Design of electronic circuits and systems for energy harvesting and measurements

Abstract

In recent years a large number of autonomous devices has been employed in diverse types of applications. With the constant advancement of technology, such devices are capable for more and more demanding operations (e.g., machine learning or image processing), which can be implemented consuming only a few μW of power. The ability to operate with the minimum power consumption is an important advantage; however, the ambient energy level usually varies with time (e.g., light energy from the sun). This enables the modern autonomous devices to exploit the periods of excess power in order to upgrade their functions qualitatively or quantitatively in an adaptive way. Thus, besides the power consumption of the device, an important parameter for modern applications is also the working-power-range, which the device can utilize efficiently. This specification mostly affects the energy harvesting circuit, and in order to satisfy it compromises should be made between its working power range and its power consumption.

Τα τελευταία χρόνια έχει αναπτυχθεί ένας τεράστιος αριθμός αυτόνομων ηλεκτρονικών συσκευών που χρησιμοποιείται σε διάφορους τύπους εφαρμογών. Οι αυτόνομες συσκευές είναι ικανές να εκμεταλλευθούν την διαθέσιμη ανανεώσιμη ενέργεια από το περιβάλλον τους ώστε να υποστηρίξουν την αυτονομία τους (πχ φωτεινή ή θερμική ενέργεια), με την βοήθεια των κατάλληλων κυκλωμάτων και συλλεκτών (πχ φωτοβολταϊκό ή θερμοηλεκτρικό συλλέκτη). Τα προηγούμενα χρόνια, οι διαθέσιμες λειτουργίες τέτοιων συσκευών περιορίζονταν μόνο στα πιο απαραίτητα. Με την συνεχή πρόοδο της τεχνολογίας και των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, οι μοντέρνες αυτόνομες συσκευές είναι ικανές για ολοένα και περισσότερες λειτουργίες με αυξημένες απαιτήσεις. Έτσι, σήμερα έχουμε αυτόνομες συσκευές ικανές για τις πιο απαιτητικές λειτουργίες (πχ μηχανική μάθηση ή επεξεργασία εικόνας), οι οποίες μπορούν να υλοποιηθούν καταναλώνοντας μόλις μερικά μW ισχύος.Η ικανότητα λειτουργίας με πολύ χαμηλή κατανάλωση ισχύος είναι ένα πολύ σημαντικό πλεονέκτημα, αφού επιτρέπει την λειτουργία της συσκευής σε ακραίες ενεργειακά συνθήκες, αλλά και την δυνατότητα χρήσης ολοένα και μικρότερων ενεργειακών συλλεκτών. Ωστόσο, συνήθως μια ανανεώσιμη πηγή αποδίδει διαφορετικές τιμές ισχύος σε διαφορετικές χρονικές στιγμές. Για παράδειγμα, η ένταση και η διάρκεια της φωτεινής ενέργειας από τον ήλιο, ποικίλει τόσο από ώρα σε ώρα, όσο και από μέρα σε μέρα. Αυτό δίνει την δυνατότητα στις συσκευές που λειτουργούν υπό αυτές τις συνθήκες να χρησιμοποιήσουν τις περιόδους περίσσειας ενέργειας ώστε να αναβαθμίσουν τις λειτουργίες τους είτε ποιοτικά, είτε ποσοτικά. Έτσι, εκτός από την ιδία κατανάλωση της αυτόνομης συσκευής, μια σημαντική παράμετρος είναι το εύρος ισχύος εισόδου που αυτή μπορεί να εκμεταλλευθεί