Dise ˜no de Sistemas Integrados
de Recolecci´on de Energ´ıa
Por
Jonathan Santiago Fern´andez
Tesis sometida como requisito parcial para
obtener el grado de:
MAESTR´IA EN CIENCIAS EN LA
ESPECIALIDAD DE ELECTR ´
ONICA
en el
Instituto Nacional de Astrof´ısica, ´
Optica y
Electr´onica
Noviembre 2018
Tonantzintla, Puebla
Supervisada por:
Dr. Alejandro D´ıaz Sanchez, INAOE
Dr. Gregorio Zamora Mej´ıa, BUAP
c
INAOE 2018
El autor otorga al INAOE el permiso de reproducir y distribuir copias en su totalidad o en partes de esta tesis.
Dise˜
no de Sistemas Integrados de
Recolecci´
on de Energ´ıa
Tesis de Maestr´
ıa
Por:
Jonathan Santiago Fern´
andez
Supervisada por:
Dr. Alejandro D´ıaz Sanchez, INAOE Dr. Gregorio Zamora Mej´ıa, BUAP
Instituto Nacional de Astrof´ısica ´Optica y Electr´onica
Coordinaci´on de Electr´onica
i
“Un hombre es solamente el producto de sus pensamientos” Mahatma Gandhi
ii
Agradecimientos
A mis padres, que me han ense˜nado a ser siempre una persona de bien y honesta, me han apoyado en los tiempos dif´ıciles y me han acompa˜nado en los tiempos buenos gui´andome con su sabio consejo toda mi vida. Todos mis logros en la vida
son suyos tambi´en, los amo.
A mis hermanos, quienes siempre han acompa˜nado mi vida llen´andola de alegr´ıas y bienestar. Muchas gracias por ser ademas de mis hermanos mis m´as queridos
amigos en la vida, para ustedes es siempre mi amor.
A Janeth, por tu amor incondicional, por apoyarme en mis decisiones, llenar mi vida de dicha y ser mi compa˜nera a trav´es de mi vivir. Eres la luz de mis ojos, te
amo.
A mis asesores, Dr. Alejandro D´ıaz Sanchez, Dr. Jos´e Miguel Rocha P´erez y Dr. Gregorio Zamora Mej´ıa muchas gracias por compartir su experiencia y conocimiento
conmigo, gracias por su paciencia y por brindarme su m´as sincera amistad. A mis compa˜neros y amigos les agradezco su apoyo, muchas gracias a esas personas que siendo ajenas a la familia me brindaron su confianza y amistad, sin duda se han
ganado un lugar muy especial en mi coraz´on.
Gracias al CONACyT por brindarme el apoyo de financiar mis estudios a trav´es de la beca #450811. De igual modo al INAOE por por darme la oportunidad de realizar
mi posgrado en sus instalaciones y contribuir con mi desarrollo acad´emico. Y por ´ultimo y no menos importante, gracias a Dios por su infinita compasi´on y misericordia, porque sin ´el no ser´ıa nada, gracias Dios por la vida, las bendiciones y
por la fuerza para poder superar las adversidades. De lo grande de tu fe en Dios ser´an las bendiciones en tu vida.
Jonathan Santiago Fern´andez
iii
Resumen
Los avances alcanzados por el estudio de la recolecci´on de energ´ıa han llegado al punto en el que es posible desarrollar de sistemas microelectr´onicos que pueden ser alimentados por la energ´ıa extra´ıda de fuentes naturales o prevalentes que se encuentran en el entorno humano. Sin embargo, la cantidad de energ´ıa que se puede obtener de estas fuentes es limitada, es por esto que los sistemas de administraci´on de potencia para los recolectores de energ´ıa deben ser planeados para que su consumo sea bajo sin afectar de sobremanera su eficiencia de conversi´on y su tiempo de arranque. El empleo de t´ecnicas de dise˜no en sub-umbral hace posible que los circuitos que componen a un sistema integrado operen utilizando corrientes de polarizaci´on que se encuentran en el orden de los nanoamperes, y a su vez, conservan su rendimiento y su alta capacidad de integraci´on. Dentro de los problemas que surgen al usar estas t´ecnicas de dise˜no se encuentra que se obtienen transistores de gran tama˜no para poder manejar las capacidades de corriente en sub-umbral, trayendo a su vez como consecuencia que aumente las capacitancias par´asitas resultando en un compromiso entre velocidad de respuesta y consumo de potencia. Adem´as de que se requiere que el sistema sea capaz de obtener una alta eficiencia de conversi´on y una resistencia a condiciones de operaci´on adversas para su aplicaci´on pr´actica.
Para el desarrollo de sistemas integrados de recolecci´on de energ´ıa es necesario que estos sean capaces de entregar una corriente continua y estable a su salida para asistir al suministro de energ´ıa en los sistemas microelectr´onicos modernos. A su vez, estos bloques deben ser compatibles con los procesos de fabricaci´on CMOS est´andares para garantizar su capacidad emigraci´on hacia tecnolog´ıas nanom´ericas y sub-nanom´etri-cas.
El sistema presentado en este trabajo est´a compuesto por un circuito rectificador, un limitador de voltaje, una referencia de corriente y voltaje resistente a variaciones de temperatura y por ´ultimo de un regulador de voltaje LDO. El sistema opera dentro de un rango de frecuencias de 50Hza 20KHz, en un rango de temperatura de 200oC,
con un consumo de potencia total 1.16µW y una eficiencia de conversi´on de 94.98 %. Las simulaciones y el layout fueron realizados utilizando una tecnolog´ıa de 0.5µm
CMOS est´andar deON Semiconductor➤ ocupando un ´area de 756.2µm x 987.4µm.
iv
Abstract
The energy harvesting breakthroughs have reached a point where has become pos-sible to develop microelectronic systems, able to be supplied by the energy obtained from natural or prevalent sourced in the human environment. However, the energy amount that can be obtained from this sources is limited, hence, the energy harves-ting power administration systems must be planned, so their energy consumption is low, without affecting their conversion efficiency and their start-up time.
The usage of subthreshold design techniques makes it possible for circuits that involve an integrated system to operate using polarization currents that is in the nanoamperes order, therefore, they keep their performance and high integration ca-pability. Among the problems that arise by using these design techniques is getting large transistors to be able to handle subthreshold current capacities, carrying as a consequence the increase of parasite capacitance, undermining the speed of response and the power consumption. Besides requiring the system being able to obtain a high conversion efficiency and a resistance to hostile operation conditions for its practical implementation.
For the energy harvesting integrated systems development, it’s necessary for these to be able to deliver a continuous and stable current at its output to help the energy supply in modern microelectronic systems. At the same time, these blocks must be compatible with standard CMOS manufacturing processes, to guarantee their emi-gration capacity towards nanometric and sub-nanometric technologies.
The presented system in this work it’s integrated by a rectifier circuit, a voltage limiter, a current and voltage reference resistant to temperature variations, and a LDO voltage regulator. The system is capable of operate within a frequency range of 50Hzto 20KHz, a temperature range of 200oC, with a total power intake of 1.16µW
and a 94.98 % conversion efficiency. The simulations and layout were made using an ON Semiconductor➤ 0.5µm standard CMOS technology, occupying a 756.2µm x 987.4µm area.
