Progetto di un circuito convertitore di potenza per applicazioni di energy harvesting a bassissime tensioni

In questo lavoro si vuole mostrare come sia possibile realizzare un circuito per energy harvesting totalmente autonomo, quindi senza l’ausilio di batterie, per sorgenti ultra-low voltage, in particolare per sorgenti termoelettriche sottoposte a piccoli gradienti di temperatura ed in grado di erogare tensioni di qualche decina di millivolt. Si esporrà come il circuito sia capace di avviarsi, autosostenersi ed alimentare un piccolo carico. Si è scelta una architettura basata su componenti discreti suddivisa in due macro blocchi: un circuito di startup implementato attraverso un’architettura a trasformatore piezoelettrico e un boost converter pilotato in catena aperta da un oscillatore ultra-low power.

Energy harvesting system design and optimization for wireless sensor networks

Wireless sensor networks (WSN) are becoming widely adopted for many applications including complicated tasks like building energy management. However, one major concern for WSN technologies is the short lifetime and high maintenance cost due to the limited battery energy. One of the solutions is to scavenge ambient energy, which is then rectified to power the WSN. The objective of this thesis was to investigate the feasibility of an ultra-low energy consumption power management system suitable for harvesting sub-mW photovoltaic and thermoelectric energy to power WSNs. To achieve this goal, energy harvesting system architectures have been analyzed. Detailed analysis of energy storage units (ESU) have led to an innovative ESU solution for the target applications. Battery-less, long-lifetime ESU and its associated power management circuitry, including fast-charge circuit, self-start circuit, output voltage regulation circuit and hybrid ESU, using a combination of super-capacitor and thin film battery, were developed to achieve continuous operation of energy harvester. Low start-up voltage DC/DC converters have been developed for 1mW level thermoelectric energy harvesting. The novel method of altering thermoelectric generator (TEG) configuration in order to match impedance has been verified in this work. Novel maximum power point tracking (MPPT) circuits, exploring the fractional open circuit voltage method, were particularly developed to suit the sub-1mW photovoltaic energy harvesting applications. The MPPT energy model has been developed and verified against both SPICE simulation and implemented prototypes. Both indoor light and thermoelectric energy harvesting methods proposed in this thesis have been implemented into prototype devices. The improved indoor light energy harvester prototype demonstrates 81% MPPT conversion efficiency with 0.5mW input power. This important improvement makes light energy harvesting from small energy sources (i.e. credit card size solar panel in 500lux indoor lighting conditions) a feasible approach. The 50mm × 54mm thermoelectric energy harvester prototype generates 0.95mW when placed on a 60oC heat source with 28% conversion efficiency. Both prototypes can be used to continuously power WSN for building energy management applications in typical office building environment. In addition to the hardware development, a comprehensive system energy model has been developed. This system energy model not only can be used to predict the available and consumed energy based on real-world ambient conditions, but also can be employed to optimize the system design and configuration. This energy model has been verified by indoor photovoltaic energy harvesting system prototypes in long-term deployed experiments.

Progetto di un convertitore di potenza autonomo per applicazioni di energy harvesting per radiofrequenza

Progetto di un circuito convertitore di potenza ottimizzato per essere alimentato da un antenna a RF in grado di estrarre potenza dalle bande a 900Mhz, 1750 MHz e 2450 MHz

Progetto di un convertitore flyback sincrono per applicazioni di energy harvesting piezoelettrico

In questo elaborato è stata trattata la caratterizzazione tramite simulazioni e prove in laboratorio di un circuito in grado di estrarre e accumulare energia elettrica, la quale viene generata da vibrazioni meccaniche tramite l'uso di dispositivi piezoelettrici. Partendo da una tipologia di circuito già esistente è stata studiata una variante nel sistema di conversione dell'energia, in questo caso il convertitore implementato è un convertitore di tipo flyback. Dopo aver studiato il circuito in dettaglio, è stata realizzata una prima simulazione circuitale mediante software Ltspice. Sono stati quindi analizzati gli andamenti delle tensioni di uscita e di ingresso durante il processo di carica della capacità, applicando in ingresso differenti tensioni. Infine i dati ottenuti sono stati elaborati in un foglio elettronico per poter ricavare l'andamento del rendimento.

Progetto di una scheda a circuito stampato per il collaudo di un circuito integrato per Energy Harvesting da sorgenti eterogenee

Questo elaborato tratta la realizzazione di una scheda a circuito stampato. Essa è stata pensata con il compito di testare un circuito integrato per l'Energy Harvesting, progettato dall'Univesità di Bologna. La scheda implementerà numerose sorgenti alternative eterogenee Low-Power, cosicché il circuito integrato riuscirà ad estrapolarne una carica elettrica fino ad un massimo di alcuni milliwatt. Questa potenza sarà sufficiente ad alimentare qualsiasi dispositivo Low-Power.

Progetto di una scheda PCB per applicazioni di Energy Harvesting a bassissime tensioni

Progetto di una scheda PCB per applicazioni di Energy Harvesting a bassissime tensioni. Il circuito è in grado di avviarsi, autosostenersi e alimentare un piccolo carico.

A tuned rectifier for RF energy harvesting from ambient radiations

A circuit topology based on accumulate-and-use philosophy has been developed to harvest RF energy from ambient radiations such as those from cellular towers. Main functional units of this system are antenna, tuned rectifier, supercapacitor, a gated boost converter and the necessary power management circuits. Various RF aspects of the design philosophy for maximizing the conversion efficiency at an input power level of 15 mu W are presented here. The system is characterized in an anechoic chamber and it has been established that this topology can harvest RF power densities as low as 180 mu W/m(2) and can adaptively operate the load depending on the incident radiation levels. The output of this system can be easily configured at a desired voltage in the range 2.2-4.5 V. A practical CMOS load - a low power wireless radio module has been demonstrated to operate intermittently by this approach. This topology can be easily modified for driving other practical loads, from harvested RF energy at different frequencies and power levels.