αποδοτικά. Δυστυχώς αυτή η επιπλέον απαίτηση για μεγάλο εύρος ισχύος εισόδου αυξάνει σημαντικά τόσο την πολυπλοκότητα, όσο και την κατανάλωση του κυκλώματος συλλογής ενέργειας. Έτσι, ο σχεδιαστής είναι αναγκασμένος να συμβιβαστεί με μια λύση μέσης κατανάλωσης και μέσου εύρους ισχύος λειτουργίας, ανάλογα με τις προδιαγραφές της εκάστοτε εφαρμογής. Η παρούσα διδακτορική διατριβή εξετάζει τους υπάρχοντες περιορισμούς και συμβιβασμούς σχετικά με την κατανάλωση και το εύρος ισχύος λειτουργίας των μοντέρνων κυκλωμάτων συλλογής ενέργειας, προτείνοντας μια καινοτόμα εναλλακτική τοπολογία. Αρχικά, για την κατανόηση των περιορισμών μεταξύ εύρους ισχύος εισόδου και κατανάλωσης, εξετάζονται αναλυτικά οι διαθέσιμες λύσεις σε επίπεδο μετατροπέων τάσης, οι οποίοι αποτελούν τη βασική μονάδα ενός κυκλώματος συλλογής ενέργειας. Στην συνέχεια, η προτεινόμενη τοπολογία αναλύεται και παρουσιάζεται με την βοήθεια δυο προσεγγίσεων πρωτότυπων κυκλωμάτων συλλογής ενέργειας, καθώς και με την υλοποίηση δυο πρωτότυπων αυτόνομων συσκευών καταγραφής επιταχύνσεων.Τα πρώτα κυκλώματα μετατροπέων τάσης ήταν ήδη σε χρήση από τις αρχές του προηγούμενου αιώνα, παρόλο που ακόμη δεν υπήρχε απαίτηση για αυτόνομες συσκευές ή για συλλογή ενέργειας από το περιβάλλον. Οι πρώτοι μετατροπείς βασίζονταν κυρίως σε μηχανικές διατάξεις, όπως μοτέρ, γεννήτριες και ηλεκτρομηχανικούς δονητές και εμφάνιζαν ικανοποιητική απόδοση για ένα συγκεκριμένο επίπεδο ισχύος εισόδου, το οποίο ρυθμιζόταν από τα μηχανικά χαρακτηριστικά της κατασκευής. Με την συνεχή πρόοδο της τεχνολογίας και συγκεκριμένα με την εφεύρεση του τρανζίστορ, οι μηχανικές διατάξεις αντικαταστάθηκαν από αυτο-ταλάντωτα κυκλώματα και μετασχηματιστές, αυξάνοντας έτσι την απόδοση και μειώνοντας το μέγεθος των μετατροπέων τάσης. Η ανάγκη για ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης των μετατροπέων έγινε σημαντική στα μέσα του προηγούμενου αιώνα, με την εμφάνιση των πρώτων αυτόνομων συσκευών που λειτουργούσαν με μπαταρίες. Στα τέλη του προηγούμενου αιώνα, με την εμφάνιση των πρώτων αυτόνομων συσκευών που βασιζόταν στην διαθέσιμη ενέργεια από το περιβάλλον, έγινε σημαντική και η ανάγκη για δυναμική λειτουργία των μετατροπέων σε όσο το δυνατόν μεγαλύτερο εύρος ισχύος εισόδου. Έτσι, έχουμε την εμφάνιση νέων τύπων μετατροπέων, ικανών για δυναμικό έλεγχο, όπως ο μετατροπέας ανύψωσης τάσης (boost converter), ο μετατροπέας υποβιβασμού τάσης (buck converter) ή ο μετατροπέας τύπου αντλίας φορτίου (charge pump converter), οι οποίοι είναι γνωστοί σαν μετατροπείς τάσης διακοπτικής λειτουργίας (switching voltage converters).