Tabla de Contenido
Lista de Figuras VII
Lista de Tablas XI
1. Introducci´on 1
1.1. Sistemas de recolecci´on de energ´ıa . . . 3
1.2. Motivaci´on . . . 6
1.3. Planteamiento del problema . . . 7
1.4. Objetivos . . . 9
1.5. Hip´otesis . . . 9
1.6. Estructura de la tesis . . . 10
2. Estado del arte 11 2.1. Modelos electromec´anicos de recolectores piezoel´ectricos . . . 16
2.2. Rectificadores CMOS . . . 21
2.3. Sistemas de administraci´on de potencia . . . 34
2.4. Conclusiones . . . 40
3. Filosof´ıa de dise˜no 43 3.1. Diagrama a bloques del sistema propuesto . . . 44
3.2. Flujo de dise˜no del sistema . . . 48
4. Dise˜no del Sistema de Recolecci´on de Energ´ıa 51 4.1. Modelo el´ectrico del generador piezoel´ectrico . . . 51
4.1.1. Dise˜no y simulaci´on . . . 51
4.1.2. An´alisis de eficiencia energ´etica . . . 54
4.2. Dise˜no del “Cross-coupled Rectifier” . . . 55
vi TABLA DE CONTENIDO
4.2.1. C´alculo de la impedancia del recolector piezoel´ectrico . . . 56
4.2.2. Dise˜no y simulaci´on del Circuito rectificador CMOS . . . 58
4.3. Dise˜no del circuito Limitador de Voltaje . . . 64
4.3.1. An´alisis en estado est´atico . . . 64
4.3.2. Velocidad de respuesta . . . 66
4.3.3. Dise˜no y simulaci´on . . . 66
4.4. Dise˜no de la Referencia de Corriente y Voltaje . . . 68
4.4.1. An´alisis est´atico del n´ucleo de la Referencia de Corriente . . . 69
4.4.2. An´alisis est´atico de la referencia de Voltaje . . . 74
4.4.3. Dise˜no, simulaci´on y desempe˜no . . . 76
4.5. Dise˜no del regulador de voltaje . . . 83
4.5.1. Regulador propuesto . . . 84
4.5.2. Estudio de un regulador no compensado . . . 85
4.5.3. Modelo del regulador compensado . . . 87
4.5.4. Dise˜no, simulaci´on y caracter´ısticas de desempe˜no . . . 89
5. Simulaci´on “Post-Layout” del sistema integrado recolector de energ´ıa 95 5.1. Integraci´on del patr´on geom´etrico del sistema . . . 95
5.2. Simulaci´on transitoria sistema completo . . . 97
5.3. Eficiencia de conversi´on . . . 99
6. Conclusiones y trabajo futuro 101 6.1. Aportaci´on principal . . . 102
6.2. Trabajo futuro . . . 103
Bibliograf´ıa 105
Lista de Figuras
1.1. Reducci´on de tama˜no en sistemas electr´onicos integrados. . . 2
1.2. Distribuci´on de energ´ıa de un sistema integrado. . . 3
1.3. Principales fuentes para la recolecci´on de energ´ıa. . . 5
2.1. Efecto piezoel´ectrico. . . 12
2.2. Material piezoel´ectrico operando en a) Modod33, b) En modod31➲y c) En modo d15. . . 13
2.3. Diferentes usos de los materiales piezoel´ectricos en la actualidad. . . 14
2.4. Dos capas piezoel´ectricas montadas en la configuraci´on cantilever. . . 15
2.5. Modelo masa-resorte de recolectores piezoel´ectricos. . . 16
2.6. Circuito equivalente no acoplado del recolector piezoel´ectrico. . . 19
2.7. Circuito acoplado electromec´anicamente equivalente de un recolector piezoel´ectrico. . . 20
2.8. Circuito equivalente electromec´anico simplificado del recolector piezo-el´ectrico. . . 21
2.9. Rectificador CMOS convencional. . . 23
2.10. Caracter´ısticas I-V del transistor MOS conectado como diodo. . . 24
2.11. Circuito rectificador CMOS de auto cancelaci´on de V th. . . 25
2.12. Rectificador de onda completa propuesto [49] con bajo voltaje de drop−out. . . 27
2.13. Diagrama de circuito del convertidor de voltaje negativo. . . 27
2.14. Diagrama de circuito del diodo activo propuesto [55] con comparador y transistor de interruptor MP. . . 29
2.15. Esquem´aticos de rectificadores CMOS diferenciales. . . 31
2.16. Caracter´ısticas I-V de un transistor NMOS conectado como diodo. . 32
2.17. Rectificador formado conectando N celdas rectificadoras en serie. . . 33
viii LISTA DE FIGURAS
2.18. Arquitectura del sistema de interfaz de recolecci´on de energ´ıa piezo-el´ectrica para detecci´on de temperatura dentro del chip. . . 34 2.19. Diagrama a bloques del circuito integrado desarrollado en [60]. . . . 35 2.20. Resumen del sistema desarrollado en [61]. . . 37 2.21. Un bloque de construcci´on t´ıpico de un sistema de manejo de energ´ıa
piezoel´ectrica. . . 38 2.22. Arquitectura del ASIC reportado en [62]. . . 38 2.23. Diagrama de bloques del circuito de interfaz para la recolecci´on de
energ´ıa piezoel´ectrica propuesto en [63]. . . 39
3.1. Representaci´on de Filosof´ıa de dise˜no. . . 43 3.2. Diagrama a bloques del sistema integrado de recolecci´on de energ´ıa
propuesto. . . 47 3.3. Diagrama de flujo de dise˜no del sistema integrado de recolecci´on de
energ´ıa propuesto. . . 50
4.1. Modelo el´ectrico del recolector piezoel´ectrico implementado. . . 53 4.2. Respuesta en el tiempo del modelo el´ectrico del recolector piezoel´ectrico
implementado. . . 54 4.3. An´alisis de eficiencia energ´etica para el modelo del recolector
piezo-el´ectrico implementado. . . 55 4.4. Consideraciones para m´axima transferencia de potencia entre el
reco-lector piezoel´ectrico y el circuito rectificador. . . 56 4.5. Circuito para el calculo de la ZInRect. . . 56
4.6. Comportamiento de la parte real e imaginaria de la impedancia de entrada del circuito rectificador. . . 58 4.7. Rectificador CMOS que se desea implementar. . . 59 4.8. Circuito equivalente de recolector piezoel´ectrico, circuito rectificador y
carga del sistema. . . 60 4.9. Circuito equivalente de transferencia de potencia. . . 60 4.10. Transformada de Fourier de la se˜nal Vp. . . 62
4.11. Eficiencia de conversi´on del circuito rectificador CMOS al variar las dimensiones de los transistores. . . 62 4.12. Se˜nales de entrada y salida para el Rectificador CMOS. . . 63 4.13. Circuito limitador de voltaje a implementar. . . 65
LISTA DE FIGURAS ix
4.14. Circuito para calcular la velocidad de respuesta del Circuito limitador de voltaje. . . 66 4.15. Se˜nal de salida del Circuito limitador de voltaje con respecto a la
co-rriente de entrada. . . 67 4.16. Referencia de voltaje de primer orden en modo corriente. . . 68 4.17. Esquem´atico de la referencia de corriente a implementar. . . 70 4.18. Referencia de voltaje de primer orden en modo corriente que se desea
implementar. . . 74 4.19. An´alisis transitorio de la referencia de corriente y voltaje. . . 78 4.20. Circuito de arranque a implementar. . . 79 4.21. An´alisis transitorio de la referencia de corriente y voltaje con circuito
de arranque. . . 80 4.22. PSRR de la referencia de voltaje de primer orden en modo corriente. 81 4.23. An´alisis en DC de la referencia de corriente y voltaje. . . 82 4.24. An´alisis de temperatura de la referencia de corriente y voltaje. . . 83 4.25. Diagrama a bloques de un regulador de voltaje LDO convencional. . 84 4.26. Esquem´atico del regulador de voltaje a implementar. . . 85 4.27. An´alisis en AC de lazo abierto con carga y sin carga del regulador de
voltaje no compensado. . . 86 4.28. Regulaci´on de carga en transitorio del regulador de voltaje no
compen-sado. . . 86 4.29. Modelo de peque˜na se˜nal del regulador LDO implementado. . . 87 4.30. An´alisis en AC de lazo abierto con carga y sin carga del regulador de
voltaje compensado. . . 90 4.31. Simulaci´on est´atica de linea del regulador de voltaje compensado. . . 91 4.32. Regulaci´on de carga est´atica del regulador de voltaje compensado. . 91 4.33. Regulaci´on de l´ınea en transitorio del regulador de voltaje compensado. 92 4.34. Regulaci´on de carga en transitorio del regulador de voltaje
compensa-do. . . 93 4.35. PSRR del regulador de voltaje compensado. . . 93
5.1. Patr´on geom´etrico del chip donde se integr´o el sistema completo. . . 96 5.2. Simulaci´on transitoria del sistema integrado de recolecci´on de energ´ıa
completo. . . 97
x LISTA DE FIGURAS
5.3. Simulaci´on transitoria de las se˜nales de corriente generadas por el sis-tema integrado de recolecci´on de energ´ıa. . . 98
Lista de Tablas
4.1. Descripci´on de la nomenclatura del recolector piezoel´ectrico a modelar. 52 4.2. Par´ametros del material y del recolector piezoel´ectrico . . . 52 4.3. Dimensiones de los elementos del Rectificador CMOS . . . 63 4.4. Dimensiones de los elementos del Circuito limitador de voltaje . . . . 67 4.5. Dimensiones de los elementos de la referencia de corriente y voltaje . 77 4.6. Elementos que integran al circuito de arranque . . . 79 4.7. Especificaciones para el regulador de voltaje LDO . . . 85 4.8. Elementos que componen al regulador de voltaje LDO dise˜nado . . . 89
xii LISTA DE TABLAS
Cap´ıtulo 1
Introducci´
on
Desde sus or´ıgenes, una de las tendencias m´as importantes en el dise˜no de sis-temas electr´onicos es la reducci´on de su tama˜no a expensas de incrementar su fun-cionalidad. Hoy en d´ıa existe una gran cantidad de dispositivos port´atiles los cuales permiten a los usuarios reproducir m´usica, video, videojuegos, monitoreo m´edico. A su vez, estos dispositivos son capaces de comunicarse de forma inal´ambrica y realizar c´alculos en cualquier momento debido a la interacci´on que tienen con la nube. En los pr´oximos a˜nos, se pronost´ıca la evolucion de un conjunto de nuevos dispositivos los cuales permitir´an la proyecci´on de hologramas, almacenamiento de datos de super alta velocidad, computaci´on en la nube, realidad virtual, etc., [1]. Por otro lado, es-ta necesidad de reducci´on de es-tama˜no ha llevado a una nueva tendencia del mercado llamada “wearables” (sistemas usables), donde las capacidades de detecci´on, comuni-caci´on inal´ambrica y telemetr´ıa estar´an integradas en objetos cotidianos como relojes, ropa, lentes de sol, zapatos, etc.
