Rectification, amplification and switching capabilities for energy harvesting systems: power management circuit for piezoelectric energy harvester

Abstract

A new energy mechanism needs to be addressed to overcome the battery dependency, and consequently extend Wireless Sensor Nodes (WSN) lifetime effectively. Energy Harvesting is a promising technology that can fulfill that premise. This work consists of the realization of circuit components employable in a management system for a piezoelectric-based energy harvester, with low power consumption and high efficiency. The implementation of energy harvesting systems is necessary to power-up front-end applications without any battery. The input power and voltage levels generated by the piezoelectric transducer are relatively low, especially in small-scale systems, as such extra care has to be taken in power consumption and efficiency of the circuits. The main contribution of this work is a system capable of amplifying, rectifying and switching the unstable signal from an energy harvester source. The circuit components are designed based on 0.13 𝜇𝑚 Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology. An analog switch, capable of driving the harvesting circuit at a frequency between 1 𝐻𝑧 and 1 𝑀𝐻𝑧, with proper temperature behaviour, is designed and verified. An OFF resistance of 520.6 𝑀Ω and isolation of −111.24 𝑑𝐵, grant excellent isolation to the circuit. The designed voltage amplifier is capable of amplifying a minor signal with a gain of 42.56 𝑑𝐵, while requiring low power consumption. The output signal is satisfactorily amplified with a reduced offset voltage of 8 𝜇𝑉. A new architecture of a two-stage active rectifier is proposed. The power conversion efficiency is 40.4%, with a voltage efficiency of up to 90%. Low power consumption of 17.7 𝜇𝑊 is achieved by the rectifier, with the embedded comparator consuming 113.9 𝑛𝑊. The outcomes validate the circuit’s power demands, which can be used for other similar applications in biomedical, industrial, and commercial fields.

Para combater a dependência dos dispositivos eletrónicos relativamente ás baterias é necessário um novo sistema energético, que permita prolongar o tempo de vida útil dos mesmos. Energy Harvesting é uma tecnologia promissora utilizada para alimentar dispositivos sem bateria. Este trabalho consiste na realização de componentes empregáveis num circuito global para extrair energia a partir ds vibrações de um piezoelétricos com baixo consumo de energia e alta eficiência. Os níveis de potência e voltagem gerados pelo transdutor piezoelétrico são relativamente baixos, especialmente em sistemas de pequena escala, por isso requerem cuidado extra relativamente ao consumo de energia e eficiência dos circuitos. A principal contribuição deste trabalho é um sistema apropriado para amplificar, retificar e alternar o sinal instável proveniente de uma fonte de energy harvesting. Os componentes do sistema são implementados com base na tecnologia CMOS com 0.13 𝜇𝑚. Um interruptor analógico capaz de modelar a frequência do sinal entre 1 𝐻𝑧 e 1 𝑀𝐻𝑧 e estável perante variações de temperatura, é implementado. O circuito tem um excelente isolamento de −111.24 𝑑𝐵, devido a uma resistência OFF de 520.6 𝑀Ω. O amplificador implementado é apto a amplificar um pequeno sinal com um ganho de 42.56 𝑑𝐵 e baixo consumo. O sinal de saída é satisfatoriamente amplificado com uma voltagem de offset de 8 𝜇𝑉. Um retificador ativo de dois estágios com uma nova arquitetura é proposto. A eficiência de conversão de energia atinge os 40.4%, com uma eficiência de voltagem até 90%. O retificador consome pouca energia, apenas 17.7 𝜇𝑊, incorporando um comparador de 113.9 𝑛𝑊. Os resultados validam as exigências energéticas do circuito, que pode ser usado para outras aplicações similares no campo biomédico, industrial e comercial.