low-power step-up circuits for energy harvesting

Resumen

Debido al crecimiento significativo de la Internet de las cosas (IoT), los dispositivos vestibles y los sensores de bajo consumo están experimentando una demanda exponencial en diversas aplicaciones, que van desde el monitoreo ambiental hasta los sectores de la salud y el bienestar. La demanda de dispositivos y sensores autoalimentados, junto con la necesidad de métodos de fabricación más económicos, rápidos y sostenibles, está aumentando. Para abordar estos desafíos, la investigación actual sobre electrónica impresa allana el camino para el diseño de dispositivos de bajo costo y flexibles para aplicaciones de recolección de energía, convirtiéndose en una tecnología clave que permite desarrollar nuevas aplicaciones. La forma principal de obtener dispositivos autoalimentados es centrarse en la recolección de energía a través de fuentes de energía sostenibles, como termoeléctrica, solar, vibraciones, RF, triboeléctrica, etc. En aplicaciones de potencia suficientemente baja, estas fuentes de energía pueden incluso eliminar la necesidad de baterías, reduciendo aún más los costos de fabricación y la contaminación. En este trabajo de tesis, se explora el proceso de diseño de un circuito recolector de energía que pueda alimentar una aplicación de la vida real, así como los desafíos y beneficios de usar electrónica híbrida flexible para esta tarea. El proceso se aborda de manera holística, desde la introducción de los generadores termoeléctricos, hasta los convertidores DC-DC y los circuitos de arranque que conforman el núcleo del circuito recolector. En consecuencia, este trabajo de tesis presenta el diseño y optimización de un circuito flexible de sensado ambiental utilizando electrónica híbrida flexible. Además, presenta una topología novedosa de oscilador autoalimentado, con un voltaje de arranque menor a 10mV y una relación de conversión a la par con el estado del arte, que puede ser utilizado como etapa de arranque para circuitos más eficientes. Adicionalmente, este trabajo introduce una topología novedosa de convertidor DC-DC, diseñada para integrar el circuito oscilador como su etapa de arranque, con un voltaje de arranque alrededor de 100mV y la implementación de un método de Seguimiento del Punto de Máxima Potencia (MPPT) para una mayor eficiencia, con un voltaje de arranque menor que el de las alternativas comerciales. En conclusión, en este trabajo de tesis, se lograron diseños topológicos novedosos para la recolección de energía de baja potencia basados en Generadores Termoeléctricos (TEGs). Los resultados evidencian la importancia de un enfoque holístico desde el diseño electrónico hasta los procesos de fabricación y validación, para construir sistemas basados en TEG confiables y eficientes, lo cual es crucial para su adopción en aplicaciones reales.

Fecha de lectura	14 nov 2024
Idioma original	Inglés
Supervisor	Ana Moya Lara (Director/a) & Claudia Custodia Delgado Simao (Director/a)