A CMOS integrated voltage and power efficient AC/DC converter for energy harvesting applications

Abstract

In this paper, a fully CMOS integrated active AC/DC converter for energy harvesting applications is presented. The rectifier is realized in a standard 0.35 μm CMOS process without special process options. It works as a full wave rectifier and can be separated into two stages-one passive and one active. The active part is powered from the storage capacitor and consumes about 600 nA at 2 V supply. The input voltage amplitude range is between 1.25 and 3.75 V, and the operating frequency range is from 1 Hz to as much as several 100 kHz. The series voltage drop over the rectifier is less than 20 mV. Measurements in combination with an electromagnetic harvester show a significant increase in the achievable output voltage and power compared to a common, discrete Schottky diode rectifier. The measured efficiency of the rectifier is over 95%. Measurements show a negligible temperature influence on the output voltage between −40 • C and +125 • C.

An Active Voltage Doubling Rectifier with Unbalanced-Biased Comparators for Piezoelectric Energy Harvesters

“…Similarly, when V OS =V S(t6) -V S(t5) =V S(t7) -V S(t8) <0, as shown in Fig. 1 (b)(II), M S is turned on at t 6 and turned off at t 7 , instead of t 5 and t 8 . However, in this case, the negative offset voltage V OS does not lead the reverse current through the switch M S .…”

“…Therefore, a MOS switch is driven by a logic circuit which controls the 'on' and 'off' states according to the voltage difference across the switch itself [8]. The two-stage rectifier presented in [8], which consists of a negative voltage converter (NVC) and an active diode, can achieves about 95% power conversion efficiency (PCE) with input voltages ranging from 1.25 to 3.75 V. Niu D et al [9] make use of a bulk-driven comparator to improve rectifier sensitivity. This made it possible to achieve an input voltage of 0.28 V and a PCE around 90%.…”

“…To minimize the switch on-resistance, very large transistors are needed in the NVC, which means a larger die area and cost. In addition, the delay time and offset voltage introduced by the comparator in the active diode [8]- [10] causes a reverse leakage current, which in turn significantly reduces the PCE.…”

“…This rectifier shows a PCE of 90% when operated with a 200 Hz sinusoidal voltage having an amplitude equal to 1.5 V and a resistive load of 95 kΩ. Although the rectifiers in [8], [11], and [12] achieve a higher PCE, the minimum required input voltage amplitude is too high (larger than 1.0 V) to operate the rectifier in a micro-energy environment. The minimum input voltage amplitude is lower in [9] and [10].…”

Σχεδίαση Ολοκληρωμένων Μετατροπέων Ισχύος Ραδιοσυχνοτήτων (RF) Σε Ισχύ Συνεχούς (DC)

“…Όπως απεικονίζει η Εικόνα 6-2, το βασικό cell αποτελείται από δύο clamping circuits (AC signal level shifter / DC restorer) ή πιο αναλυτικά από ένα κύκλωµα µετατόπισης επιπέδου συνεχούς (DC-level shifter) δοµούµενο από το τρανζίστορ σε σύνδεση διόδου Μ1 και τον άνω πυκνωτή C (συχνά αναφερόµενο και ως τοπολογία Villard) και από έναν ανιχνευτή (φωρατή) κορυφής (peak detector) δοµούµενο από το άλλο MOS-Diode Μ2 µε τον κάτω πυκνωτή C. Έτσι το Μ1 αναγκάζει τον άνω C να φορτιστεί στην πολικότητα που δεικνύεται από τη δίοδο Μ1 και ο κάτω οπλισµός του πυκνωτή αυτού, θα έχει πια δυναµικό που θα κυµαίνεται µεταξύ µηδέν και της διπλάσιας από το πλάτος του εισερχόµενου RF σήµατος τιµής, συν την DC είσοδο or Adaptive Substrate biasing) ή προσαρµοστικής πόλωσης αυτού στις [58,71], µε τη χρήση δύο πρόσθετων NMOS ή PMOS συνδεδεµένων στο υπόστρωµα ώστε να το θέτουν στο κατάλληλο δυναµικό την κάθε στιγµή. Παρόλα αυτά στο κύκλωµα αυτό (Εικόνα 6-9), δεν αποτελεί και πολύ µεγάλο πρόβληµα το παραπάνω, διότι είναι σχεδόν ιδανική η σύνδεση του υποστρώµατος.…”