Design and evaluation of multi-band RF energy harvesting circuits and antennas for WSNs

Radio frequency (RF) energy harvesting is an emerging technology that will enable to drive the next generation of wireless sensor networks (WSNs) without the need of using batteries. In this paper, we present RF energy harvesting circuits specifically developed for GSM bands (900/1800) and a wearable dual-band antenna suitable for possible implementation within clothes for body worn applications. Besides, we address the development and experimental characterization of three different prototypes of a five-stage Dickson voltage multiplier (with match impedance circuit) responsible for harvesting the RF energy. Different printed circuit board (PCB) fabrication techniques to produce the prototypes result in different values of conversion efficiency. Therefore, we conclude that if the PCB fabrication is achieved by means of a rigorous control in the photo-positive method and chemical bath procedure applied to the PCB it allows for attaining better values for the conversion efficiency. All three prototypes (1, 2 and 3) can power supply the IRIS sensor node for RF received powers of -4 dBm, -6 dBm and -5 dBm, and conversion efficiencies of 20, 32 and 26%, respectively. © 2014 IEEE.

On lattices from combinatorial game theory modularity and a representation theorem: finite case

We show that a self-generated set of combinatorial games, S. may not be hereditarily closed but, strong self-generation and hereditary closure are equivalent in the universe of short games. In [13], the question "Is there a set which will give a non-distributive but modular lattice?" appears. A useful necessary condition for the existence of a finite non-distributive modular L(S) is proved. We show the existence of S such that L(S) is modular and not distributive, exhibiting the first known example. More, we prove a Representation Theorem with Games that allows the generation of all finite lattices in game context. Finally, a computational tool for drawing lattices of games is presented. (C) 2014 Elsevier B.V. All rights reserved.

Surgical correction of scoliosis: Numerical analysis and optimization of the procedure

A previously developed model is used to numerically simulate real clinical cases of the surgical correction of scoliosis. This model consists of one-dimensional finite elements with spatial deformation in which (i) the column is represented by its axis; (ii) the vertebrae are assumed to be rigid; and (iii) the deformability of the column is concentrated in springs that connect the successive rigid elements. The metallic rods used for the surgical correction are modeled by beam elements with linear elastic behavior. To obtain the forces at the connections between the metallic rods and the vertebrae geometrically, non-linear finite element analyses are performed. The tightening sequence determines the magnitude of the forces applied to the patient column, and it is desirable to keep those forces as small as possible. In this study, a Genetic Algorithm optimization is applied to this model in order to determine the sequence that minimizes the corrective forces applied during the surgery. This amounts to find the optimal permutation of integers 1, ... , n, n being the number of vertebrae involved. As such, we are faced with a combinatorial optimization problem isomorph to the Traveling Salesman Problem. The fitness evaluation requires one computing intensive Finite Element Analysis per candidate solution and, thus, a parallel implementation of the Genetic Algorithm is developed.

Solid-state Marx based two-switch voltage modulator for the On-Line Isotope Mass Separator accelerator at the European Organization for Nuclear Research

A new circuit topology is proposed to replace the actual pulse transformer and thyratron based resonant modulator that supplies the 60 kV target potential for the ion acceleration of the On-Line Isotope Mass Separator accelerator, the stability of which is critical for the mass resolution downstream separator, at the European Organization for Nuclear Research. The improved modulator uses two solid-state switches working together, each one based on the Marx generator concept, operating as series and parallel switches, reducing the stress on the series stacked semiconductors, and also as auxiliary pulse generator in order to fulfill the target requirements. Preliminary results of a 10 kV prototype, using 1200 V insulated gate bipolar transistors and capacitors in the solid-state Marx circuits, ten stages each, with an electrical equivalent circuit of the target, are presented, demonstrating both the improved voltage stability and pulse flexibility potential wanted for this new modulator.

