A self-startup ultra-low-voltage boost converter for thermal energy harvesting

Abstract

Esta tese apresenta a análise e implementação de um conversor DC-DC operando em ultra baixa tensão para aplicações em colheita de energia térmica. O projeto foca na redução da mínima tensão de entrada para autoinicialização e operação do conversor elevador de tensão indutivo, bem como na melhoria da eficiência em toda faixa de tensão de entrada. O conversor elevador de tensão indutivo é analisado e equações de projeto são fornecidas considerando a operação em ultra-baixa tensão de entrada, onde as não-idealidades características de operação com disponibilidade de potência restrita são contabilizadas. A inicialização do conversor é realizada por um mecanismo composto de um oscilador em anel com excursão ampliada e um retificador. Com o intuito de minimizar a tensão de inicialização do sistema, uma metodologia de co-projeto para o oscilador e o retificador é proposta, bem como a implementação de um conversor elevador de tensão que utiliza a chave do ramo inferior com largura variável. O sistema de chaveamento em corrente zero proposto introduz escalamento não linear para modulação do pulso que controla o tempo de descarga do indutor do conversor elevador de tensão, incrementando a eficiência para baixas tensões de entrada. As expressões derivadas para a definição do atraso de medição do esquema de chaveamento em corrente zero aumentam a acurácia da detecção do cruzamento da corrente por zero, maximizando a eficiência de conversão. Resultados experimentais mostram avanços na mínima tensão requerida para inicialização do conversor elevador de tensão quando comparado ao atual estado da arte. O conversor inicializa para uma tensão de apenas 11 mV, proporcionado operação em regime permanente para tensões de entrada de até 7,3 mV. A eficiência é superior a 50% para tensões de entrada superiores a 10,5 mV. Os resultados obtidos possibilitam o uso do conversor para operação independente e contínua a partir de gradientes de temperatura da ordem de 1 °C.

Abstract: This thesis describes the analysis and implementation of a DC-DC converter for ultra low voltage thermal energy harvesting applications. The design focuses on the reduction of the minimum input voltage to achieve self-startup and operation of the inductive boost converter, as well as on the improvement of the end-to-end efficiency throughout the input voltage range. The inductive boost converter is analyzed and design equations are provided considering the operation under ultra-low input voltages, where the non-idealities which arise under restricted power availability are taken into account. The startup of the converter is achieved by an auxiliary cold starter comprised of an enhanced-swing ring oscillator and a rectifier. In order to minimize the system startup voltage, a co-design methodology for the oscillator and the rectifier is proposed as well as the implementation of a boost converter using a low-side switch with variable width. The proposed zero-current switching scheme introduces non-linear time scaling for the modulation of the pulse that controls the boost inductor discharging time, which results in higher efficiency at low input voltages. The expression derived for setting the measurement delay of the zero-current-switching scheme increases the accuracy of the zero-current-crossing detection, improving the conversion efficiency. Experimental results show an improvement in the minimum startup voltage of the boost converter when compared to the current state-of-the-art devices. The converter starts up from an input voltage of only 11 mV and provides steady-state operation for input voltages as low as 7.3 mV. The end-to-end efficiency is higher than 50% for voltages above 10.5 mV. The results achieved enable the use of the converter for autonomous and uninterrupted operation from temperature gradients of the order of 1 °C.