Teniendo en cuenta el crecimiento actual, la demanda, y las necesidades de dis-minuir el consumo de potencia en los dispositivos port´atiles, es necesario desarrollar un conjunto de estrategias y esquemas los cuales permitan implementar tecnolog´ıas de alta velocidad compatibles con tecnolog´ıas de baja velocidad; la principal diferen-cia entre ambas radica en el consumo de potendiferen-cia. Por otra parte, otro desaf´ıo es comprender el mercado actual, en el cual los ingenieros en dise˜no electr´onico tienen que ser capaces de pronosticar las tendencias tecnol´ogicas que requiere la sociedad en los pr´oximos a˜nos para predecir y dise˜nar nuevas estrategias de investigaci´on y comercializaci´on, [2].
Todos los sistemas basados en microelectr´onica moderna necesitan una fuente de alimentaci´on. El tama˜no de los circuitos electr´onicos y la cantidad de energ´ıa necesaria para efectuar una operaci´on se han reducido significativamente durante las
4 1. Introducci´on
ejemplo, turbinas e´olicas, sistemas de energ´ıa de las olas, campos de paneles solares, etc. De esta manera se puede hablar de recolecci´on de energ´ıa en macroescala, siendo esta la mejor conocida por el p´ublico en general, pero la importancia de recuperar energ´ıa en una microescala es mucho mayor. Por extracci´on de energ´ıa en microescala se entiende como la recuperaci´on de energ´ıa que var´ıa en el rango de nanowatts a miliwatts, [9]. Notoriamente, el inter´es de acercarse a estos niveles de recuperaci´on depende en gran medida del campo de aplicaci´on, un claro ejemplo es el campo de los productos de consumo port´atiles.
Una de las metas fundamentales de la recolecci´on de energ´ıa es suprimir la ne-cesidad de bater´ıas en todos los dispositivos electr´onicos port´atiles, al energizarlos mediante fuentes de energ´ıa como el movimiento, la diferencia de temperatura, la luz ambiental disponible o las ondas electromagn´eticas presentes en el entorno. Sin embargo, debido a que los sistemas de recolecci´on de energ´ıa desarrollados hasta el momento tienen una baja eficiencia de conversi´on energ´etica, solo una gama de dis-positivos pueden ser energizados utilizando estas fuentes. Dichos disdis-positivos deben tener la caracter´ıstica de ser de ultra bajo consumo. En las aplicaciones existentes, podemos hablar de recuperaci´on a microescala cuando nos referimos a sensores inte-ligentes capaces de autocargarse y poder transmitir informaci´on desde el campo a un centro de comunicaci´on remota, [10].
Existen varias fuentes para la recolecci´on de energ´ıa en el medio ambiente, Figura 1.3. El tipo de fuente como el tipo de elemento de conversi´on determinan los niveles admisibles de energ´ıa recuperable, as´ı como los campos de aplicaci´on. Entre las fuentes m´as utilizadas para la extracci´on de energ´ıa se pueden citar las vibraciones [11], calor [12], luz [13] y radiofrecuencia [14]. La energ´ıa disponible por unidad de ´area o volumen para cada una de estas fuentes depende en gran medida del tama˜no, las condiciones de operaci´on y las tecnolog´ıas de fabricaci´on, [9]. A continuaci´on, se detallan las fuentes m´as comunes y sus caracter´ısticas de rendimiento:
6 1. Introducci´on
Radiofrecuencia:Las principales fuentes de recolecci´on de energ´ıa mediante on-das de radiofrecuencia son las redes GSM con una densidad de potencia de alrededor de 4µW/cm3
y la red WiFi con densidades de potencia t´ıpicas de 1 µW/cm3
. Estas densidades dependen en gran medida de la frecuencia de operaci´on de las redes y la distancia entre la fuente y el receptor, [21].
Calor:Entre las m´as fuentes importantes para la obtenci´on de energ´ıa apartir del calor se encuentran las generadas por la actividad humana y el generado por activi-dades industriales. La primera presenta densiactivi-dades de potencia de 25-60µW/cm2, el
´
ultimo alcanza valores de 10µW/cm2
. El medio de transducci´on m´as utilizado es el generador termoel´ectrico (TEG) con el que ha sido posible aprovechar las densidades de potencia de hasta 60 µW/cm2
como resultado de las actividades humanas, [22].
1.2.
Motivaci´
on
En las ´ultimas d´ecadas el campo de la recolecci´on de energ´ıa se ha vuelto cada vez m´as importante, como lo demuestra el aumento en las publicaciones y prototipos de productos. Se han publicado varios art´ıculos de revisi´on sobre el tema que cubren una amplia variedad de mecanismos y t´ecnicas [23, 24]. Al mismo tiempo, se han concebido diversas aplicaciones para recolectores de energ´ıa que cubren una gran gama de componentes para uso general y especializado. De estas diferentes aplicaciones, el uso sobresaliente para los recolectores es alimentar nodos inal´ambricos de sensado.
Como ya se ha mencionado, entre las principales fuentes de energ´ıa para la reco-lecci´on, la luz ambiental y las vibraciones mec´anicas. La luz ambiental en exteriores cuenta con una densidad de potencia de 10mW/cm2 que es aproximadamente de
dos ´ordenes de magnitud mayor que otras fuentes. Por otra parte las vibraciones mec´anicas son una de las alternativas m´as atractivas, al grado de que es un campo relativamente bien establecido con varios art´ıculos de revisi´on que ya han aparecido en el literatura [25, 26].
De acuerdo con los trabajos presentados en [27, 28, 29], la recolecci´on de energ´ıa piezoel´ectrica es el m´etodo de recolecci´on m´as ampliamente investigado debido a su facilidad de aplicaci´on y a su alta densidad de potencia. Como ventaja se tiene se puede mencionar que los niveles de los voltajes de salida son altos y no requieren circuitos de elevaci´on de voltaje. A su vez esta t´ecnica de recoleccion de energ´ıa se ve impulsada por los m´etodos de fabricaci´on relativamente maduros de pel´ıculas delgadas
1.3 Planteamiento del problema 7
y pel´ıculas gruesas [30, 31] que se pueden usar para fabricar dispositivos a diferentes escalas geom´etricas.
Otra de las ventajas significativas del estudio de la recolecci´on de energ´ıa en microescala es que, a diferencia de la recolecci´on en macroescala, esta no modifica significativamente el entorno en donde se aplica. Como ejemplo se tienen las presas hidroel´ectricas, turbinas e´olicas, turbinas acu´aticas, los campos de paneles solares, por mencionar algunos, los cuales alteran el ambiente en el que son implementados. Pon-gamos por caso las presas hidroel´ectricas, las cuales cambian el caudal del r´ıo teniendo como consecuencia la presencia de inundaciones en lugares donde anteriormente no exist´ıan, aniquilando la flora y la fauna del entorno. Por el contrario implementar un sistema de recolecci´on de energ´ıa en microescala no modifica el entorno al ser sistemas diminutos que se colocan en lugares convenientes para su aplicaci´on.
La motivaci´on fundamental de esta tesis es incursionar en un ´area de investigaci´on que plantea una nueva soluci´on para satisfacer la demanda actual y futura de energ´ıa por parte de la poblaci´on. Al integrar sistemas de recolecci´on de energ´ıa a los disposi-tivos electr´onicos se generan dos nuevas tendencias para mejorar el desempe˜no de los mismos. La primera se basa en incrementar el n´umero de funciones que puede realizar un dispositivo electr´onico con la misma cantidad de energ´ıa que aporta la bater´ıa, ya que el consumo requerido por las caracter´ısticas a˜nadidas puede ser suministrado por los recolectores. Por otra parte, se puede mantener el mismo n´umero de funciones y utilizar la energ´ıa extra´ıda por el recolector para extender la vida ´util de la bater´ıa, incrementando la portabilidad en los dispositivos.
La necesidad de desarrollar nuevos dispositivos port´atiles capaces de autoalimen-tarse funge como una de las principales motivaci´ones para el desarrollo de un nuevo sistema que aproveche la energ´ıa el´ectrica extra´ıda por el movimiento a trav´es de un generador piezoel´ectrico con una alta eficiencia de conversi´on para su aplicaci´on pr´actica en el campo de monitoreo m´edico y sensores inal´ambricos.
1.3.
