Circuits intégrés de gestion de puissance pour les dispositifs IoT à récupération d'énergie

Les récupérateurs d’énergie convertissent l’énergie ambiante disponible dans l’environnement en énergie électrique utilisable. La récupération d’énergie peut permettre aux appareils d’internet des objets (IoT) d’être partiellement ou totalement autonomes, réduisant ainsi la fréquence de remplacement des batteries ou permettant à terme un fonctionnement sans batterie. Un défi majeur dans la conception de systèmes de récupération d’énergie est de fournir une alimentation électrique continue et stable à une charge, malgré les caractéristiques défavorables des sources de récupération d’énergie, qui sont souvent imprévisibles, tout en maintenant la consommation d’énergie et la taille du système au minimum. Les systèmes de récupération d’énergie ambiante qui sont présentés dans la littérature varient selon plusieurs facteurs : les types d’énergie à récupérer, les tensions d’entrée et de sortie, la puissance admissible et l’architecture du système de gestion de l’énergie. Pour optimiser les performances du système, le transducteur d’énergie doit fonctionner à sa tension optimale, délivrant ainsi sa puissance maximale disponible. De plus, le contrôle de l’étage de puissance doit être effectué de manière optimale pour réduire les pertes de puissance de commutation. Dans ce travail, on propose d’abord un système intégré de gestion de puissance qui s’interface avec des transducteurs d’énergie ambiante pour permettre l’auto-alimentation, sans batterie, des appareils IoT. L’architecture proposée utilise une commande à hystérésis en conjonction avec un contrôleur du passage à zéro (ZCS) pour réguler la tension de la source d’énergie à son point de puissance maximale et pour fournir une tension de sortie constante de 1, 8 V à la charge via un convertisseur élévateur. Pour extraire un maximum d’énergie de la source dans diverses conditions environnementales, un système de poursuite du point de puissance maximale (MPPT) basé sur la technique tension en circuit ouvert ractionnaire (FOCV) est développé, qui permet au récupérateur d’énergie d’atteindre une efficacité de bout en bout élevée à faibles tensions d’entrée. Également, Le mécanisme de commande proposé fonctionne pour une large plage de résistance équivalente du transducteur d’énergie. Le circuit est conçu et simulé à l’aide d’une technologie FD-SOI de 22 nm. Le système de récupération d’énergie proposé atteint un rendement maximal de 91, 4% avec une plage de tension d’un générateur thermoélectrique de 30 à 500 mV et un rendement maximal de 95, 7% avec une cellule photovoltaïque soumise à un niveau d’éclairement de 30 à 1000 W/m2. En se basant sur ce système, on propose également un autre système pour récupérer l’énergie simultanément de trois sources.

Abstract

Energy harvesters convert ambient energy available in the environment into usable electrical energy. Energy harvesting can enable Internet of Things (IoT) devices to be partially or fully autonomous, reducing the frequency of battery replacement or eventually enabling batteryfree operation. A major challenge in designing energy harvesting systems is to provide a continuous and stable power supply to a load despite the unfavorable characteristics of energy harvesting sources, which are often unpredictable, while maintaining energy consumption and system size to a minimum. Ambient energy harvesting systems presented in the literature vary depending on several factors: the types of energy to be harvested, the input and output voltages, the admissible power, and the architecture of the energy management system. The energy transducer must operate at its optimal voltage to optimize system performance, thus delivering its maximum available power. Additionally, the control of power stage must be performed optimally to reduce switching power losses. In this work, we first propose an integrated power management system that interfaces with ambient energy transducers to enable battery-free self-powering of IoT devices. The proposed architecture uses a hysteretic control in conjunction with a zero-crossing switching (ZCS) to regulate the energy source voltage to its maximum power point and to provide a constant output voltage of 1.8 V to the load via a boost converter. To extract maximum energy from the source under various environmental conditions, a fractional open-circuit-voltage (FOCV) based maximum power point tracking (MPPT) scheme is developed, which enables the energy harvester to achieve high end-to-end efficiency at low input voltages. Also, the proposed control mechanism works for a wide range of equivalent resistance of the energy transducer. The circuit is designed and simulated using 22nm FD-SOI technology. The proposed energy harvesting system achieves a maximum efficiency of 91.4% with a thermoelectric generator voltage range of 30 to 500 mV and a maximum efficiency of 95.7% with a photovoltaic cell subjected to a level of irradiance from 30 to 1000 W/m2. Based on this system, another system is also proposed to scavenge energy simultaneously from three sources. Indeed, due to the intermittent nature of energy sources, combining energy from multiple sources can increase the reliability of energy harvesting systems. The proposed architecture integrates a new source selection strategy based on a shared inductance boost converter.