Study, optimization and silicon implementation of a smart high-voltage conditioning circuit for electrostatic vibration energy harvesting system

La récupération de l'énergie des vibrations est un concept relativement nouveau qui peut être utilisé dans l'alimentation des dispositifs embarqués de puissance à micro-échelle avec l'énergie des vibrations omniprésentes dans l’environnement. Cette thèse contribue à une étude générale des récupérateurs de l'énergie des vibrations (REV) employant des transducteurs électrostatiques. Un REV électrostatique typique se compose d'un transducteur capacitif, de l'électronique de conditionnement et d’un élément de stockage. Ce travail se concentre sur l'examen du circuit de conditionnement auto-synchrone proposé en 2006 par le MIT, qui combine la pompe de charge à base de diodes et le convertisseur DC-DC inductif de type de flyback qui est entraîné par le commutateur. Cette architecture est très prometteuse car elle élimine la commande de grille précise des transistors utilisés dans les architectures synchrones, tandis qu'un commutateur unique se met en marche rarement. Cette thèse propose une analyse théorique du circuit de conditionnement. Nous avons développé un algorithme qui par commutation appropriée de flyback implémente la stratégie de conversion d'énergie optimale en tenant compte des pertes liées à la commutation. En ajoutant une fonction de calibration, le système devient adaptatif pour les fluctuations de l'environnement. Cette étude a été validée par la modélisation comportementale.Une autre contribution consiste en la réalisation de l'algorithme proposé au niveau du circuit CMOS. Les difficultés majeures de conception étaient liées à l'exigence de haute tension et à la priorité de la conception faible puissance. Nous avons conçu un contrôleur du commutateur haute tension de faible puissance en utilisant la technologie AMS035HV. Sa consommation varie entre quelques centaines de nanowatts et quelques microwatts, en fonction de nombreux facteurs - paramètres de vibrations externes, niveaux de tension de la pompe de charge, la fréquence de la commutation de commutateur, la fréquence de la fonction de calibration, etc.Nous avons également réalisé en silicium, fabriqué et testé un commutateur à haute tension avec une nouvelle architecture de l'élévateur de tension de faible puissance. En montant sur des composants discrets de la pompe de charge et du circuit de retour et en utilisant l'interrupteur conçu, nous avons caractérisé le fonctionnement large bande haute-tension du prototype de transducteur MEMS fabriqué à côté de cette thèse à l'ESIEE Paris. Lorsque le capteur est excité par des vibrations stochastiques ayant un niveau d'accélération de 0,8 g rms distribué dans la bande 110-170 Hz, jusqu'à 0,75 µW de la puissance nette a été récupérée.Vibration energy harvesting is a relatively new concept that can be used in powering micro-scale power embedded devices with the energy of vibrations omnipresent in the surrounding. This thesis contributes to a general study of vibration energy harvesters (VEHs) employing electrostatic transducers. A typical electrostatic VEH consists of a capacitive transducer, conditioning electronics and a storage element. This work is focused on investigations of the reported by MIT in 2006 auto-synchronous conditioning circuit, which combines the diode-based charge pump and the inductive flyback energy return driven by the switch. This architecture is very promising since it eliminates precise gate control of transistors employed in synchronous architectures, while a unique switch turns on rarely. This thesis addresses the theoretical analysis of the conditioning circuit. We developed an algorithm that by proper switching of the flyback allows the optimal energy conversion strategy taking into account the losses associated with the switching. By adding the calibration function, the system became adaptive to the fluctuations in the environment. This study was validated by the behavioral modeling. Another contribution consists in realization of the proposed algorithm on the circuit level. The major design difficulties were related to the high-voltage requirement and the low-power design priority. We designed a high-voltage analog controller of the switch using AMS035HV technology. Its power consumption varies between several hundred nanowatts and a few microwatts, depending on numerous factors - parameters of external vibrations, voltage levels of the charge pump, frequency of the flyback switching, frequency of calibration function, etc. We also implemented on silicon, fabricated and tested a high-voltage switch with a novel low power level-shifting driver. By mounting on discrete components the charge pump and flyback circuit and employing the proposed switch, we characterized the wideband high-voltage operation of the MEMS transducer prototype fabricated alongside this thesis in ESIEE Paris. When excited with stochastic vibrations having an acceleration level of 0.8 g rms distributed in the band 110-170 Hz, up to 0.75 µW of net electrical power has been harvested