Planteamiento del problema
El uso de bater´ıas para dispositivos electr´onicos port´atiles hace presente un ciclo constante de carga y descarga entre usos que requieren la intervenci´on humana y la necesidad de conectar el dispositivo a una toma de corriente. Adem´as de esto, la carga y descarga constante de bater´ıas provoca el desgaste de las celdas que las componen,
8 1. Introducci´on
propiciando el reemplazo de las mismas y dando lugar a la generaci´on de residuos no reciclables y t´oxicos que da˜nan el medio ambiente. Este problema se puede disminuir al prolongar la vida ´util de las bater´ıas mediante la implementaci´on de sistemas de recolecci´on de energ´ıa los cuales suministren energ´ıa a la bater´ıa haciendo posible prescindir de su mantenimiento contante.
Uno de los principales desaf´ıos en el campo del desarrollo de recolectores de energ´ıa es dise˜nar sistemas de distribuci´on de potencia que sean altamente eficientes al dis-minuir el consumo de energ´ıa de los mismos. Debido a que las densidades de potencia disponibles para la recolecci´on de energ´ıa por movimiento son del orden de los micro-watts, es imperativo aprovechar al m´aximo la energ´ıa disponible. Una soluci´on para maximizar la eficiencia de conversi´on de energ´ıa es implementar sistemas fabricados tecnolog´ıas CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor por sus siglas en ingl´es). Sin embargo, estos sistemas a veces est´an compuestos por bloques complejos y que consumen demasiada energ´ıa. Lo ideal es dise˜nar un sistema sencillo que est´a generalmente conformado por circuitos con una cantidad peque˜na de componentes electr´onicos lo cual se traduce a un bajo consumo de potencia.
Al utilizar un sistema de recolecci´on de energ´ıa completamente CMOS se tiene la ventaja de que se reducen las capacitancias par´asitas del sistema debido a que se tiene una alta integraci´on. Sin embargo, es indispensable que el sistema tenga la capacidad de responder de manera r´apida a los impulsos generados por el recolector lo cual genera una restricci´on en el dise˜no, lo cual se debe a que los sistemas r´apidos tienen un mayor consumo energ´etico.
Por otra parte, es posible utilizar estos sistemas en el campo industrial colocando el sistema de recolecci´on de energ´ıa en estructuras r´ıgidas, suaves y el´asticas que a su vez producen movimiento. Un ejemplo de entornos de aplicaci´on son los barcos, contenedores, carcasas de ventiladores, escaleras mec´anicas y elevadores en lugares p´ublicos. En consecuencia, la energ´ıa que se produce intr´ınsecamente a partir de actividades humanas puede utilizarse como suministro en sistemas de bajo consumo que realicen operaciones de detecci´on, control y procesamiento de datos.
1.4 Objetivos 9
1.4.
Objetivos
Objetivo general
Modelar y simular un sistema integrado de recolecci´on de energ´ıa piezoel´ectrico el cual maximice la eficiencia de conversi´on energ´etica entregando a su salida un voltaje regulado y estable ante variaciones de temperatura. El sistema ser´a implementado en la tecnolog´ıa de fabricaci´on CMOS de 0.5µm.
Objetivos espec´ıficos
• Investigar el estado del arte de recolectores piezoel´ectricos.
• Efectuar una b´usqueda de un modelo mec´anico el´ectrico para el recolector de energ´ıa piezoel´ectrico.
• Proponer una arquitectura para el manejo de potencia adecuado.
• Minimizar el consumo de corriente por rama en cada uno de los bloques a implementar.
• Maximizar la transferencia de carga en el circuito rectificador del sistema.
• Dise˜nar una referencia de corriente y voltaje la cual no exceda un consumo de potencia de 350nW.
• Establecer estrategias de dise˜no para un regulador de voltaje LDO de bajo consumo de potencia.
• Elaborar un diagrama de flujo de dise˜no para el sistema de manejo de potencia.
• Verificar el funcionamiento del sistema.
1.5.
Hip´
otesis
Implementando t´ecnicas de dise˜no en sub-umbral se espera que sea posible dis-minuir el consumo de potencia de un sistema de administraci´on de energ´ıa para un recolector piezoel´ectrico, ya que disminuyendo la corriente de operaci´on de las ramas
10 1. Introducci´on
de cada circuito que compone el sistema tendr´a como consecuencia que el consumo general de corriente del sistema se vea disminuido y en consonancia su consumo de potencia. Esta disminuci´on en la corriente debe ser tal que el sistema sea capaz de operar en el ancho de banda del recolector piezoel´ectrico. El sistema ser´a dise˜nado en tecnolog´ıa CM OS de 0.5µm debido a que se pueden lograr transconductancias mayores que en tecnolog´ıas con una longitud de canal menor. A su vez, esta tecno-log´ıa presenta fugas de corriente menores lo cual propicia a un menor desperdicio de la energ´ıa disponible a utilizar. El sistema de recolecci´on de energ´ıa debe ser capaz de entregar a su salida un voltaje regulado.
1.6.
Estructura de la tesis
El presente trabajo se organiza como se muestra a continuaci´on: En el Cap´ıtulo 2 se presenta una breve revisi´on al estado de arte de los recolectores piezoel´ectricos, rectificadores CMOS y sistemas de manejo de potencia con el fin de seleccionar una topolog´ıa ´optima del sistema a desarrollar. En el Cap´ıtulo 3 se presentan los puntos claves para el dise˜no del sistema, se presenta un diagrama a bloques y el flujo de dise˜no para ilustrar mejor el proceso de dise˜no que se llevar´a a cabo. Posteriormente, el dise˜no, an´alisis y simulaci´on “Post-Layout”de los bloques que componen el siste-ma (rectificador, referencia de corriente y voltaje, regulador de voltaje LDO (Low Drop-Out por sus siglas en ingl´es), circuito de arranque, limitador de voltaje) ser´a abordado dentro del Cap´ıtulo 4 con la finalidad de exponer los puntos esenciales en el proceso de dise˜no del sistema. Despu´es, en el Cap´ıtulo 5 se presentan las simulacio-nes “Post-Layout”del sistema completo con la intenci´on de comparar los resultados obtenidos con los resultados del dise˜no. Finalmente, en el Cap´ıtulo 6 se presentan las conclusiones de la investigaci´on realizada y el trabajo a futuro propuesto.
Cap´ıtulo 2
Estado del arte
El efecto piezoel´ectrico fue descubierto por los hermanos Pierre y Jacques Curie en el a˜no 1880. Este fen´omeno se produce cuando un material piezoel´ectrico es sometido a un estr´es mec´anico (tensi´on o compresi´on) dando como resultado la acumulaci´on de carga el´ectrica en los electrodos de la superficie del material. Un a˜no despu´es, en 1881, Gabriel Lippmann descubre que al aplicar una diferencia de potencial el´ectrica aplica-da entre los electrodos de un material piezoel´ectrico, este se deforma mec´anicamente; este fen´omeno se conoce como efecto piezoel´ectrico inverso, [32, 33].
La piezoelectricidad es una forma de acoplamiento entre los comportamientos mec´anicos y el´ectricos de algunos materiales; los materiales que exhiben dicho efec-to se denominan materiales piezoel´ectricos. Ciertas estructuras cristalinas tienen un balance de carga con polarizaci´on negativa y positiva, que se neutralizan a lo largo del eje polar imaginario. Cuando este equilibrio de carga es perturbado con una ten-si´on mec´anica externa sobre la superficie del cristal, la energ´ıa es transferida por los portadores de carga creando una corriente sobre el mismo, [34]. En la Figura 2.1 se ilustra el efecto piezoel´ectrico.
Modos de operaci´
on de los recolectores piezoel´
ectricos
De acuerdo con [35, 36], existen tres modos de operaci´on en los que un recolector piezoel´ectrico puede generar energ´ıa, los cuales est´an relacionados con los tres ele-mentos independientes dentro del tensor de acoplamiento piezoel´ectrico d (d15, d31 y d33). Sin embargo, dado que el modo de operaci´on d15 est´a relacionado con el estr´es
cortante y no es pr´actico para la recolecci´on de energ´ıa, nos centraremos en los mo-dos d33 y d31. La Figura 2.2 ilustra los modos d33 y d31, en los cuales los recolectores
piezoel´ectricos son m´as utilizados. En el coeficiente dij, primer sub´ındicei nos indica
2.1 Modelos electromec´anicos de recolectores piezoel´ectricos 17
Tal sistema se caracteriza por una frecuencia natural o frecuencia angular reso-nante ωn dada por:
ωn =
p
k/m (2.1.2)
en casos pr´acticosωn debe coincidir con la frecuencia angular de excitaci´on ambiental
ωex expresada. Cuando ambas frecuencias coinciden se dice que el recolector est´a
en resonancia y entrega la m´axima potencia a su salida, es por eso que uno de los par´ametros de caracterizaci´on m´as importante para un recolector piezoel´ectrico es su frecuencia de resonancia. Para este tipo de modelado todas estas frecuencias son medidas enrad/s.
