima MOSFET: W > 1 10 cm (molto conduttivo) Limitazione: r ds elevata (circa 100 Ω) difficilmente realizzabile, non simulabile Con i valori standard di r ds (alcuni ohm) non c è oscillazione
Conclusioni e sviluppi futuri 15/ 16 corretta determinazione di ω 0 problema di funzionamento: frequenza di lavoro elevata legame stretto con C in e Z R (ω 0 ) problema tecnologico: dimensioni elevate MOSFET vs. necessità MOSFET poco conduttivo (serve r ds elevata) problema volumetrico: dimensione fisica componenti elevata problema progettuale: trasformatore con N piccolo per favorire innesco vs. N grande per aumentare v out problema intrinseco: tolleranze e imprecisioni dei processi tecnologici
Conclusioni e sviluppi futuri 16/ 16 corretta determinazione di ω 0 problema di funzionamento: frequenza di lavoro elevata legame stretto con C in e Z R (ω 0 ) problema tecnologico: dimensioni elevate MOSFET vs. necessità MOSFET poco conduttivo (serve r ds elevata) problema volumetrico: dimensione fisica componenti elevata problema progettuale: trasformatore con N piccolo per favorire innesco vs. N grande per aumentare v out problema intrinseco: tolleranze e imprecisioni dei processi tecnologici Evoluzione di Nguyen Trasformatore a tre avvolgimenti per ampliare la retroazione positiva