Description
Date depot: 5 avril 2024
Titre: CMOS integrated smart adaptive switched-capacitive converters for low power bateryless energy sources
Directeur de thèse:
Dimitri GALAYKO (LIP6)
Domaine scientifique: Sciences pour l'ingénieur
Thématique CNRS : Systèmes et architectures intégrés matériel-logiciel
Resumé: L'alimentation durable en énergie des dispositifs autonomes de faible puissance tels que les implants médicaux, les capteurs abandonnés ou les appareils portable "body area network", est un sujet de recherche actif dans le domaine de la microélectronique . L'utilisation de piles pour de tels dispositifs n'est pas toujours pratique, car celles-ci nécessitent un entretien et un remplacement. En alternative, l'énergie d'alimentation peut provenir de l'environnement (vibrations, RF, gradient de température) ou d'un dispositif d'alimentation à distance (RF, ondes magnétiques ou acoustiques). Le projet de thèse proposé sera basé sur l'expertise développée dans l'équipe CIAN dans la conception des interfaces intégrées pour les sources d'énergie miniatures. Son objectif sera le développement d'un convertisseur DC-DC basé sur des circuits intégrés à capacité commutée ayant les caractéristiques suivantes :
- Polyvalence : la tension d'entrée de la source d'énergie n'est pas stable et dépend des conditions environnementales (par exemple, l'amplitude des vibrations). La tension de sortie doit être fixe : cela nécessite un convertisseur DC-DC à gain variable, ce qui constitue un défi pour les circuits à capacité commutée.
- Faible consommation d'énergie (faible surcharge en puissance) : cela est nécessaire pour le fonctionnement avec des sources ne produisant que quelques dizaines de microwatts.
- Compatibilité avec les sources à haute tension : cela nécessite l'utilisation de technologies CMOS haute tension spécifiques.
- Programmabilité et adaptabilité : une technique MPPT (Maximum Power Point Tracking) devrait être utilisée.
Un point original de ce projet consiste à concevoir un émulateur d'inductance implémenté avec des réseaux à capacité commutée. Une telle structure peut être efficacement utilisée dans une gamme d'applications visant à conditionner de manière optimale les récupérateurs d'énergie à transducteurs capacitifs. Une telle émulation n'a jamais été mise en œuvre et représente un point innovant du projet de thèse proposé. Ce projet utilisera la base de données technologique publiquement disponible fournie par Cadence, connue sous le nom de Skywater 130nm Design Kit. En collaboration avec des outils de CAO open-source tels que Magic, XSchem et Coriolis, certains des blocs conçus pour le projet enrichiront la bibliothèque publiquement disponible des blocs couramment utilisés dans les convertisseurs de puissance, contribuant ainsi à la communauté mondiale de l'Open Hardware en microélectronique.
Résumé dans une autre langue: Sustainable power supply of low power autonomous devices such as medical implant, abandoned sensors, body area network device is a subject of active research in the field of microelectronic and microtechnologies. Use of batteries for such devices is not always convenient, since a battery needs a maintenance and a replacement. As an alternative, the supply energy can come from the environment (vibrations, RF, temperature gradient) or from a remote powering device (RF, magnetic or acoustic waves). The proposed PhD project will be based on this expertise developed in the CIAN team in the design of integrated interfaces for small power energy sources. Its goal will be a development of DC-DC converter based on integrated switched-capacitor circuits having the following features: Versatility: the input voltage of the energy source is not stable and depends on the environment conditions (for instance, the amplitude of vibrations). The output voltage is expected to be fixed: that requires a DC-DC convertor with variable gain, and that is a challenge for switched-capacitor circuits Low power consumption (low power overhead): this is required for operation with sources generating only few tens of microwatts. Compatibility with high voltage sources: that require a use of specific high-voltage CMOS technologies Programmability and adaptability: a MPPT (Maximum Power Point Tracking) technique should be employed. A particular interest for our research project represents an emulator of an inductor implemented with switched-capacitor networks. Such a structure can be efficiently used in a range of applications addressing optimal conditioning of capacitive harvesters. Such an emulation has never been implemented and represents an innovative point of the proposed PhD project. This project will use the publicly available technology database provided by Cadence, known as Skywater 130nm Design Kit. Together with open-source CAD tools such as Magic, XSchem, and Coriolis, some of the blocks designed for the project will enrich the publicly available library of the blocks commonly used in power converters, so contributing to the world community of Open Hardware in microelectronics.