Existen otros modelos mec´anicos en donde emplean las ecuaciones de la viga de Euler-Bernoulli para describir el comportamiento mec´anico de los recolectores pie-zoel´ectricos. En [33] se realiza este tipo de modelado mec´anico y a trav´es de este llegan al modelo el´ectrico del recolector piezoel´ectrico, sin embargo, es posible llegar al modelado el´ectrico del recolector mediante el modelo del sistema masa-resorte uti-lizando modelos de acoplamiento electromec´anico empleado el factor de acoplamiento piezoel´ectrico.
El factor de acoplamiento piezoel´ectrico es un par´ametro importante porque es una medida para la parte de energ´ıa mec´anica aplicada que se convierte en energ´ıa el´ectrica, es decir, la raz´on de energ´ıa mec´anica entre energ´ıa el´ectrica. Un acopla-miento alto significa que una gran cantidad de energ´ıa puede ser recolectada a partir de una energ´ıa mec´anica ambiental dada, de modo contrario la misma energ´ıa mec´ani-ca conduce a pomec´ani-ca energ´ıa el´ectrimec´ani-ca utilizable para un recolector poco acoplado. Dado que el efecto piezoel´ectrico de un actuador est´a presente en la direcci´on inversa, una carga drenando la potencia del recolector induce una retroalimentaci´on sobre la de-flexi´on de la viga piezoel´ectrica que induce amortiguaci´on el´ectrica. Esto significa que un recolector piezoel´ectrico altamente acoplado es amortiguado m´as intensamente que una recolectora baja acoplada. Debido a lo anterior es que el actor de acoplamiento es de gran importancia. Para la viga piezoel´ectrica que se muestra en la Figura 2.2b, de acuerdo con el est´andar IEEE sobre piezoelectricidad [36], el factor de acoplamiento cuadrado est´a dado por:
k312 = d2
31 εT
33sE11
(2.1.3)
Tenga en cuenta que k2
31 depende exclusivamente de las propiedades del material
piezoel´ectrico. Con el fin de vincular el factor de acoplamiento materialk2
31y el factor
18 2. Estado del arte
de acoplamiento electromec´anico generalizado GEMC (General Electro Mechanical Coupling por sus siglas en ingl´es) Γ, que a su vez depende de la geometr´ıa del cantilever puede expresarse como:
k2 31 =
Γ2 KpCp
(2.1.4)
en donde Kp yCp son la rigidez del material piezoel´ectrico y la capacitancia de salida
del recolector piezoel´ectrico respectivamente. La siguiente ecuaci´on correlaciona el GEMC con el factor de acoplamiento electromec´anico efectivo:
k2
ef f =
Γ2 kCp
(2.1.5)
dondek =kp+ks es la suma de los valores de rigidez del material piezoel´ectrico y el
resorte mec´anico.
Finalmente, el sistema amortiguado masa-resorte mostrado en la Figura 2.5 puede ser modelado por las ecuaciones diferenciales:
(
ma=mZ¨m+bZ˙m+kZm+ ΓVP
I = Γ ˙Zm−CPV˙P
(2.1.6)
Como primera aproximaci´on, la segunda ecuaci´on de (2.1.6) puede ser convertida en el circuito de equivalentes el´ectricos no acoplados. El circuito el´ectrico equivalente desacoplado mostrado en la Figura 2.6a utilizado en [32, 33] La fuente de corriente senoidal representa al cantilever vibratorio con IP = Γ ˙Z y la capacitancia
piezo-el´ectrica de salida es modelada por CP. La amplitud de la fuente de corriente ˆIP se
puede expresar en t´erminos de la aceleraci´on externa ˆa = ˆ¨z y varios par´ametros del recolector como sigue:
IP,OC = ˆa·
Γm
d (2.1.7)
suponiendo excitaci´on en resonancia (es decir, ω=ωn) y sin carga (es decir, ζe = 0).
El voltaje a trav´es de los terminales piezoel´ectricos est´a indicado por VP. Como se
representa en la Figura 2.6b, a veces se a˜nade la resistencia Rpar para considerar las
p´erdidas diel´ectricas ya que la capacitancia piezoel´ectrica no es un aislante perfecto. Este circuito el´ectrico equivalente es utilizado en [32, 37, 38, 39].
Sin embargo, si la retroalimentaci´on del circuito de interfaz en el recolector pie-zoel´ectrico o una predicci´on precisa de la potencia de salida para una aceleraci´on
22 2. Estado del arte
este par´ametro indica qu´e cantidad de potencia de salida es rectificada con respec-to a la entrada. Un rectificador altamente eficiente es deseable para los sistemas de recolecci´on de energ´ıa. Sin embargo, la rectificaci´on es dif´ıcil cuando los niveles de potencia incidente son bajos. Todos los rectificadores tienen una “zona muerta” que no responde a bajas amplitudes de voltaje y las t´ecnicas de reducci´on de zona muerta son dif´ıciles de implementar. Fundamentalmente, esto se debe a que la rectificaci´on es una operaci´on no lineal y todos los sistemas y dispositivos f´ısicos se comportan li-neales para amplitudes de se˜nal peque˜nas, esto vuelve el dise˜no de rectificadores muy desafiante ya que es muy dif´ıcil lograr un PCE grande en condiciones de potencia de entrada muy baja debido a la zona muerta.
El PCE del circuito rectificador se ve afectado por la topolog´ıa del circuito, los par´ametros del dispositivo de diodo, la frecuencia y amplitud de la se˜nal AC de en-trada y las condiciones de carga a la salida. En cuanto a los par´ametros del diodo, la peque˜na resistencia de encendido y la peque˜na corriente de fuga inversa del dispositi-vo son esenciales para influir en el PCE. En los rectificadores de diodo convencionales, la corriente de fuga inversa generalmente es lo suficientemente peque˜na para ser ig-norada. Por lo tanto, los diodos que tienen una peque˜na resistencia de encendido son efectivos. La peque˜na resistencia de encendido generalmente se puede lograr con un voltaje de encendido VT O peque˜no del diodo. Para este prop´osito, a veces se utiliza
el diodo Schottky que tiene un voltaje de encendido de 200-300mV [42, 43]. Pero, el diodo Schottky no es adecuado para las aplicaciones pr´acticas, ya que requiere un costoso proceso de fabricaci´on y una gran dependencia de la temperatura. En cambio, los rectificadores CMOS son com´unmente utilizados.
El PCE para un rectificador que usa un MOSFET conectado como diodo es ge-neralmente menor que los de diodo Schottky debido al gran voltaje de umbral (V th), pero cuando se utilizan t´ecnicas de auto cancelaci´on deV th, el PCE puede aumentar-se dr´asticamente. Existen diversas topolog´ıas de rectificadores CMOS que otorgan un buen PCE, estas topolog´ıas var´ıan en complejidad y eficiencias. Algunas topolog´ıas son convencionales [44], otras emplean t´ecnicas de auto cancelaci´on deV th [45], fun-cionamiento diferencial o acoplo cruzado [46, 47, 48], rectificaci´on activa [49, 50] e inclusive rectificadores multietapa [51, 52, 48] para la obtenci´on de un buen PCE para el manejo de potencia en sistemas recolectores de energ´ıa.
26 2. Estado del arte
una ofrece ventajas que las hacen adecuadas a sus aplicaciones.
Rectificadores CMOS activos
La Figura 2.12 muestra el rectificador propuesto en [49] con bajo voltaje de ca´ıda.
MP1 y MN1 representan los principales transistores conductores PMOS y NMOS,
respectivamente. Los transistores triodo MR1-MR6 act´uan como resistencias. M1-M6
controlan el voltaje de compuerta de MP1. La parte inferior de la Figura 2.12 es
realizada por los mismos circuitos que en la parte superior. Para reducir el voltaje de “drop-out”, se espera queMP1 se encienda completamente a medida que el voltaje de
entrada Vrf± es m´as alto que el voltaje rectificado Vout, y se apaga inmediatamente
cuando Vrf± es m´as bajo que Vout, mientras que a su vez previene la corriente de
fuga inversa de Vout a Vrf±. Los transistores MR4-MR6 implementan una resistencia
grande. La corriente a trav´es de M4 es muy peque˜na y el voltaje de compuerta de M4 y M1 es cercana a Vout− |V th4| donde |V th4| es el voltaje umbral de M4. Por lo
tanto, M1 se enciende si:
Vrf+> Vout− |V th4|+|V th1| (2.2.1)
donde|V th1|es el voltaje umbral de M1. En (2.2.1) , el voltaje de drop-out se reduce
si |V th4| est´a cerca de |V th1|. Cuando M1 se enciende, el voltaje de compuerta de M6 se eleva. Los voltajes de drenaje de M6 y el voltaje de compuerta de M5 son
reducidos. Mientras que M2 est´a apagado. Luego, MP1 se enciende para entregar la
corriente desde la entrada a la carga de salida. Del mismo modo, M2 se enciende
cuando:
Vout > Vrf+− |V th3|+|V th2| (2.2.2)
Cuando M2 se enciende, el voltaje de compuerta de MP1 se arrastra
inmedia-tamente hacia arriba para evitar que la corriente inversa de la carga regrese a la entrada. En (2.2.1) y (2.2.2), el voltaje de ca´ıda del rectificador propuesto se reduce y su eficiencia se ver´a significativamente mejorada.
