Design of Integrated circuits for energy harvesting

Abstract

Internet of Things (IoT) and Wireless sensor networks (WSNs) have emerged as promising solutions for a wide range of applications, including environmental monitoring, healthcare, and industrial automation. However, the reliance on batteries as a power source for WSNs poses challenges in terms of maintenance and limited operational lifetime. Energy harvesting, the process of capturing and storing energy from the environment, offers a promising solution for powering WSNs autonomously and extended working lifetime. This thesis focuses on the efficient design and optimization of low-power energy harvesting integrated circuits (ICs) for self-sustained WSNs. The main objective of this research is to develop novel techniques and methodologies to enhance the energy harvesting efficiency and power management capabilities of ICs, thus enabling long-term and reliable operation of WSNs without the need for battery replacement or external power sources. The dissertation starts with an in-depth revof the state-of-the-art energy harvesting strategies. Next, individual circuits (blocks) of a multi-source energy harvesting system are designed, considering constraints and trade-offs between circuit characteristics. The circuits are implemented using methodologies that aim to minimize the power consumption of the integrated circuits while maximizing the energy harvesting efficiency, such as sub-threshold operation, low switching frequencies and maximum power point tracking algorithms. To confirm the proper operation of the proposed energy harvesting and management ICs, multiple chips are fabricated and tested under both laboratory and realistic environmental conditions. The performance of the integrated circuits is evaluated in terms of energy harvesting efficiency and power management capabilities of the system. Experimental results demonstrate high energy harvesting efficiency and confirm power management functionality leading to a longer system lifetime. Finally, novel methodologies are proposed to optimize and accelerate the design cycle of an integrated product (system on chip) energy harvesting system. The developed techniques are implemented, based on difficulties and limitations observed both during the design of the above energy harvesting circuits and the chips’ measurement. Innovative methodologies are proposed, for fast and accurate simulation of the large parasitics netlists of DC-DC converter power switches interconnection networks and efficient evaluation of the energy harvesting system considering the chip, package, and printed circuit board parasitic impedances for proper performance evaluation before fabrication. Furthermore, a design methodology for crosstalk aware energy harvesting system on chip is presented, accurately capturing the crosstalk noise impact on the system’s performance.