Για τον δυναμικό έλεγχο των νέων μετατροπέων τάσης διακοπτικής λειτουργίας έχει εισαχθεί ένα νέο υπό-κύκλωμα, το οποίο συνήθως υλοποιείται από κάποια ψηφιακή μονάδα (πχ μικροεπεξεργαστή). Σκοπός αυτού του κυκλώματος είναι ο έλεγχος του μετατροπέα σε συνάρτηση με την διαθέσιμη ισχύ εισόδου, ώστε να εξασφαλισθεί η βέλτιστη δυνατή απόδοση σε κάθε κατάσταση ισχύος. Η λειτουργία αυτή είναι γνωστή ως εντοπισμός σημείου μέγιστης ισχύος (maximum power point tracking), και μπορεί να επιτευχθεί με πολλούς διαφορετικούς τρόπους τόσο σε επίπεδο υλικού όσο και σε επίπεδο λογικής. Οι πιο αποδοτικές υλοποιήσεις απαιτούν την συνεχή μέτρηση της ισχύος εισόδου του μετατροπέα, εισάγοντας έτσι ένα επιπλέον υπό-κύκλωμα για αυτόν τον σκοπό.Σε αντίθεση με τους παλιότερους τύπους μετατροπέων, που βασίζονταν σε αυτο-ταλάντωτα κυκλώματα, οι νέοι τύποι μετατροπέων τάσης διακοπτικής λειτουργίας απαιτούν διαφορετική συχνότητα ταλάντωσης για διαφορετική κατάσταση ισχύος εισόδου. Έτσι, για την πλήρη αξιοποίηση του εύρους λειτουργίας του μετατροπέα πρέπει ενσωματωθεί ένας ρυθμιζόμενος ταλαντωτής στο κύκλωμα (controlled oscillator). Αυτή η μονάδα του ρυθμιζόμενου ταλαντωτή είναι σύμφωνα με τα σημερινά δεδομένα η πιο απαιτητική ενεργειακά, και συνήθως υλοποιείται από την ψηφιακή μονάδα ελέγχου. Ενώ ιδανικά η λειτουργία του μετατροπέα στο μέγιστο εύρος ισχύος απαιτεί ένα σήμα με ρυθμιζόμενη συχνότητα (pulse frequency modulation), ένα τέτοιο σήμα είναι δύσκολο να παραχθεί από μια ψηφιακή μονάδα χωρίς την ανάλογη αύξηση στην κατανάλωσή της. Έτσι, προτιμάται το χαμηλότερης απαίτησης σήμα με ρυθμιζόμενο εύρος παλμού (pulse width modulation), το οποίο προσφέρει ένα μέσο εύρος, ικανοποιητικό για αρκετές εφαρμογές, καθώς και την ελάχιστη δυνατή κατανάλωση για κύκλωμα συλλογής ενέργειας με δυναμικό έλεγχο.Η παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνει έναν εναλλακτικό τρόπο ελέγχου ενός μετατροπέα τάσης διακοπτικής λειτουργίας. Στην προτεινόμενη τοπολογία, η μονάδα του ρυθμιζόμενου ταλαντωτή δεν ενσωματώνεται στην μονάδα του ψηφιακού ελέγχου, αλλά στον μετατροπέα τάσης, διατηρώντας όμως την δυνατότητα της ρύθμισης. Έτσι έχουμε έναν αυτό-ταλάντωτο ρυθμιζόμενο μετατροπέα τάσης, ικανό για δυναμική λειτουργία σε όλο το διαθέσιμο εύρος ισχύων εισόδου. Συγκεκριμένα, ο αυτό-ταλάντωτος μετατροπέας σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε ώστε να ρυθμίζει αυτόματα την συχνότητα ταλάντωσής του, ανάλογα με την ισχύ εισόδου, ενώ είναι ικανός για τον εξωτερικό δυναμικό έλεγχο της τάσης ή του ρεύματος εισόδου, ώστε να επιτρέπει την λειτουργία του εντοπισμού του σημείου μέγιστης ισχύος από μια ξεχωριστή ψηφιακή μονάδα. Αυτή η προσέγγιση εμφανίζει σημαντικά πλεονεκτήματα. Αρχικά, ο ρυθμιζόμενος αυτο-ταλάντωτος μετατροπέας εμφανίζει σημαντικά χαμηλότερη κατανάλωση από ένα ξεχωριστό κύκλωμα ρυθμιζόμενου ταλαντωτή. Επίσης, απαιτεί ένα χαμηλής ανάλυσης αναλογικό σήμα για τον δυναμικό έλεγχο, το οποίο δεν επιβαρύνει την ψηφιακή μονάδα. Τέλος, το σημαντικότερο πλεονέκτημα είναι πως λειτουργεί αυτόματα με συχνότητα ανάλογη της ισχύος εισόδου. Έτσι, αντικαθιστά ταυτόχρονα και την ανάγκη για ξεχωριστό κύκλωμα μέτρησης της ισχύος εισόδου που απαιτείται από τις πιο αποδοτικές υλοποιήσεις