El principal objetivo de los rectificadores activos es la reducci´on de la ca´ıda de tensi´on sobre los transistores y alcanzar una alta eficiencia. Otra topolog´ıa de rec-tificador [50] puede separarse en dos etapas: (I) el convertidor de voltaje negativo (CON) y (II) la parte del diodo. La primera etapa del circuito rectificador propuesto
28 2. Estado del arte
No son necesarias regulaciones din´amicas de “bulk” porque esto se da inheren-temente en este circuito. Por lo tanto, la mayor parte de los transistores PMOS se pueden conectar directamente al punto A y el NMOS al punto B. Esto reduce la cantidad de transistores necesarios. Un potencial de alto voltaje en el punto 1 lleva a la etapa de conducci´on de MP1 y MN2. Por lo tanto, la corriente puede fluir desde
1 a trav´es de MP1 a la salida y luego de nuevo hacia el punto 2 a trav´es MN2. En el
caso opuesto, MP2 y MN1 son conductores. El voltaje m´ınimo de operaci´on de este
circuito est´a determinado por el voltaje umbral de los transistores usados. Pero el voltaje umbral solo determina el voltaje de entrada, para el cual funciona el circuito. No se ve una ca´ıda de voltaje umbral V th entre la entrada y la salida del CON. La capacidad de convertir casi todo el voltaje aplicado en la entrada a la salida es la principal ventaja de este circuito.
La funci´on principal de la segunda etapa es controlar la direcci´on de la corriente. Esto podr´ıa ser en el caso m´as simple un MOSFET convencional conectado como diodo. Usando esto, un rectificador de onda completa con solo una ca´ıda de voltajeV th
sobre el transistor. Este circuito es comparable al rectificador de onda completa con interruptores, pero es menos propenso a “latches” y utiliza solo 7 transistores. Para lograr voltajes de salida muy altos y altas eficiencias, el diodo debe ser reemplazado por otro elemento, el diodo activo. Este diodo activo funciona casi como un diodo ideal, con la corriente fluyendo en una sola direcci´on y casi sin ca´ıda de voltaje. La principal diferencia para un diodo ideal es el consumo del dispositivo.
Una realizaci´on compleja de un diodo activo se presenta en [55]. Se usa un circuito de control para determinar el tiempo de conducci´on y no conducci´on de un MOSFET utilizado como interruptor. El diodo activo implementado en esta topolog´ıa es m´as simple y se basa en un circuito comparador r´apido y de baja potencia. La Figura 2.14 muestra un esquema del diodo activo. MP es el interruptor controlado por el
comparador. Si el voltaje en el ´anodo es m´as alto en comparaci´on con el c´atodo, la salida del comparador es 0V y MP est´a encendido. Si el c´atodo es m´as alto, la salida
es alta y MP est´a desconectado. El voltaje de alimentaci´on del comparador se toma
del capacitor de almacenamiento. Usando un transistor PMOS como interruptor no es necesario un circuito de arranque adicional para este diodo activo.
La parte m´as importante del diodo activo es el comparador. Se necesita un compa-rador r´apido con un bajo consumo de energ´ıa. Si el compacompa-rador es demasiado lento, no toda la energ´ıa disponible puede transferirse al condensador y, adem´as, el flujo de
30 2. Estado del arte
adicionales de fabricaci´on que implican, ya que no est´an disponibles en los procesos CMOS est´andar [56]. Vale la pena se˜nalar que, con la evoluci´on de la tecnolog´ıa, la potencia requerida para operar dispositivos multifuncionales tiende a crecer con las necesidades de la aplicaci´on y la sofisticaci´on de sus modos de operaci´on. Esto hace que la estructura sea cada vez m´as ineficiente en los procesos submicrom´etricos de bajo voltaje avanzados, donde la relaci´on entre el voltaje de suministro normal y el voltaje umbral de los transistores MOS disminuye.
Los rectificadores de onda completa tipo puente (FWBR) son una versi´on popular de los rectificadores de onda completa. Ofrecen mayores eficiencias de potencia, me-nores fluctuaciones de salida y mayores voltajes de ruptura inversa en comparaci´on con sus hom´ologos, los rectificadores de media onda [57]. El rectificador de acopla-miento cruzado de compuerta de onda completa (FWGR) que se muestra en la Figura 2.15a se introdujo en [57]. El rectificador funciona de tal manera que, en cada ciclo de se˜nal del circuito, el voltaje de umbral de un transistor MOS conectado a un diodo se reemplaza con la ca´ıda de tensi´on efectiva a trav´es de un interruptor MOS. La otra ventaja de dicho rectificador es impulsar la compuerta de dicho transistor MOS con un voltaje de oscilaci´on mayor que los com´unmente utilizados con estructuras conec-tadas a diodos, lo que reduce la fuga de los interruptores y mejora su conductividad. El rectificador resultante produce una mayor eficiencia de energ´ıa que las estructuras FWBR convencionales; sin embargo, en cada ciclo fuente, utiliza un ´unico transistor MOS conectado por diodos para las conexiones de carga y, por lo tanto, sufre la ca´ıda de tensi´on asociada (umbral).
La Figura 2.15b muestra la etapa unitaria del circuito rectificador CMOS de con-figuraci´on diferencial recientemente desarrollado. El circuito tiene una concon-figuraci´on CMOS diferencial con acoplamiento cruzado con una estructura de puente. Este ti-po de toti-polog´ıa de circuito se conoce como circuito rectificador de baja frecuencia. Este rectificador fue analizado en diversas condiciones de funcionamiento y se des-cubri´o que tambi´en es muy efectivo como rectificador de alta frecuencia para RFID [48]. Formas de onda de voltaje de los nodos de AC internos VX y VY se muestran
esquem´aticamente en la Figura 2.15c. El voltaje VCM de modo com´un, que es
apro-ximadamente la mitad del voltaje continuo de salida VDC, se genera mediante una
operaci´on de rectificaci´on y act´ua como un tipo de voltaje de polarizaci´on de puerta est´atico que compensa V th, como en los esquemas de cancelaci´on deV th anteriores [44, 45, 54]. Adem´as, en este esquema diferencial, la puerta de los transistores est´a
36 2. Estado del arte
El proceso de carga de la bater´ıa se realiza en dos etapas. Cuando el voltaje de la bater´ıa es inferior a 2V, se carga de forma pasiva a trav´es del rectificador tipo puente CMOS. A voltajes m´as altos, el circuito de control opera limitando el voltaje en los terminales de la bater´ıa a 2V. El rectificador CMOS utilizado en este sistema sigue la configuraci´on de la Figura 2.15b en esta topolog´ıa la corriente comienza a fluir cuando el voltaje de entrada alcanza el voltaje de umbral de los transistores MOS. El controlador de carga cumple con la funci´on de limitar el voltaje aplicado a la bater´ıa empleando una simple topolog´ıa de comparaci´on. Dado que el consumo de energ´ıa es un problema importante para este proyecto, los transistores est´an polarizados en la regi´on sub-umbral. El controlador de carga cuenta con un switch anal´ogico, el cual tiene la funci´on de encender y apagar el transistor de control de carga Q.
Si el voltaje de la bater´ıa excede 2V, el controlador de carga enciende el switch anal´ogico, llevando el transistor Q a conducci´on. Cuando el controlador de carga detecta que el voltaje de la bater´ıa ha descendido por debajo de 2V apaga Q nueva-mente. Entonces, el transistor Q es encendido y apagado, manteniendo el voltaje de la bater´ıa ligeramente por debajo del nivel de voltaje especificado (2V).
Dentro de la investigaci´on presentada en [61] se implementa una interfaz totalmen-te aut´onoma de recolecci´on de energ´ıa basada en la t´ecnica de recolecci´on de inducci´on sincronizada en paralelo (SSHI), tambi´en conocida como bias-flip, y puede trabajar con excitaciones peri´odicas y de choque. Permite una mayor extracci´on de energ´ıa ambiental al operar a un voltaje rectificado ideal (VBU F) configurada mediante un
circuito de punto de potencia ´optimo (OP P). Opera con diferentes recolectores y una amplia variaci´on de aceleraciones y frecuencias de excitaci´on.