H συνεχώς αναπτυσσόμενη ιδέα του Διαδικτύου των Πραγμάτων (Internet of Things - ΙοΤ) και τα ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (WSN) έχουν αναδειχθεί ως μια πολλά υποσχόμενη λύση για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, όπως η περιβαλλοντική παρακολούθηση, η υγειονομική περίθαλψη και ο βιομηχανικός αυτοματισμός. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας , ο αριθμός των διασυνδεδεμένων συσκευών συνεχώς αυξάνεται. Παράλληλα, τα συστήματα αυτά γίνονται ολοένα και πιο απαιτητικά όσον αφορά το κόστος κατασκευής των ενσωματωμένων συσκευών και την κατανάλωση ενέργειας, λόγω του όγκου και της πολυπλοκότητας των λειτουργιών που πρέπει να εκτελέσουν. Ως εκ τούτου, η ενεργειακή απόδοση είναι μια κρίσιμη παράμετρος κατά τον σχεδιασμό ενός συστήματος. Η χρήση μπαταριών ως πηγή ενέργειας εγείρει προκλήσεις όσον αφορά τη συντήρηση και την περιορισμένη διάρκεια ζωής των συγκεκριμένων αποθηκευτικών μέσων. Οι ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις για αυτονομία και αποδοτικότητα στο πεδίο των ασύρματων αισθητήρων (WSN), των ασύρματων συστημάτων επικοινωνίας, καθώς και των φορητών ηλεκτρονικών συσκευών, έχουν καταστήσει αναγκαία την ανάπτυξη κυκλωμάτων για την συλλογή και αξιοποίηση της ενέργειας από το περιβάλλον, για την αυτόνομη τροφοδοσία των συσκευών και την παράταση της διάρκειας ζωής τους. Η ιδέα της συγκομιδής ενέργειας από περιβαλλοντικές πηγές, η μετατροπή σε ηλεκτρική ενέργεια και η αποθήκευση για μελλοντική χρήση και τροφοδοσία των συνδεδεμένων φορτίων (αισθητήρων), είναι μια πολύ ελκυστική ιδέα για υψηλής απόδοσης, ενεργειακά αυτόνομες υλοποιήσεις. Συγκεκριμένα, λαμβάνοντας υπόψιν πως η ενέργεια είναι μια στοχαστική έννοια και δεν είναι πάντα διαθέσιμη, η υλοποίηση κυκλωμάτων χαμηλής κατανάλωσης είναι επιτακτική ανάγκη. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην αποτελεσματική σχεδίαση και βελτιστοποίηση ολοκληρωμένων κυκλωμάτων (ICs) συγκομιδής ενέργειας χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. Σκοπός είναι η έρευνα στον τομέα της σχεδίασης ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και η υλοποίηση δομών μετατροπής και διαχείρισης της ενέργειας, οι οποίες θα παρουσιάζουν υψηλή απόδοση και συνεπώς πολύ χαμηλή κατανάλωση, παρέχοντας μακροπρόθεσμη και αξιόπιστη λειτουργία των συνδεδεμένων φορτίων χωρίς την ανάγκη αντικατάστασης μπαταριών ή εξωτερικών πηγών ενέργειας. Στα πλαίσια της διατριβής παρουσιάζεται η υλοποίηση ενός συστήματος ταυτόχρονης συλλογής ενέργειας από πολλαπλές περιβαλλοντικές πηγές (φωτεινή, θερμική και μηχανική ενέργεια), με χαμηλή κατανάλωση ισχύος και υψηλή προσαρμοστικότητα τόσο σε περιβάλλοντα με διαφορετικά χαρακτηριστικά, όσο και σε εύρος διασυνδεδεμένων εξωτερικών φορτίων ΙοΤ. Η διατριβή ξεκινά με μια εμπεριστατωμένη ανασκόπηση των σύγχρονων τεχνικών συγκομιδής ενέργειας που έχουν αναπτυχθεί για εφαρμογές στα πλαίσια του Διαδικτύου των Πραγμάτων και των Δικτύων Ασυρμάτων Αισθητήρων. Συγκεκριμένα, εξετάζονται διάφοροι τύποι αρχιτεκτονικών που έχουν παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία για συλλογή ενέργειας από πολλαπλές πηγές, αναλύονται τα χαρακτηριστικά τους και οι περιορισμοί της κάθε τοπολογίας. Στη συνέχεια, σχεδιάζονται επιμέρους κυκλώματα (blocks) ενός συστήματος πολλαπλής συλλογής ενέργειας (multi-source energy harvesting system), λαμβάνοντας υπόψιν περιορισμούς και trade-offs μεταξύ χαρακτηριστικών των κυκλωμάτων. Τα κυκλώματα υλοποιούνται με μεθοδολογίες που αποσκοπούν στην ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης ισχύος των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, ενώ παράλληλα μεγιστοποιούν την απόδοση της συγκομιδής ενέργειας, όπως λειτουργία στην περιοχή υπό-κατωφλίου, χαμηλές διακοπτικές συχνότητες και αλγόριθμοι παρακολούθησης σημείου μέγιστης ισχύος (Maximum Power Point tracking). Το τελικό σύστημα προσφέρεται για σύνδεση φωτοβολταϊκών κυψελίδων, θερμοηλεκτρικής, πιεζοηλεκτρικής και τριβοηλεκτρικής γεννήτριας. Για την αποθήκευση της συλλεγμένης ενέργειας υλοποιείται μια μονάδα αποθήκευσης με χρήση υπερ-πυκνωτών και μπαταρίας η οποία αξιοποιείται μόνο ως δευτερεύον (backup) αποθηκευτικό μέσο. Για την επιβεβαίωση της ορθής λειτουργίας των προτεινόμενων ολοκληρωμένων κυκλωμάτων συλλογής και διαχείρισης ενέργειας, κατασκευάζεται μια σειρά ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και δοκιμάζονται τόσο σε εργαστηριακές όσο και σε πραγματικές περιβαλλοντικές συνθήκες, για όλους τους τύπους ενέργειας για τους οποίους το σύστημα προσφέρει είσοδο. Οι επιδόσεις των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων αξιολογούνται από την άποψη της αποδοτικότητας της συγκομιδής ενέργειας και των δυνατοτήτων διαχείρισης ισχύος του συστήματος. Τα πειραματικά αποτελέσματα καταδεικνύουν υψηλή απόδοση συγκομιδής ενέργειας και επιβεβαιώνουν την λειτουργικότητα διαχείρισης ισχύος οδηγώντας σε μεγαλύτερη διάρκεια ζωής των συστημάτων χωρίς την ανάγκη αντικατάστασης μπαταρίας. Επιβεβαιώνεται η δυνατότητα συλλογής ενέργειας από πολλαπλές πηγές, η αξιόπιστη τροφοδοσία των κυκλωμάτων ελέγχου του συστήματος με σταθεροποιημένη τάση καθώς και η επιτυχής σύνδεση και τροφοδοσία εξωτερικών φορτίων με διαφορετικά χαρακτηριστικά. Στην συνέχεια, η διατριβή επικεντρώνεται σε μεθοδολογίες βελτιστοποίησης και επιτάχυνσης του κύκλου σχεδιασμού ενός ολοκληρωμένου προϊόντος (system on chip) συλλογής ενέργειας. Οι τεχνικές που αναπτύσσονται βασίστηκαν σε δυσκολίες και περιορισμούς που παρατηρήθηκαν τόσο κατά την σχεδίαση των παραπάνω κυκλωμάτων συγκομιδής ενέργειας όσο και κατά την μέτρησή τους. Συγκεκριμένα, προτείνονται μεθοδολογίες για την γρήγορη και ακριβή προσομοίωση του μεγάλου όγκου παρασιτικών στοιχείων του δικτύου διασύνδεσης των διακοπτών ισχύος των κυκλωμάτων μετατροπέων, για την αποδοτική προσομοίωση όλου του συστήματος (chip-package-PCB co-design) για σωστή αξιολόγηση της απόδοσης πριν την κατασκευή των κυκλωμάτων, καθώς και μεθοδολογία για την συμβολή του θορύβου υποστρώματος και των λοιπών θορύβων (crosstalk noise) στην τελική λειτουργία του συστήματος στο τσιπ. Τέλος, η διατριβή ολοκληρώνεται με μελλοντικές ερευνητικές κατευθύνσεις ως προς την βελτιστοποίηση των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων συγκομιδής ενέργειας που αναπτύχθηκαν καθώς και των μεθοδολογιών σχεδίασης και βελτιστοποίησης του κύκλου σχεδιασμού.