Design of improved rail-to-rail low-distortion and low-stress switches in advanced CMOS technologies

This paper describes the efficient design of an improved and dedicated switched-capacitor (SC) circuit capable of linearizing CMOS switches to allow SC circuits to reach low distortion levels. The described circuit (SC linearization control circuit, SLC) has the advantage over conventional clock-bootstrapping circuits of exhibiting low-stress, since large gate voltages are avoided. This paper presents exhaustive corner simulation results of a SC sample-and-hold (S/H) circuit which employs the proposed and optimized circuits, together with the experimental evaluation of a complete 10-bit ADC utilizing the referred S/H circuit. These results show that the SLC circuits can reduce distortion and increase dynamic linearity above 12 bits for wide input signal bandwidths.

Repetitive Solid State Pulse Modulator Based on a DC Voltage Multiplier

A newly developed solid-state repetitive high-voltage (HV) pulse modulator topology created from the mature concept of the d.c. voltage multiplier (VM) is described. The proposed circuit is based in a voltage multiplier type circuit, where a number of d.c. capacitors share a common connection with different voltage rating in each one. Hence, besides the standard VM rectifier and coupling diodes, two solid-state on/off switches are used, in each stage, to switch from the typical charging VM mode to a pulse mode with the d.c. capacitors connected in series with the load. Due to the on/off semiconductor configuration, in half-bridge structures, the maximum voltage blocked by each one is the d.c. capacitor voltage in each stage. A 2 kV prototype is described and the results are compared with PSPICE simulations.

Conversor estático de potência tolerante a falhas

O trabalho apresentado nesta dissertação refere-se à concepção, projecto e realização experimental de um conversor estático de potência tolerante a falhas. Foram analisados trabalhos de investigação sobre modos de falha de conversores electrónicos de potência, topologias de conversores tolerantes a falhas, métodos de detecção de falhas, entre outros. Com vista à concepção de uma solução, foram nomeados e analisados os principais modos de falhas para três soluções propostas de conversores com topologias tolerantes a falhas onde existem elementos redundantes em modo de espera. Foram analisados os vários aspectos de natureza técnica dos circuitos de potência e guiamento de sinais onde se salientam a necessidade de tempos mortos entre os sinais de disparo de IGBT do mesmo ramo, o isolamento galvânico entre os vários andares de disparo, a necessidade de minimizar as auto-induções entre o condensador DC e os braços do conversor de potência. Com vista a melhorar a fiabilidade e segurança de funcionamento do conversor estático de potência tolerante a falhas, foi concebido um circuito electrónico permitindo a aceleração da actuação normal de contactores e outro circuito responsável pelo encaminhamento e inibição dos sinais de disparo. Para a aplicação do conversor estático de potência tolerante a falhas desenvolvido num accionamento com um motor de corrente contínua, foi implementado um algoritmo de controlo numa placa de processamento digital de sinais (DSP), sendo a supervisão e actuação do sistema realizados em tempo-real, para a detecção de falhas e actuação de contactores e controlo de corrente e velocidade do motor utilizando uma estratégia de comando PWM. Foram realizados ensaios que, mediante uma detecção adequada de falhas, realiza a comutação entre blocos de conversores de potência. São apresentados e discutidos resultados experimentais, obtidos usando o protótipo laboratorial.

Projecto de um conversor redutor CC-CC comutado para SoC

A evolução da tecnologia CMOS tem possibilitado uma maior densidade de integração de circuitos tornando possível o aumento da complexidade dos sistemas. No entanto, a integração de circuitos de gestão de potência continua ainda em estudo devido à dificuldade de integrar todos os componentes. Esta solução apresenta elevadas vantagens, especialmente em aplicações electrónicas portáteis alimentadas a baterias, onde a autonomia é das principais características. No âmbito dos conversores redutores existem várias topologias de circuitos que são estudadas na área de integração. Na categoria dos conversores lineares utiliza-se o LDO (Low Dropout Regulator), apresentando no entanto baixa eficiência para relações de conversão elevadas. Os conversores comutados são elaborados através do recurso a circuitos de comutação abrupta, em que a eficiência deste tipo de conversores não depende do rácio de transformação entre a tensão de entrada e a de saída. A diminuição física dos processos CMOS tem como consequência a redução da tensão máxima que os transístores suportam, impondo o estudo de soluções tolerantes a “altatensão”, com o intuito de manter compatibilidade com tensões superiores que existam na placa onde o circuito é incluído. Os sistemas de gestão de energia são os primeiros a acompanhar esta evolução, tendo de estar aptos a fornecer a tensão que os restantes circuitos requerem. Neste trabalho é abordada uma metodologia de projecto para conversores redutores CCCC comutados em tecnologia CMOS, tendo-se maximizado a frequência com vista à integração dos componentes de filtragem em circuito integrado. A metodologia incide sobre a optimização das perdas totais inerentes à comutação e condução, dos transístores de potência e respectivos circuitos auxiliares. É apresentada uma nova metodologia para o desenvolvimento de conversores tolerantes a “alta-tensão”.

