low-power step-up circuits for energy harvesting

Abstract

A causa del creixement significatiu de la Internet de les coses (IoT), els dispositius portàtils i els sensors de baix consum estan experimentant una demanda exponencial en diverses aplicacions, que van des del monitoratge ambiental fins als sectors de la salut i el benestar. La demanda de dispositius i sensors autoalimentats, juntament amb la necessitat de mètodes de fabricació més econòmics, ràpids i sostenibles, està augmentant. Per a abordar aquests desafiaments, la recerca actual sobre electrònica impresa aplana el camí per al disseny de dispositius de baix cost i flexibles per a aplicacions de recol·lecció d'energia, convertint-se en una tecnologia clau que permet desenvolupar noves aplicacions. La forma principal d'obtenir dispositius autoalimentats és centrar-se en la recol·lecció d'energia a través de fonts d'energia sostenibles, com a termoelèctrica, solar, vibracions, RF, triboelèctrica, etc. En aplicacions de potència prou baixa, aquestes fonts d'energia poden fins i tot eliminar la necessitat de bateries, reduint encara més els costos de fabricació i la contaminació. En aquest treball de tesi, s'explora el procés de disseny d'un circuit recol·lector d'energia que pugui alimentar una aplicació de la vida real, així com els desafiaments i beneficis d'usar electrònica híbrida flexible per a aquesta tasca. El procés s'aborda de manera holística, des de la introducció dels generadors termoelèctrics, fins als convertidors DC-DC i els circuits d'arrencada que conformen el nucli del circuit recol·lector. En conseqüència, aquest treball de tesi presenta el disseny i optimització d'un circuit flexible de *sensado ambiental utilitzant electrònica híbrida flexible. A més, presenta una topologia nova d'oscil·lador autoalimentat, amb un voltatge d'arrencada menor a 10mV i una relació de conversió a l'una amb l'estat de l'art, que pot ser utilitzat com a etapa d'arrencada per a circuits més eficients. Addicionalment, aquest treball introdueix una topologia nova de convertidor DC-DC, dissenyada per a integrar el circuit oscil·lador com la seva etapa d'arrencada, amb un voltatge d'arrencada al voltant de 100mV i la implementació d'un mètode de Seguiment del Punt de Màxima Potència (MPPT) per a una major eficiència, amb un voltatge d'arrencada menor que el de les alternatives comercials. En conclusió, en aquest treball de tesi, es van aconseguir dissenys topològics nous per a la recol·lecció d'energia de baixa potència basats en Generadors Termoelèctrics (TEGs). Els resultats evidencien la importància d'un enfocament holístic des del disseny electrònic fins als processos de fabricació i validació, per a construir sistemes basats en TEG de confiança i eficients, la qual cosa és crucial per a la seva adopció en aplicacions reals.

Debido al crecimiento significativo de la Internet de las cosas (IoT), los dispositivos vestibles y los sensores de bajo consumo están experimentando una demanda exponencial en diversas aplicaciones, que van desde el monitoreo ambiental hasta los sectores de la salud y el bienestar. La demanda de dispositivos y sensores autoalimentados, junto con la necesidad de métodos de fabricación más económicos, rápidos y sostenibles, está aumentando. Para abordar estos desafíos, la investigación actual sobre electrónica impresa allana el camino para el diseño de dispositivos de bajo costo y flexibles para aplicaciones de recolección de energía, convirtiéndose en una tecnología clave que permite desarrollar nuevas aplicaciones. La forma principal de obtener dispositivos autoalimentados es centrarse en la recolección de energía a través de fuentes de energía sostenibles, como termoeléctrica, solar, vibraciones, RF, triboeléctrica, etc. En aplicaciones de potencia suficientemente baja, estas fuentes de energía pueden incluso eliminar la necesidad de baterías, reduciendo aún más los costos de fabricación y la contaminación. En este trabajo de tesis, se explora el proceso de diseño de un circuito recolector de energía que pueda alimentar una aplicación de la vida real, así como los desafíos y beneficios de usar electrónica híbrida flexible para esta tarea. El proceso se aborda de manera holística, desde la introducción de los generadores termoeléctricos, hasta los convertidores DC-DC y los circuitos de arranque que conforman el núcleo del circuito recolector. En consecuencia, este trabajo de tesis presenta el diseño y optimización de un circuito flexible de sensado ambiental utilizando electrónica híbrida flexible. Además, presenta una topología novedosa de oscilador autoalimentado, con un voltaje de arranque menor a 10mV y una relación de conversión a la par con el estado del arte, que puede ser utilizado como etapa de arranque para circuitos más eficientes. Adicionalmente, este trabajo introduce una topología novedosa de convertidor DC-DC, diseñada para integrar el circuito oscilador como su etapa de arranque, con un voltaje de arranque alrededor de 100mV y la implementación de un método de Seguimiento del Punto de Máxima Potencia (MPPT) para una mayor eficiencia, con un voltaje de arranque menor que el de las alternativas comerciales. En conclusión, en este trabajo de tesis, se lograron diseños topológicos novedosos para la recolección de energía de baja potencia basados en Generadores Termoeléctricos (TEGs). Los resultados evidencian la importancia de un enfoque holístico desde el diseño electrónico hasta los procesos de fabricación y validación, para construir sistemas basados en TEG confiables y eficientes, lo cual es crucial para su adopción en aplicaciones reales.

Due to the significant growth of the Internet of Things (IoT), wearable devices and low-power sensors are experiencing exponential demand across various applications, ranging from environmental monitoring to the healthcare and wellness sectors. The demand for self-powered devices and sensors, along with the need for cheaper, faster, and more sustainable fabrication methods, is rising. To tackle these challenges, the current research on printed electronics paves the way for the design of low-cost and flexible devices for harvesting applications, becoming a key enabling technology to develop new applications. The primary way to obtain self-powered devices is to focus on energy harvesting through sustainable power sources, like thermoelectric, solar, vibrations, RF, triboelectric, etc. In sufficiently low-power applications, these energy sources may even eliminate the need for batteries, reducing even more fabrication costs and pollution. In this thesis work, the process of designing an energy harvester that can power a real-life application is explored, as well as the challenges and benefits of using flexible hybrid electronics for this task. The process is addressed holistically, from the introduction of thermoelectric generators, to the DC-DC converters and startup circuits that conform the core of the harvester circuit. Consequently, this thesis work presents the design and optimization of a flexible environmental sensing circuit using flexible hybrid electronics. Furthermore, it presents a novel self-powered oscillator topology, with a startup voltage lower than 10mV and a conversion ratio on-par with the state of the art, which can be used as a startup stage for more efficient circuits. Additionally, this work introduces a novel DC-DC converter topology, designed to integrate the oscillator circuit as its startup stage, with a startup voltage around 100mV and the implementation of a Maximum Power Point Tracking (MPPT) method for greater efficiency, improving over the startup voltage of commercial alternatives. In conclusion, in this thesis work, novel topological designs for low-power energy harvesting based in Thermoelectric Generators (TEGs) were accomplished. The results evidence the importance of a holistic approach from electronic design to manufacturing and validation setups, to build reliable and efficient TEG based systems, which is crucial for their adoption in real applications.