High-Sensitivity Ultra-Low-Power Integrated RF Energy Harvesting for IoT, Wearable Devices and Biomedical Applications

L'Internet des objets (IoT) est une technologie émergente qui a trouvé plusieurs applications dans notre vie quotidienne, des villes et maisons intelligentes aux dispositifs connectés au corps. Les batteries ne sont pas une solution envisageable pour nombre de ces applications, en particulier pour les appareils électroniques biomédicaux et les dispositifs implantables portables, en raison des problèmes de remplacement et de la possibilité de fuites. La récolte d'énergie par radiofréquence (RERF) est une solution prometteuse et un choix réalisable pour l'alimentation des dispositifs dans le scénario IoT, en raison de la disponibilité des signaux RF partout où les humains se trouvent, en particulier lorsque d'autres sources telles que l'énergie solaire et thermique sont indisponibles ou limitées. L'un des principaux défis de la conception d'un collecteur d'énergie RF est sa sensibilité, qui correspond à la puissance RF minimale disponible nécessaire pour garantir la puissance de sortie à un niveau spécifique. Cette thèse contribue à ce sujet. Dans notre premier prototype intégré, nous introduisons, analysons et mettons en œuvre un nouveau convertisseur RF-DC. Le convertisseur développé est conçu et optimisé pour les applications IoT à ultra-basse puissance et biomédicales portables. Le redresseur interconnecté proposé compense la tension de seuil des transistors en utilisant des techniques de compensation de polarisation dynamique et statique. Ensuite, nous présentons un modèle analytique et des expressions du redresseur basés sur les équations des transistors MOSFET, permettant l'optimisation du redresseur en fonction du nombre d'étages et du dimensionnement des transistors, améliorant la sensibilité et la plage de puissance d'entrée du convertisseur. La méthode proposée permet d'optimiser les redresseurs différentiels à couplage croisé (DCC) jusqu'à leur limite de basse tension. Pour atteindre une large gamme de puissance d'entrée, la sensibilité du redresseur et l'efficacité à très faible puissance d'entrée doivent être maximisées ; par conséquent, nous proposons un modèle approprié pour le fonctionnement à basse tension/basse puissance qui permet d'effectuer l'optimisation du redresseur à de tels niveaux de puissance. En utilisant cette stratégie de conception, la sensibilité et le rendement de conversion d'énergie (RCE) mesurés à de faibles niveaux de puissance d'entrée surpassent les valeurs comparables rapportées dans les travaux précédents. Les RERF rapportées précédemment se sont principalement concentrées sur une seule source RF.

Abstract

The Internet of things (IoT) is an emerging technology which found several applications in our everyday life, from smart cities and smart homes to on-body connected devices. Batteries are not a feasible solution for many of these applications, especially for wearable biomedical electronics and implementable devices, due to battery replacement challenges and the possibility of battery leakage. A promising solution and feasible choice for powering devices in the IoT scenario is radio frequency energy harvesting (RFEH), due to the availability of RF signals everywhere humans are, particularly where other sources such as solar and thermal energy are unavailable or limited. A main challenge for RF power harvester design is its sensitivity, which is the minimum available RF power required to guarantee the output power at a specific level. This thesis contributes to this topic. In our first integrated prototype, we introduce, analyze, and implement a new RF-DC converter. The developed converter is designed and optimized for ultra-low power IoT and wearable biomedical applications. The proposed cross-connected rectifier compensates the transistors threshold voltage by using both dynamic and static bias compensation techniques. Then, we present an analytical model and expressions of the rectifier based on the MOSFET transistor equations, allowing optimization of the rectifier as a function of the number of stages and transistors sizing, improving the sensitivity and the input power range of the converter. The proposed method allows optimizing the cross-coupled differential (CCD) rectifiers down to their low-voltage limit. To achieve a wide input power range, the sensitivity of the rectifier and efficiency at very low input power should be maximized; therefore, we propose a proper model for low-voltage/low-power operation that allows performing the optimization of the rectifier at such low power levels. Using this design strategy, the measured sensitivity and power conversion efficiency (PCE) at low input power levels outperform comparable values reported in previous works. The previously reported RFEHs mainly focused on a single RF source. The power might be insufficient and unreliable for some applications to operate a circuit for long periods while using single path RFEH as the only harvesting source. A main challenge in the design of reliable energy harvesting systems is to provide a continuous and stable power supply to a load despite the unfavorable availability characteristics of harvestable energy sources (often unpredictable), while maintaining at the same time the power consumption and size of the harvester as low as possible.