Convertitori di potenza multi-sorgente per applicazioni di energy harvesting

L’obiettivo di questa tesi è stato lo svilippo di un convertitore di potenza per applicazioni di energy harvesting in grado di convogliare l’energia estratta da diversi tipi di trasduttori di grandezze ambientali in un unico dispositivo di storage, ad es. un condensatore, utilizzabile per alimentare circuiti a basso consumo. L’idea di base è stata quella di ottimizzare il trasferimento di energia, attraverso una rete logica in grado di gestire le priorità di conversione dalle diverse tipologie di sorgenti e grazie ad una implementazione di un algoritmo di Maximum Power Point Tracking. In base alle specifiche di progetto, in una prima fase è stata sviluppata la rete a livello funzionale, poi sono stati scelti i componenti più opportuni ed infine si è verificato il funzionamento attraverso simulazioni circuitali.

Progetto di un nodo sensore wireless ultra low-power per applicazioni di energy harvesting

Progetto di un nodo wireless, alimentato attraverso l'Energy Harvesting, in grado di misurare la temperatura ambiente ed inviarla ad un sistema ricevente che la visualizzerà su uno schermo LCD.

Nano-Power Integrated Circuits for Energy Harvesting

The energy harvesting research field has grown considerably in the last decade due to increasing interests in energy autonomous sensing systems, which require smart and efficient interfaces for extracting power from energy source and power management (PM) circuits. This thesis investigates the design trade-offs for minimizing the intrinsic power of PM circuits, in order to allow operation with very weak energy sources. For validation purposes, three different integrated power converter and PM circuits for energy harvesting applications are presented. They have been designed for nano-power operations and single-source converters can operate with input power lower than 1 μW. The first IC is a buck-boost converter for piezoelectric transducers (PZ) implementing Synchronous Electrical Charge Extraction (SECE), a non-linear energy extraction technique. Moreover, Residual Charge Inversion technique is exploited for extracting energy from PZ with weak and irregular excitations (i.e. lower voltage), and the implemented PM policy, named Two-Way Energy Storage, considerably reduces the start-up time of the converter, improving the overall conversion efficiency. The second proposed IC is a general-purpose buck-boost converter for low-voltage DC energy sources, up to 2.5 V. An ultra-low-power MPPT circuit has been designed in order to track variations of source power. Furthermore, a capacitive boost circuit has been included, allowing the converter start-up from a source voltage VDC0 = 223 mV. A nano-power programmable linear regulator is also included in order to provide a stable voltage to the load. The third IC implements an heterogeneous multisource buck-boost converter. It provides up to 9 independent input channels, of which 5 are specific for PZ (with SECE) and 4 for DC energy sources with MPPT. The inductor is shared among channels and an arbiter, designed with asynchronous logic to reduce the energy consumption, avoids simultaneous access to the buck-boost core, with a dynamic schedule based on source priority.

A resistance emulation approach to optimize the wave energy harvesting for a direct drive point absorber

In general, a major challenge for the exploitation of renewable energies is to improve their efficiency. In electricity generation from the energy of ocean waves, not unlike other technologies, the converter must be optimized to make the energy harvesting economically feasible. This paper proposes a passive tuning control strategy of a point absorber in which the power captured is maximized by controlling the electromagnetic force of the generator with a resistance emulation approach. The proposed strategy consists of mapping the optimal values for regular waves and applying them to irregular waves. This strategy is tested in a wave energy converter in which the generator is connected to a boost rectifier converter whose controller is designed to emulate a resistance. The power electronics system implemented is validated by comparing its performance with the case in which the generator is directly connected to a resistive load. The simulation results show the effectiveness of the proposed strategy as the maximum captured power is concentrated around the optimal values previously calculated and with the same behavior for both excitations.

Utilizing robustness of positive buck-boost converter against input voltage and load current disturbances

A Positive Buck- Boost (PBB) converter is a known DC-DC converter that can operate in step up and step down modes. Unlike Buck, Boost, and Inverting Buck Boost converters, the inductor current of a PBB can be controlled independently of its voltage conversion ratio. In other words, the inductor of PBB can be utilised as an energy storage unit in addition to its main function of energy transfer. In this paper, the capability of PBB to store energy has been utilised to achieve robustness against input voltage fluctuations and output current changes. The control strategy has been developed to keep accuracy, affordability, and simplicity acceptable. To improve the efficiency of the system a Smart Load Controller (SLC) has been suggested. Applying SLC extra current storage occurs when there is sudden loads change otherwise little extra current is stored.

Energy harvesting da trasduttori piezoelettrici mediante estrazione di carica quasi-sincrona

In questo documento è stata proposta una soluzione per l'estrazione di carica da un trasduttore piezoelettrico mediante un circuito di conversione quasi-sincrono. Il trasduttore piezoelettrico può essere considerato un ottimo dispositivo per convertire l’energia derivante dalle vibrazioni; la soluzione proposta di estrazione di carica in maniera quasi-sincrona permette un processo di energy harvesting con prestazioni nettamente migliori rispetto al caso di conversione sincrona per casi di trasduttori fortemente accoppiati.

Caratterizzazione di un circuito per l'estrazione di carica sincrona da trasduttori piezoelettrici

L'elaborato di tesi tratta la caratterizzazione del rendimento di un circuito convertitore di energia elettrica in energia meccanica. La conversione viene svolta con una procedura più complessa, ma più efficiente rispetto alla conversione classica. Il circuito studiato è soggetto alle problematiche legate all'energy harvesting, tuttavia ha il vantaggio di non necessitare di alimentazione esterna.