Power Electronics Didactic Modules for Direct Current Machine Control

Several didactic modules for an electric machinery laboratory are presented. The modules are dedicated for DC machinery control and get their characteristic curves. The didactic modules have a front panel with power and signal connectors and can be configurable for any DC motor type. The three-phase bridge inverter proposed is one of the most popular topologies and is commercially available in power package modules. The control techniques and power drives were designed to satisfy static and dynamic performance of DC machines. Each power section is internally self-protected against misconnections and short-circuits. Isolated output signals of current and voltage measurements are also provided, adding versatility for use either in didactic or research applications. The implementation of such modules allowed experimental confirmation of the expected performance.

Projecto de um regulador linear de tensão: LDO

Os reguladores de tensão LDO são utilizados intensivamente na actual indústria de electrónica, são uma parte essencial de um bloco de gestão de potência para um SoC. O aumento de produtos portáteis alimentados por baterias levou ao crescimento de soluções totalmente integradas, o que degrada o rendimento dos blocos analógicos que o constituem face às perturbações introduzidas na alimentação. Desta forma, surge a necessidade de procurar soluções cada vez mais optimizadas, impondo assim novas soluções, e/ou melhoramentos dos circuitos de gestão de potência, tendo como objectivo final o aumento do desempenho e da autonomia dos dispositivos electrónicos. Normalmente este tipo de reguladores tem a corrente de saída limitada, devido a problemas de estabilidade associados. Numa tentativa de evitar a instabilidade para as correntes de carga definidas e aumentar o PSRR do mesmo, é apresentado um método de implementação que tem como objectivo melhorar estas características, em que se pretende aumentar o rendimento e melhorar a resposta à variação da carga. No entanto, a técnica apresentada utiliza polarização adaptativa do estágio de potência, o que implica um aumento da corrente de consumo. O regulador LDO foi implementado na tecnologia CMOS UMC 0.18μm e ocupa uma área inferior a 0,2mm2. Os resultados da simulação mostram que o mesmo suporta uma transição de corrente 10μA para 100mA, com uma queda de tensão entre a tensão de alimentação e a tensão de saída inferior a 200mV. A estabilidade é assegurada para todas as correntes de carga. O tempo de estabelecimento é inferior a 6μs e as variações da tensão de saída relativamente a seu valor nominal são inferiores a 5mV. A corrente de consumo varia entre os 140μA até 200μA, o que permite atingir as especificações proposta para um PSRR de 40dB@10kHz.

Conectividade estrutural do cérebro

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde. Área de especialização: Ressonância Magnética