El diagrama a bloques del sistema se muestra en la Figura 2.20. La conversi´on de
AC/DCse realiza utilizando un rectificador activo de baja potencia (AR) que consiste en un convertidor de voltaje pasivo negativo seguido de un diodo activo (AD). La ventaja de este tipo de rectificador es que reduce la ca´ıda de tensi´on, t´ıpicamente hasta algunas d´ecimas de milivoltios, y por lo tanto aumenta su eficiencia. Para evitar el uso de un circuito de arranque complejo, un diodo Schottky D1 en chip se coloc´o en
paralelo con el AD, lo que permite cargar pasivamente CBU F .
El circuito OPP controla VBU F a un valor ´optimo especificado por medio de un
convertidor de inversi´on de hist´eresis controlado por voltaje de entrada, ajustable por la resistencia RB. El OVP monitorea y limita el VBU CK para inhibirlo de alcanzar
niveles de voltaje destructivos, puede ser ajustado al valor deseado por las resistencias
40 2. Estado del arte
conducci´on discontinua (DCM). Este presenta una resistencia de entrada efectiva de
RDC enVDC de acuerdo con su temporizaci´on de conmutaci´on mientras que al mismo
tiempo transfiere la energ´ıa recolectada al almacenamiento de energ´ıa de fondo as´ı como tambi´en al sistema de carga que se modela como CST O//RLOAD.
2.4.
Conclusiones
El uso de recolectores piezoel´ectricos abre las posibilidades de aprovechar el movi-miento generado inherentemente por actividades humanas. Esta energ´ıa recolectada puede ser utilizada para auxiliar la energizaci´on de sistemas port´atiles de bajo con-sumo. Debido a que es estudio, fabricaci´on y comercializaci´on de generadores piezo-el´ectricos es un campo maduro, en la actualidad existen diversos materiales y t´ecnicas que nos brindan la posibilidad de acceder a recolectores que entregan densidades de potencia considerablemente grande para aplicar la recolecci´on de energ´ıa piezoel´ectri-ca en diferentes ´areas.
Al desarrollar sistemas de recolecci´on de energ´ıa piezoel´ectrica es necesario cono-cer detalladamente el comportamiento del dispositivo con el que se est´a realizando la conversi´on de energ´ıa mec´anica a el´ectrica, y para tener una noci´on de este com-portamiento es indispensable la realizaci´on de un modelo que lo describa. Cuando se pretende dise˜nar un sistema el´ectrico que utilice la energ´ıa generada por recolectores piezoel´ectricos es necesario realizar un modelo el´ectrico que describa el rendimiento del generador piezoel´ectrico a utilizar. A pesar de que los modelos el´ectricos simplifi-cados son utilizados mayormente para el dise˜no de sistemas de recolecci´on de energ´ıa piezoel´ectrica estos no son los m´as exactos. Los modelos el´ectricos que utilizan el factor de acoplamiento electro mec´anico generalizado, el cual ofrece una mejor des-cripci´on del comportamiento de un recolector piezoel´ectrico brindan un modelado m´as exacto del comportamiento el´ectrico de un material piezoel´ectrico. Utilizando un modelo m´as exacto es posible dise˜nar un sistema que aproveche adecuadamente la energ´ıa generada por el recolector piezoel´ectrico modelado.
Existen numerosos sistemas que se encargan de administrar la energ´ıa piezoel´ectri-ca para utilizarla en diversas aplipiezoel´ectri-caciones espec´ıfipiezoel´ectri-cas. La finalidad en estos sistemas es en general contar con una alta eficiencia de conversi´on para aprovechar al m´axi-mo la energ´ıa disponible producto de la transducci´on. Muchos sistemas emplean el uso de sistemas conversi´on que a su vez se componen por inductores y switchs los
2.4 Conclusiones 41
cuales necesitan sistemas de control, estos sistemas de control suelen ser complejos y requieren en numerosas ocasiones generadores de se˜nal de reloj convirti´endolos en sistemas muy complejos y dif´ıciles de integrar dentro de un chip. Muchos de los ele-mentos de los sistemas de manejo de potencia se valen de eleele-mentos fuera de chip para lograr altas eficiencias. Sin embargo, el empleo de elementos fuera de chip despoja de miniaturizaci´on a los sistemas y en ocasiones es necesario realizar una afinaci´on o calibraci´on para ponerlos en funcionamiento, esto los vuelve poco pr´acticos para algunas condiciones.
Numerosos sistemas de manejo de potencia piezoel´ectrica utilizan convertidores de AC/DC los cuales son implementados mayormente por circuitos rectificadores de onda completa, el tipo de rectificador var´ıa de sistema a sistema, pero el m´as com´un es la rectificaci´on pasiva de tipo puente ya que la rectificaci´on activa puede consumir mayor energ´ıa. Adem´as, uno de los bloques repetitivos es la regulaci´on de voltaje, los reguladores de voltaje LDO son los m´as utilizados debido a que consumen poca energ´ıa y sus caracter´ısticas permiten una buena regulaci´on con baja diferencia entre el voltaje regulado y el voltaje necesario para su operaci´on. Los sistemas de manejo de potencia son generalmente alimentados por la energ´ıa conseguida por el recolector piezoel´ectrico, por esta raz´on es indispensable que sean de muy bajo consumo para que no existan desperdicios de la energ´ıa disponible.
Para el dise˜no y desarrollo de sistemas microelectr´onicos de manejo de potencia, el uso de tecnolog´ıas de fabricaci´on CMOS est´andar es indispensable. Entre las nu-merosas ventajas que la tecnolog´ıa CMOS ofrece se encuentra la alta integraci´on y repetitividad. As´ı mismo, desarrollar un sistema con elementos completamente dentro de chip nos brinda una mejor integraci´on, portabilidad y facilidad de aplicaci´on. En conclusi´on, un sistema integrado de manejo de potencia completamente CMOS otor-ga la facilidad de aprovechar la potencia disponible sin que se presenten perdidas de energ´ıa significativas, as´ı como una mayor eficiencia de conversi´on, facilidad de apli-caci´on y suprimen la necesidad de realizar una calibraci´on para su funcionamiento lo cual los hace m´as atractivos para implementaciones de campo pr´acticas.
42 2. Estado del arte
44 3. Filosof´ıa de dise˜no
• El sistema debe presentar estabilidad ante variaciones de temperatura y varia-ciones de fuente de alimentaci´on.
• El circuito convertidor AC/DC debe ser dise˜nado para maximizar la eficiencia de conversi´on de energ´ıa.
• El sistema deber ser de respuesta r´apida sin transgredir la restricci´on del con-sumo de potencia.
• El sistema debe ser capaz de entregar un voltaje regulado a la salida.
• Las etapas que componen al sistema no deben ser complejas.
• Los bloques del sistema deben estar dise˜nados para un consumo de muy baja potencia.
• El sistema deber ser autoenergizado.
Acorde con los fundamentos mencionados anteriormente se ha planteado el dia-grama a bloques y el flujo de dise˜no para el sistema a desarrollar, los cuales ser´an expuestos en las secciones que se abordan a continuaci´on. El fin del flujo de dise˜no radica en desarrollar un sistema de manejo de potencia autoenergizado para un reco-lector piezoel´ectrico.
3.1.
Diagrama a bloques del sistema propuesto
En la Figura 3.2 se muestra el diagrama a bloques del sistema de recolecci´on de energ´ıa propuesto. Algunos de los circuitos sugeridos son bloques en com´un con los presentados en la secci´on anterior, otros se idearon para hacer al sistema resistente a variaciones de temperatura y fuente de alimentaci´on. A continuaci´on, se realiza una descripci´on breve de la funci´on y finalidad de cada uno de los circuitos que conforman al sistema presentado, as´ı como las se˜nales que entregar´a cada uno.
Recolector piezoel´ectrico:
En primer lugar, se encuentra el recolector piezoel´ectrico, el cual al ser sometido a fuerzas de excitaci´on externa generar´a un voltaje diferencial en sus electrodosVp =
VP iezo+–VP iezo−. El nivel de potencia que entrega el recolector es una corriente de
3.1 Diagrama a bloques del sistema propuesto 45
400µA con un voltaje que va desde los 3V a los −2V. Este es el ´unico elemento que se encuentra fuera del chip.
Rectificador CMOS:
Este bloque consiste en un rectificador de bajo VT H, el cual convierte la se˜nal de
AC entregada por el piezoel´ectrico entregando un voltaje de corriente directa VRect a
la salida.
Circuito limitador de voltaje:
Con el prop´osito de proteger al sistema integrado de voltajes convertidos VRect
desmedidos, los cuales pueden estropear o inutilizar el sistema en su totalidad, se introduce un circuito limitador de voltaje. Este circuito establece una ruta de descarga a tierra para este exceso de energ´ıa, obteniendo un voltajeVDD no mayor a un voltaje
determinado. La se˜nal que entrega a la salida este bloque es un voltaje continuo de 2.3V el cual funge como potencial de alimentaci´on para los bloques de regulaci´on y polarizaci´on del sistema.
