Ultra-Low Power, Fully Integrated Start-up Circuit for Power Conditioning Interface in DC Energy Harvesting Circuits

La récupération d’énergie (EH) est rapidement devenue un moyen intéressant pour alimenter diverses applications au lieu d’utiliser des batteries. Le générateur thermoélectrique (TEG) en tant que récolteur d’énergie DC présente des avantages pour les applications portables sur le corps ou les dispositifs implantables, mais la tension de sortie est limitée à environ 50 mV pour de faibles différences de température entre le corps et l’environnement (1–2 K). Par conséquent, une interface de conditionnement de puissance est nécessaire pour tirer parti de la faible tension de sortie du TEG. Traditionnellement, un convertisseur élévateur DC-DC à inductance à haute efficacité est déployé pour augmenter avec succès la tension de sortie à des niveaux supérieurs. Néanmoins, le déclenchement du fonctionnement du convertisseur boost principal nécessite une tension DC d’environ 500 mV pour alimenter son électronique restante, ce qui nécessite la mise en œuvre d’un circuit de démarrage alimenté par le faible niveau de tension disponible (≈50 mV) provenant du récolteur d’énergie DC primaire (par ex. TEG). Parmi les diverses approches de démarrage rapportées, la conversion DC-AC-DC utilisant l’approche des oscillateurs à anneau (Ring Oscillator - RO) est la plus efficace, car elle est entièrement intégrée, compatible avec la technologie CMOS classique, moins coûteuse et plus fiable. Cependant, deux principaux obstacles existent : tout d’abord, l’utilisation d’un inverseur CMOS simple pour réaliser le RO conventionnel est insuffisante, car elle nécessite une tension d’alimentation élevée. Deuxièmement, l’amplitude des signaux d’horloge générés par le RO est limitée, ce qui dégrade l’efficacité de la pompe à charge et prolonge le temps de démarrage. En réponse à ces problèmes, cette thèse propose un schéma de démarrage entièrement intégré, basse tension et ultra-basse consommation pour déclencher le fonctionnement du convertis- seur boost basé sur inductance DC-DC afin d’augmenter la tension de sortie du TEG à un niveau utile plus élevé. Le rôle du circuit de démarrage proposé est d’alimenter le contrôleur du convertisseur boost DC-DC, qui utilise à son tour l’inductance dans un processus de con- version de puissance DC-DC efficace. Le circuit de démarrage proposé se compose de circuits novateurs du RO et de l’amplificateur d’horloge et d’une pompe à charge à double branche conventionnelle.

Abstract

Energy Harvesting (EH) has rapidly become an interesting means of powering various applica- tions instead of batteries employment. The Thermoelectric Generator (TEG) as a DC energy harvester is advantageous for body-wearable applications or implantable devices. However, the output voltage is limited to around 50 mV for small temperature differences between the body and the ambiance (1–2 K). Therefore, a power conditioning interface is necessary to benefit from the TEG small output voltage. Conventionally, a high-efficiency inductor-based DC–DC boost converter is deployed to boost the output voltage to higher levels. Neverthe- less, triggering the operation of the main boost converter requires a DC voltage of around 500 mV to power its remaining electronics, which necessitates the implementation of a start-up circuit powered by the available low voltage level (≈ 50mV ) from the primary DC energy harvester (e.g. TEG). Among various reported start-up approaches, DC-AC-DC conversion using the Ring Oscilla- tors (ROs) approach is most efficient because it is fully integrated, compatible with regular CMOS technology, less expensive, and more reliable. However, two main obstacles exist: First, using a simple inverter to realize the conventional RO is insufficient as it requires a large supply voltage. Second, the swing of generated clock signals from RO is limited, which degrades the driven charge pump efficiency and lengthens the start-up time. In response to these issues, this thesis proposes a fully integrated, low-voltage, ultra-low- power start-up scheme to trigger the operation of a DC-DC inductor-based boost converter to increase the TEG output voltage to a higher useful level. The role of the proposed start- up circuit is to power the controller of the DC-DC boost converter, which in turn employs the inductor in an efficient DC-DC power conversion process. The proposed start-up circuit consists of a proposed RO, proposed clock booster, and conventional dual-branch charge pump. An ultra-low-power, sub-threshold Ring Oscillator (RO) is proposed, comprising a novel de- lay cell based on a Schmitt Trigger (ST) inverter and stacked CMOS inverters, leveraging dynamic body biasing (DBB) technique to act as an efficient, sub-threshold DC-AC conver- sion mechanism due to advanced leakage suppression. The proposed RO, simulated in GF 22 nm FD-SOI CMOS technology, achieves the highest output swing and DC gain within the 40 to 100 mV supply voltage range, compared against conventional and state-of-the-art ROs implemented in the same technology. When fabricated in the same technology, it starts os- cillations with supply voltage as low as 32 mV, which is, to our knowledge, the second-lowest ever reported supply voltage of a CMOS RO.