Codificador JPEG baseado em FPGA

O presente trabalho consiste na implementação em hardware de unidades funcionais dedicadas e optimizadas, para a realização das operações de codificação e descodificação, definidas na norma de codificação com perda Joint Photographic Experts Group (JPEG), ITU-T T.81 ISO/IEC 10918-1. Realiza-se um estudo sobre esta norma de forma a caracterizar os seus principais blocos funcionais. A finalidade deste estudo foca-se na pesquisa e na proposta de optimizações, de forma a minimizar o hardware necessário para a realização de cada bloco, de modo a que o sistema realizado obtenha taxas de compressão elevadas, minimizando a distorção obtida. A redução de hardware de cada sistema, codificador e descodificador, é conseguida à custa da manipulação das equações dos blocos Forward Discrete Cosine Transform (FDCT) e Quantificação (Q) e dos blocos Forward Discrete Cosine Transform (IDCT) e Quantificação Inversa (IQ). Com as conclusões retiradas do estudo e através da análise de estruturas conhecidas, descreveu-se cada bloco em Very-High-Speed Integrated Circuits (VHSIC) Hardware Description Language (VHDL) e fez-se a sua síntese em Field Programmable Gate Array (FPGA). Cada sistema implementado recorre à execução de cada bloco em paralelo de forma a optimizar a codificação/descodificação. Assim, para o sistema codificador, será realizada a operação da FDCT e Quantificação sobre duas matrizes diferentes e em simultâneo. O mesmo sucede para o sistema descodificador, composto pelos blocos Quantificação Inversa e IDCT. A validação de cada bloco sintetizado é executada com recurso a vectores de teste obtidos através do estudo efectuado. Após a integração de cada bloco, verificou-se que, para imagens greyscale de referência com resolução de 256 linhas por 256 colunas, é necessário 820,5 μs para a codificação de uma imagem e 830,5 μs para a descodificação da mesma. Considerando uma frequência de trabalho de 100 MHz, processam-se aproximadamente 1200 imagens por segundo.

A DC-DC Step-Up mu-Power Converter for Energy Harvesting Applications, Using Maximum Power PointTracking, Based on Fractional Open Circuit Voltage

A DC-DC step-up micro power converter for solar energy harvesting applications is presented. The circuit is based on a switched-capacitorvoltage tripler architecture with MOSFET capacitors, which results in an, area approximately eight times smaller than using MiM capacitors for the 0.131mu m CMOS technology. In order to compensate for the loss of efficiency, due to the larger parasitic capacitances, a charge reutilization scheme is employed. The circuit is self-clocked, using a phase controller designed specifically to work with an amorphous silicon solar cell, in order to obtain themaximum available power from the cell. This will be done by tracking its maximum power point (MPPT) using the fractional open circuit voltage method. Electrical simulations of the circuit, together with an equivalent electrical model of an amorphous silicon solar cell, show that the circuit can deliver apower of 1132 mu W to the load, corresponding to a maximum efficiency of 66.81%.

A Step-up mu-Power Converter for Solar Energy Harvesting Applications, using Hill Climbing Maximum Power Point Tracking

This paper presents a step-up micro-power converter for solar energy harvesting applications. The circuit uses a SC voltage tripler architecture, controlled by an MPPT circuit based on the Hill Climbing algorithm. This circuit was designed in a 0.13 mu m CMOS technology in order to work with an a-Si PV cell. The circuit has a local power supply voltage, created using a scaled down SC voltage tripler, controlled by the same MPPT circuit, to make the circuit robust to load and illumination variations. The SC circuits use a combination of PMOS and NMOS transistors to reduce the occupied area. A charge re-use scheme is used to compensate the large parasitic capacitors associated to the MOS transistors. The simulation results show that the circuit can deliver a power of 1266 mu W to the load using 1712 mu W of power from the PV cell, corresponding to an efficiency as high as 73.91%. The simulations also show that the circuit is capable of starting up with only 19% of the maximum illumination level.

A Voltage Limiter Circuit for Indoor Light Energy Harvesting Applications

A voltage limiter circuit for indoor light energy harvesting applications is presented. This circuit is a part of a bigger system, whose function is to harvest indoor light energy, process it and store it, so that it can be used at a later time. This processing consists on maximum power point tracking (MPPT) and stepping-up, of the voltage from the photovoltaic (PV) harvester cell. The circuit here described, ensures that even under strong illumination, the generated voltage will not exceed the limit allowed by the technology, avoiding the degradation, or destruction, of the integrated die. A prototype of the limiter circuit was designed in a 130 nm CMOS technology. The layout of the circuit has a total area of 23414 mu m(2). Simulation results, using Spectre, are presented.