Design of fully integrated switched-capacitor step-up converters for energy harvesting applications

Lo scopo di questa tesi di dottorato è lo studio dei circuiti di conversione DC-DC step-up e la progettazione di un convertitore per applicazioni di micro-energy harvesting. Questa tesi è concentrata sulle soluzioni a condensatori commutati, per la loro facilità di integrazione che implica un minore ingombro e di conseguenza costi minori. Per i convertitori DC-DC a condensatori commutati, abbiamo sviluppato un modello che consente di valutare l’efficienza di conversione di diverse soluzioni circuitali. In questa tesi presentiamo un convertitore step-up DC-DC a condensatori commutati, totalmente integrato che lavora con basse tensioni di ingresso, per applicazioni di micro-energy harvesting. La soluzione proposta presenta sia un rapporto di conversione alto e una corrispondente efficienza elevata. Il circuito è stato implementato con un processo CMOS a 55-nm della TSMC. Le misure dimostrano che il circuito può funziona con una tensione di ingresso di soli 220 mV, fornendo in uscita una tensione di 1.9 V ed una potenza di 10.45 μW con una efficienza del 37.4%. Il confronto con altri lavori disponibili in letteratura su convertitori step-up per applicazioni di energy harvesting nel range di potenze del μW dimostra che il convertitore proposto presenta il rapporto di conversione più alto con tensioni di ingresso inferiori ai 250 mV. Il convertitore è stato testato anche con un generatore termoelettrico disponibile in commercio e con un ricetrasmettitore beacon Bluetooth Low Energy. Il risultato del test ha dimostrato che il convertitore riesce ad alimentare in maniera continua il beacon con soli 3.5°C di differenza di temperatura tra il piatto caldo e freddo del generatore termoelettrico.