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Submitted by Fátima Piedade (fpiedade@sa.isel.pt) on 2013-01-25T12:02:49Z No. of bitstreams: 1 A DC-DC Step-Up mu-Power Converter for Energy Harvesting Applications, Using Maximum Power PointTracking, Based on Fractional Open Circuit Voltage.rep.pdf: 197771 bytes, checksum: b84dff820d6e002b44d737c1ccd4460c (MD5) Made available in DSpace on 2013-01-25T12:02:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 A DC-DC Step-Up mu-Power Converter for Energy Harvesting Applications, Using Maximum Power PointTracking, Based on Fractional Open Circuit Voltage.rep.pdf: 197771 bytes, checksum: b84dff820d6e002b44d737c1ccd4460c (MD5) Previous issue date: 2012

This work contains an analysis of multiple topologies of DC-DC voltage buck con verters. The main goal of this Thesis is to study and design a functioning Step Down converter for capacitive coupling devices used for energy harvesting from the power AC grid. In order to achieve this goal, multiple topologies and circuits of this type of converter are studied and analysed, so that the requirements for the intended application are met. Since the input is obtained from the AC power grid and the output is connected to a supercapacitor, this results in a large input voltage (over 150V) and a low output voltage (between 1V to 3V), therefore the converter requires a step down voltage conversion ratio of around 130. The DC-DC converter should also have a large input impedance (around 50Mohm) to maximize the energy transferred from the power grid. This mode of operation is not common for regular inductance based DC-DC converters, making this a challenging problem. Moreover, since the amount of energy available from the capacitive coupling is very small, it is also necessary to develop a controller circuit that is capable of created a clock with a very low duty cycle while dissipating less than 50uW. Este trabalho visa analisar várias tipologias de conversores de tensão DC-DC deno minados conversores Buck. O principal objectivo desta Tese é estudar e projectar um conversor DC-DC abaixador de tensão para sistemas de acopelamento electromagnético capacitivo utilizada em aplicações de Energy Harvesting a partir da rede AC. De forma a cumprir este objectivo, várias tipologias são estudadas ao longo deste trabalho, de forma a cumprir as especificações exigidas. Uma vez que o sinal de entrada é obtido a partir da rede AC, e que o output está ligado a um supercondensador, isto faz com que a tensão de entrada seja elevado (Acima dos 150V) e a tensão de saída seja baixa (entre 1V e 3V), como tal o conversor precisa de um rácio de abaixamento bastante elevado de cerca de 130 vezes. O conversor DC-DC deve também ter uma impedância de entrada elevada (cerca de 50MOhm) por forma a maximizar a energia transferida da rede de energia. Estas condições de funcionamento não são habituais para conversores DC-DC indutivos, o que torna este um problema muito desafiante. Adicionalmente, uma vez que a energia disponivel devido ao acopelamento capacitivo é muito reduzida, é necessário desenvolver um circuito controlador capaz gerar um sinal de relógio com um duty cycle reduzido enquanto dissipa menos de 50uW de potência.

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Esta tese apresenta um circuito conversor DC-DC (“step-up”) para aplicações de “energy harvest”. Este circuito utiliza uma arquitectura “Switched capacitor voltage tripler”, controlada por um circuito MPPT baseado nos métodos “Load Voltage Maximization” e “Hill Climbing”. Este circuito foi desenhado usando a tecnologia “0.13 μm CMOS” de forma a funcionar com uma célula fotoeléctrica de “a-silicon”. Este circuito tem uma fonte de alimentação local também controlada pelo mesmo circuito MPPT, que é uma réplica do conversor “SC voltage tripler”, redimensionado a 3% da área deste último. Este circuito utiliza a combinação de transístores PMOS e NMOS de forma a reduzir a área ocupada. Um esquema de reutilização de cargas é utilizado para compensar as grandes resistências parasitas associadas aos transístores MOS. Os resultados das simulações mostram que o circuito pode fornecer uma potência de 9636 μW à carga, utilizando uma potência de 1274 μW na célula fotoeléctrica,correspondendo a uma eficiência na ordem dos 75,66%. As simulações mostram também que o circuito é capaz de se iniciar com apenas 19% do nível de iluminação máximo da célula fotoeléctrica.