Design of fully integrated milliwatt thermoelectric energy harvesting interface circuit for wireless body sensor networks

Kablosuz vücut sensörü ağları milyonlarca kronik rahatsızlığa sahip insanın hastane dışı tanı ve anormal durumların izlenmesi amacıyla oldukça önem kazanmıştır. Bu sensör ağlarına güç veren piller, hantal yapıları ve sınırlı enerji depolama yetenekleri nedeniyle ağların hareketlilik ve ömürlerine zarar verir. Bu nedenle bu tez çalışması vücut sıcaklığı ve termoelektrik jeneratörlerden yararlanıp nihai olarak bataryaların yerini almayı hedefleyen tamamen entegre bir arayüz devresinden 1 mW üzerinde bir çıkış gücü elde etmeyi amaçlar. Cadence IC dizayn yazılımı kullanılarak tasarlanan standart 180nm CMOS devresi önceden dizayn edilen giriş voltajını dört katına çıkaran bir osilatör konsepti, şarj pompası temelli bir DC-DC dönüştürücü ve bir maksimum güç takibi devresinden oluşur. Mevcut bir termoelektrik jenaratör (TEJ) elektriksel modeli kullanılarak elde edilen simülasyon verilerine göre, DC-DC dönüştürücü 500 mV TEJ voltajında 37% verimlilik ile 2V çıkış voltajı ve 1.50 mW çıkış gücü sağlayabilir. Dönüştürücünün minimum başlangıç voltajı tasarım sonrası simülasyonlarda 92 mV olarak bulunmuştur. DC-DC dönüştürücü ve MPPT devresinden oluşan tamamen özerk arayüz devresi 500 mV TEJ voltajı ile 1.5V çıkış voltajı ve 1.24 mW çıkış gücü sağlar. Aynı koşullarda, arayüz devresi verimliliği %20 olarak kaydedilmiştir. Optimize edilen arayüz devresi rahatlıkla kablosuz vücut sensör ağlaraını aktive etmek için kullanılabilir ve bataryasız sensör devrelerinin operasyonunu etkinleştirebilir.