αλγορίθμων εντοπισμού του σημείου μέγιστης ισχύος λειτουργίας. Τα παραπάνω πλεονεκτήματα αναδεικνύονται με την βοήθεια δυο πρωτότυπων υλοποιήσεων κυκλωμάτων αυτό-ταλάντωτων ρυθμιζόμενων μετατροπέων τάσης. Μια πρώτη υλοποίηση ενός αυτό-ταλάντωτου ρυθμιζόμενου μετατροπέα τάσης, βασισμένου στον μετατροπέα ανύψωσης τάσης (boost converter), έγινε με την βοήθεια ενός συγκριτή παραθύρου (window comparator). Ο συγκριτής αναγκάζει τον μετατροπέα να ταλαντώσει αυτόματα, προσπαθώντας να διατηρήσει μια σταθερή τάση στην είσοδο, η οποία του επιβάλλεται εξωτερικά από την ψηφιακή μονάδα. Με την χρήση του μετατροπέα αυτού, υλοποιήθηκε ένα πλήρες κύκλωμα συλλογής ενέργειας, το οποίο ενσωματώνει τον δυναμικό έλεγχο για τον εντοπισμό του σημείου μέγιστης ισχύος λειτουργίας. Το κύκλωμα εκμεταλλεύεται ολόκληρο το εύρος λειτουργίας του κατασκευασμένου μετατροπέα ανύψωσης τάσης, λειτουργώντας για ισχύ εισόδου από μερικά μW έως και μερικά W, με συνολική κατανάλωση της τάξης των μερικών μW.Μια δεύτερη υλοποίηση ενός ηλεκτρομηχανικού, αυτό-ταλάντωτου, ρυθμιζόμενου μετατροπέα τάσης, βασισμένου στον μετατροπέα ανύψωσης τάσης (boost converter), έγινε με την βοήθεια ενός ρελέ. Το πηνίο του ρελέ λειτουργεί επίσης ως πηνίο του μετατροπέα ανύψωσης τάσης, ενώ μια φυσιολογικά κλειστή επαφή του ρελέ λειτουργεί ως διακόπτης του μετατροπέα ανύψωσης τάσης. Το ρελέ ταλαντώνει αυτόματα προσπαθώντας να διατηρήσει ένα σταθερό ρεύμα στην είσοδο, το οποίο μπορεί να ρυθμιστεί εξωτερικά μέσω ενός μαγνητικού πεδίου. Ο υλοποιημένος ηλεκτρομηχανικός μετατροπέας κατάφερε να λειτουργήσει για μια εξαιρετικά χαμηλή τιμή τάσης εισόδου, με την βοήθεια ενός σταθερά τοποθετημένου μόνιμου μαγνήτη, προσφέροντας μια σημαντική λύση για την ψυχρή εκκίνηση (cold-start) κυκλωμάτων συλλογής ενέργειας.Στην συνέχεια της εργασίας υλοποιούνται δυο πρωτότυπες αυτόνομες συσκευές καταγραφής επιταχύνσεων, βασισμένες στα κυκλώματα συλλογής ενέργειας με δυναμικό έλεγχο, τα οποία υλοποιήθηκαν με την χρήση του αυτό-ταλάντωτου ρυθμιζόμενου μετατροπέα τάσης με συγκριτή παραθύρου. Οι υλοποιημένες συσκευές αξιολογήθηκαν σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας με φωτοβολταϊκό συλλέκτη, για διάφορες καταστάσεις εσωτερικού και εξωτερικού φωτισμού. Παρόλο που μετρήσεις της επιτάχυνσης είναι χρήσιμες σε πάρα πολλές εφαρμογές (πχ αθλητισμό), στην συγκεκριμένη εργασία οι συσκευές εξειδικεύτηκαν για δυο συγκεκριμένες εφαρμογές στα πλαίσια της επιστήμης της σεισμολογίας. Η πρώτη υλοποιημένη συσκευή στοχεύει εφαρμογές έγκαιρης προειδοποίησης σε περίπτωση σεισμού, ενσωματώνοντας μόνο το απαραίτητο επιταχυνσιόμετρο καθώς και μία σειρήνα ειδοποίησης, καταφέρνοντας να λειτουργήσει με την ελάχιστη διαθέσιμη ενέργεια. Η δεύτερη υλοποιημένη συσκευή στοχεύει εφαρμογές παρακολούθησης της υγείας κτιρίων ή άλλων υποδομών. Είναι επίσης σε θέση να λαμβάνει και να μεταδίδει ασύρματα τις πραγματικές μετρήσεις της επιτάχυνσης, ενώ μπορεί να ρυθμίσει τις λειτουργίες της σε σχέση με την διαθέσιμη ενέργεια, εκμεταλλευόμενη το πλήρες εύρος ισχύος λειτουργίας του υλοποιημένου κυκλώματος συλλογής ενέργειας.