Generatori di tensione integrati basati su condensatore commutato per applicazioni energy harvesting

I generatori di tensione integrati basati su condensatori commutati, noti anche come pompe di carica (CP), sono tra i più importanti elementi costitutivi delle memorie non volatili, poiché consentono di generare sul chip l'alta tensione necessaria per le operazioni di programmazione e di cancellazione (nell'ordine di decine di Volt) a partire dalla tensione di alimentazione d'ingresso, che può arrivare fino a 1V nelle applicazioni moderne. Più recentemente, con la proliferazione dei nodi di sensori a bassissima potenza impiegati nelle applicazioni Wireless Sensor Networks (WSNs), Wireless Body Networks (WBNs) e Internet-of-Things (IoT), che utilizzano sensori autoalimentati per raccogliere dati e condividerli con gli altri nodi, l'interesse per le CP è cresciuto in modo esponenziale. L'autonomia energetica dei nodi viene aumentata recuperando energia dall'ambiente (ambiente circostante o corpo) utilizzando diversi tipi di raccoglitori di energia, come celle fotovoltaiche, generatori termoelettrici e sensori vibrazionali. Tuttavia, a causa della forte dipendenza della loro tensione di uscita dalle condizioni operative, questi trasduttori sono spesso inadatti ad alimentare direttamente il carico. Per questo motivo, è obbligatorio utilizzare un circuito integrato di gestione dell'alimentazione (PMIC) per adattare i livelli di tensione e potenza con la massima efficienza di conversione. Tra le varie soluzioni, i PMIC basati su CP rappresentano una scelta ottimale per i sistemi totalmente integrati, poiché sono in grado di aumentare la bassa tensione all'uscita dell'energy harvester a un livello adatto ai circuiti analogici e/o digitali costituenti il nodo, senza utilizzare ingombranti induttori esterni al chip. I temi di progettazione, analisi, confronto e proposta di nuove topologie di pompe di carica idonee per applicazioni realizzate con tecnologie nanometriche sono stati al centro dell'attività di ricerca svolta in questa tesi. Lo scopo di questa tesi è fornire una profonda comprensione delle sfide della progettazione di generatori di tensione elevatori completamente integrati, nonché proporre nuove soluzioni ad alta efficienza energetica a livello transistore e micro-architetturale. Vengono fornite le basi teoriche per la comprensione delle analisi e dei risultati. Vengono presentate metodologie esaustive e sono incluse molte derivazioni analitiche, poiché consentono di approfondire le principali dipendenze dei parametri rilevanti dalle proprietà circuitali. Infine, diversi risultati, che sono stati ottenuti effettuando simulazioni e misurazioni su prototipi integrati sono riportati per enfatizzare la prospettiva pratica del lavoro.

Grantor dc:publisher

Università degli studi di Catania

Year dc:date

2021

Author dc:creator

• BALLO, ANDREA

Contributors dc:contributor

• GRASSO, ALFIO DARIO

• On-chip voltage generators, charge pumps, energy harvesting, switched capacitor circuits, on-chip power converter
• Generatori di tensione integrati, pompe di carica, energy harvesting, circuti a condensatori commutati, convertitori di potenza integrati

Statement dc:rights

• info:eu-repo/semantics/openAccess
• license:PUBBLICO - Pubblico con Copyright
• license uri:iris.PUB02

Language dc:language

ita

Handle dc:identifier

https://hdl.handle.net/20.500.11769/581342

OAI identifier oai:identifier

oai:www.iris.unict.it:20.500.11769/581342