Referencia de corriente y voltaje:
Este bloque est´a dise˜nado para entregar a la salida una se˜nal de voltaje y de co-rriente estables ante variaciones de temperatura. Se tiene como objetivo que presente un bajo consumo de potencia (<350nW) y una velocidad de arranque menor a 100µs. La referencia de corriente est´a compuesta por un circuito que genera una corriente directamente proporcional a cambios de temperatura (P T AT) y un circuito que ge-nera una corriente complementaria a cambios de temperatura (CT AT), las corrientes generada por estos dos circuitos es sumada en un nodo de baja impedancia para ge-nerar una corriente absoluta a cambios de temperatura (AT AT). Todos los circuitos que conforman este bloque son dise˜nados para resistir cambios dr´asticos en el voltaje de alimentaci´on. Para generar un voltaje de referencia estable a cambios de tempe-ratura, la corriente (AT AT) conseguida se hace pasar por un transistor conectado como diodo. Las se˜nales entregadas por este bloque son una corriente IRef de 20nA
y un voltajeVRef de 800mV, estas se˜nales se utilizan para alimentar al regulador de
voltaje.
46 3. Filosof´ıa de dise˜no
Circuito de arranque:
El circuito de arranque juega un papel muy importante en los circuitos de referen-cia de voltaje y corriente. El circuito de arranque saca a la referenreferen-cia de corriente de un punto de referencia muerto (corriente cero) a su punto de funcionamiento normal. Posteriormente, cuando el circuito de referencia comienza a funcionar correctamente, el circuito de arranque deja de operar. La finalidad del circuito de arranque es de asistir a que la referencia de voltaje y corriente lleguen a su estado estable de manera r´apida.
Regulador de voltaje LDO:
Este bloque se encarga de entregar un voltaje estable a su salida. Este circuito es alimentado por el voltajeVDD y la corrienteIRef. El circuito est´a conformado por
un amplificador de error, una red de retroalimentaci´on y un transistor de paso. El amplificador de error se encarga de comparar el voltaje de referenciaVRef y una se˜nal
de error proporcionada por la red de retroalimentaci´on para controlar un elemento de paso conformado por un transistor PMOS. Este elemento de paso se encarga de regular la salida de voltaje a un valor deseado. La se˜nal que entrega este bloque es la se˜nal de salida con un voltaje de 2V y el m´aximo de corriente que este sistema puede aprovechar del recolector piezoel´ectrico.
48 3. Filosof´ıa de dise˜no
3.2.
Flujo de dise˜
no del sistema
Dado que el sistema a desarrollar est´a compuesto por una cantidad considerable de bloques, es necesario contemplar un orden para realizar su correcto dise˜no. Dicho lo anterior, en esta secci´on se presenta el diagrama de flujo de dise˜no para el sistema propuesto. Este diagrama contempla par´ametros y variables de entrada para cada bloque, de donde se infiere que algunas se˜nales que se obtienen en un bloque son utilizadas por los bloques que le subsecuentes.
El diagrama de flujo con el que se elabor´o el presente trabajo se exhibe en la Figu-ra 3.3 donde los elementos centFigu-rales del diagFigu-rama simbolizan los bloques a dise˜nar, los recuadros de la izquierda representan los par´ametros o se˜nales de entrada indispen-sables para su dise˜no. Por ´ultimo, las casillas de la derecha incorporan a las nuevas se˜nales que se generan por cada bloque, el diagrama se describe a continuaci´on:
1. Para que el bloque de regulaci´on opere es necesario elaborar un bloque de polari-zaci´on el cual consiste en una referencia de corriente estable a cambios de tempera-tura, adicional a esto se dise˜na una referencia de voltaje. Este bloque es el primero en el flujo ya que determina el voltaje de alimentaci´on m´ınimo requerido para el sistema, el cual es la se˜nal VDD de 2.2V. Este valor de polarizaci´on es debido a
las conexiones en cascodo requeridas para mejorar las regulaciones de l´ınea. Dicho circuito entrega las se˜nales IRef con valor de 20nAy VRef con valor de 800mv.
2. El circuito de arranque se dise˜na con el prop´osito de que el bloque de polarizaci´on alcance su punto de funcionamiento estable de manera r´apida, garantizando que se aproveche la mayor cantidad de energ´ıa posible del recolector piezoel´ectrico. El circuito de arranque proporciona la cantidad de corriente necesaria para su funci´on.
3. Posteriormente, es indispensable dise˜nar el circuito limitador de voltaje. El cual tiene la funci´on de generar una se˜nal de DC la cual se utiliza para energizar a los bloques del sistema, y a su vez, este circuito protege dichos bloques de voltajes de alimentaci´on elevados. La se˜nal entregada es el voltaje VDD cuyo valor qued´o
establecido por la referencia de corriente, adicionalmente con el dise˜no de esta etapa queda determinado el valor de la corriente ILim que es la corriente se requiere para
su operaci´on.
4. Consecuentemente, es necesario implementar un modelo mec´anico el´ectrico del
3.2 Flujo de dise˜no del sistema 49
recolector piezoel´ectrico. Este modelo se realiza con par´ametros se toman de la hoja de datos del recolector. El modelo utiliza dichos par´ametros para conformar los elementosVm,Cm,Rm,Lm y Γ, que son la fuerza externa aplicada al recolector,
la rigidez del recolector, el amortiguamiento par´asito, la masa del recolector y el factor de acoplamiento electromec´anico generalizado, respectivamente. Las se˜nales que se obtienen por este modelo sonVpiezo+ y Vpiezo− que conforman el voltajeVp.
Las se˜nales que se espera conseguir por este modelo son voltaje RMS a la salida de 2.3V con una corriente de 200µA.
5. Como ya se mencion´o en la Secci´on 2.2, uno de los bloques indispensables en los sistemas de manejo de energ´ıa de los recolectores piezoel´ectricos es el convertidor AC/DC, siendo el rectificador de tipo puente el m´as utilizado para llevar a cabo esta funci´on. El rectificador requiere ser un bloque que consuma muy baja potencia y de un muy bajo voltaje de encendido. El rectificador utiliza la se˜nal diferencial de AC generada por el modelo del recolector piezoel´ectrico Vp y la convierte en la
se˜nal rectificada de DCVRect. Se espera que la eficiencia de conversi´on de potencia
del rectificador sea mayor a 90 %.
6. Posteriormente, una vez que se generan todas las se˜nales necesarias para el fun-cionamiento de la etapa de regulaci´on se procede a dise˜nar este bloque, el cual se encarga de mantener la se˜nal de salida en un valor estable. El circuito LDO se dise˜na para funcionar dentro del ancho de banda en el que el recolector es excitado en resonancia. Como parte de su dise˜no es indispensable realizar una compensaci´on para hacerlo robusto a variaciones de carga. El bloque de regulador LDO utiliza las se˜nalesVDD,IRef yVRef para operar. Cabe hacer un par´entesis para mencionar
que todos los elementos centrales o bloques del diagrama, su funcionamiento y su proceso de dise˜no detallado se explicar´an detalladamente en la siguiente secci´on. La se˜nal de salida de esta etapa es el voltaje VOut con valor de 2V, se˜nal que se
desempe˜na como la respuesta de salida total del sistema.
Cap´ıtulo 4
Dise˜
no del Sistema de Recolecci´
on
de Energ´ıa
4.1.
Modelo el´
ectrico del generador piezoel´
ectrico
Como se mencion´o en el cap´ıtulo anterior, el paso primordial para el desarrollo del sistema consiste en el dise˜no de un modelo mec´anico-el´ectrico que reproduzca el comportamiento de un recolector piezoel´ectrico, el cual funge como la fuente de alimentaci´on. Una de las pautas decisivas para el desarrollo del modelo es tomar los par´ametros de un recolector piezoel´ectrico comercial, esto con el fin de poder modelarlo en un software de dise˜no de sistemas integrados. Una de las principales metas del dise˜no de este modelo consiste en poder desarrollar un sistema que realice el manejo de potencia para recolectores piezoel´ectricos comerciales, aprovechando al m´aximo la densidad energ´ıa que estos entregan. A continuaci´on, se muestran el proceso de dise˜no y simulaci´on del modelo el´ectrico del generador piezoel´ectrico.
4.1.1.
Dise˜
no y simulaci´
on
Para el modelo del generador piezoel´ectrico se seleccion´o un dispositivo de la marca
Piezo Systems➤ el cual tiene el n´umero de serie T215-A4CL-103X. En la Tabla 4.1 se describen los elementos de la nomenclatura del n´umero de serie, los datos del generador piezoel´ectrico se tomaron del cat´alogo de productos Piezo Systems➤ [64].
Como ya se mencion´o en el Cap´ıtulo 2, el factor de acoplamiento piezoel´ectrico cuadrado k2
31 y el factor de acoplamiento electromec´anico generalizado Γ describen
precisamente la raz´on de energ´ıa mec´anica entre energ´ıa el´ectrica. Estos dos par´ame-tros son utilizados para el desarrollo de modelos electromec´anicos que describen con
