Circuit Techniques for Power Efficient Energy Harvesting Rectifiers. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Umais-Tayyab-g201404940-Thesis.pdf Download (2MB) | Preview

Arabic Abstract

من أهم مجالات البحوث التي تحظى بالكثير من الاهتمام هو مجال الدوائر المقومة (الموحدة) للموجات في نظم حصاد الطاقة. إن أنظمة حصاد الطاقة تتفادى إهدار البطاريات محدودة العمر وتلغي الحاجة الى كابلات خطوط الطاقة الطويلة. أنها تحافظ على عمل الأنظمة من دون توقف وتلغي الحاجة الى خدمة التصليح المتكررة. يحتوي نظام حصاد الطاقة عادةً على جهاز استشعار، الدوائر المقومة (الموحدة) للموجات، ومحول معزز للجهد الثابت. وينتج المحول المعزز للجهد الثابت جهد كهربائي أكبر ولكنه يستهلك جزئاً من الطاقة مما يقلل من كفاءة تحويل الطاقة. لذلك، فإن تطوير دوائر مقومة القادرة على انتاج جهد مباشر أكبر من سعة إشارة المدخلات من شأنه أن يلغي الحاجة إلى المحول المعزز وبالتالي يحسن تلقائيا كفاءة تحويل الطاقة. وبالتالي، فإن تحسين الكفاءة الكلية للنظام بأكمله تعتمد أساسا على كفاءة الدائرة المقومة. ويركز هذا البحث على تصميم دائرة مقومة لنظام حصاد طاقة متكاملة قادرة على توفير كفاءة محسنة وانخفاض استهلاك الطاقة مع عدم المساس قدر الإمكان على الخصائص الأخرى المرغوبة من نظام حصاد الطاقة مثل حساسية المدخلات. ويقترح هذا العمل دمج مقوم سلبي (يتم تخفيض الجهد الأمامي من الصمام الثنائي وتعزيزها في التحيز العكسي) ومقوم نشط (الصمام الثنائي ذو الجهد الأمامي الانخفاض) لتشكيل مقوم هجين يستفيد من مضاعفة حصادها للجهد الكهربائي والكفاءة العالية لاستخدامها في تطبيقات الطاقة المنخفضة مثل الانظمة الطبية الحيوية المزروعة وعقد الاستشعار اللاسلكية. ولقد تم إجراء محاكاة الدوائر المصممة باستخدام برنامج "كيدنس فيرتيزو" وتكنولوجيا 150 نانومتر لشبه موصل أكسيد الفلز المكمـِّل " سيمـُس ".ولقد تم تقييم علاقة كفاءة تحويل الطاقة لدائرة المقوم المقترحة لمختلف الترددات واحجا م الترانزستور اختلاف الاحمال. وقد حقق لدائرة المقوم المقترحة كفاءة تحويل الطاقة بنسبة 79.12٪ لموجات ذات تردد 13.56 ميجاهرتز وسعة 0.88 فولت الى حمل بمقدار 20 كيلواوم. ولقد تم ترتيب الأطروحة على النحو التالي. الفصل 1 يختص بالمقدمة بينما الفصل 2 يوفر بعض من الخلفية اللازمة للمقومات السلبية والنشطة المتوفرة. ويناقش الفصل 3 مرحلة المقوم السلبي. ويصف الفصل 4 مقوم المرحلة النشط الذي يستخدم مضخم الجهد ذا مولد جهد احادي. ويتم عرض نتائج المحاكاة التي تم الحصول في الفصل 5 وكذلك نتائج المحاكاة للشريحة الإلكترونية المطبوعة في الفصل 6. ويعرض الفصل الأخير الاستنتاجات والعمل المستقبلي.

English Abstract

An area of research that has garnered a lot of attention is the area of Rectifier Circuits in Energy Harvesting Systems. Energy harvesting systems eliminate wasteful batteries and long power line cables. They keep systems running without inconvenient, disruptive service calls. Energy harvesting system contains mainly a sensor, a rectifier, and a boost converter. Using a boost dc – dc converter with the rectifier gives large DC output voltage but would consume some power leading to less power conversion efficiency (PCE). Therefore, developing a rectifier circuit that produces a larger dc output voltage than its input signal amplitude would element the need for the boost converter and hence automatically improves the PCE of the system. Consequently, improving the overall efficiency of the entire system would mainly depend on the rectifier circuit’s PCE. This research is focused on the design of fully integrated energy harvesting rectifier circuit capable of providing improved efficiency and low power consumption while not compromising as much as possible on the other desirable characteristics of energy harvesting system such input sensitivity. This work proposes to merge passive rectifier (threshold forward voltage of diode is reduced and enhanced in reverse bias) and active rectifier (zero forward diode voltage drop) to form a hybrid rectifier to take the advantage of double harvested DC output voltage level and high efficiency for low power applications like biomedical implants and wireless sensor nodes. The designed circuit simulation is carried out in Cadence virtuoso using a standard LF 0.15µm CMOS process. PCE reliance on the operating frequency, transistor sizing and output loading was assessed. The proposed hybrid configuration has achieved PCE of 79.12% at 13.56 MHz, 0.88V amplitude and 20KΩ of output load. The thesis is arranged as follows. Chapter 1 gives the introduction while Chapter 2 provides some of the necessary background for rectifiers and some of the passive and active rectifier stage topologies in the literature. Chapter 3 discusses passive rectifier stage. Chapter 4 describes the active stage rectifier with single supply op amp. Simulation results obtained using LF 0.15µm process technology in Cadence are provided in Chapter 5. Post Layout Simulation results are given in Chapter 6. The last chapter presents the conclusion and the future work.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Alzaher, Hussain
Committee Members:	Alghamdi, Khalaf and Hussein, Alaa El-Din
Depositing User:	UMAIS TAYYAB (g201404940)
Date Deposited:	29 May 2017 07:45
Last Modified:	31 Dec 2020 07:57
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/140329