Το τελευταίο μέρος αυτής της εργασίας είναι αφιερωμένο στα προβλήματα και τις δυσκολίες που εμφανίζονται κατά την μέτρηση της ισχύος εισόδου ή εξόδου μετατροπέων τάσης διακοπτικής λειτουργίας, παρουσιάζοντας ένα πρωτότυπο μετρητικό όργανο. Παραδοσιακά η μέτρηση της ισχύος υπολογίζεται από μετρήσεις τάσεως και ρεύματος. Λόγω της διακοπτικής λειτουργίας η ισχύς κατά την λειτουργία των μετατροπέων αντλείται από την είσοδο και αποδίδεται στην έξοδο όχι σε συνεχή μορφή, αλλά με την μορφή παλμών μικρής διάρκειας. Η ακριβής μέτρηση του ρεύματος με την μορφή παλμών γίνεται δυσκολότερη για τις χαμηλότερες συχνότητες ταλάντωσης του μετατροπέα και για τις μικρότερες τιμές ισχύος. Έτσι, προτείνεται η χρήση μιας εναλλακτικής μεθόδου υπολογισμού, η οποία έχει χρησιμοποιηθεί για μέτρηση της ισχύος κατανάλωσης ψηφιακών συστημάτων, και η οποία βασίζεται στην μέτρηση της διαφοράς στην τάση ενός πυκνωτή γνωστής χωρητικότητας. Σύμφωνα με αυτήν την μέθοδο, μια συγκεκριμένη διαφορά τάσης αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο ποσό ενέργειας, οπότε η μέση αντλούμενη ή αποδιδόμενη ισχύς μπορεί να υπολογιστεί αν η χρονική διάρκεια του φαινομένου είναι γνωστή. Το υλοποιημένο μετρητικό όργανο είναι εξειδικευμένο για την ακριβή μέτρηση της μέσης ισχύος εισόδου ή εξόδου μετατροπέων τάσης στο εργαστήριο. Η προτεινόμενη υλοποίηση απλοποιεί σε σημαντικό βαθμό την μέτρηση της ισχύος προσφέροντας υψηλής ακρίβειας μετρήσεις για τιμές ισχύος από 1 μW έως και μερικές δεκάδες mW.Συμπερασματικά, με την παρούσα διδακτορική διατριβή έγινε εφικτό να ξεπεραστούν οι υπάρχοντες περιορισμοί και οι αναγκαίοι συμβιβασμοί μεταξύ της κατανάλωσης και του εύρους ισχύος λειτουργίας κυκλωμάτων συλλογής ενέργειας, προτείνοντας μια νέα τοπολογία χαμηλής πολυπλοκότητας, χαμηλής κατανάλωσης μερικών μW και μεγάλου εύρους ισχύος εισόδου από μερικά μW έως και μερικά W. Επιπρόσθετα, η ηλεκτρομηχανική υλοποίηση κατάφερε να λειτουργήσει για μια εξαιρετικά χαμηλή τιμή τάσης εισόδου μερικών mV. Τέλος η υλοποίηση των δύο αυτόνομων συσκευών μέτρησης επιτάχυνσης, καθώς και η αξιολόγησή τους σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας επικύρωσε την αξία της προτεινόμενης τοπολογίας σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας.Μελλοντική εργασία περιλαμβάνει την περεταίρω βελτιστοποίηση των επί μέρους κυκλωμάτων και εξαρτημάτων, καθώς και την υλοποίηση της τοπολογίας σε ολοκληρωμένο κύκλωμα (chip), με στόχο ακόμα χαμηλότερη κατανάλωση και υψηλότερη απόδοση. Επίσης, είναι δυνατή η υλοποίηση και η σύγκριση διαφόρων λογικών ελέγχου, καθώς και η υλοποίηση αυτό-ταλάντωτων μετατροπέων διαφορετικού τύπου (πχ αυτό-ταλάντωτος μετατροπέας υποβιβασμού τάσης ή αυτό-ταλάντωτος μετατροπέας αντλίας φορτίου).