Power management circuits for ultra low-power systems

La domanda di apparecchiature elettroniche portatili sta aumentando nella vita di tutti i giorni e si estende su un numero illimitato di applicazioni, dall'elettronica di consumo (smartphone, laptop, ecc.), all'elettronica per applicazioni biomedicali (dispositivi indossabili e impiantabili), fino alle reti di sensori (dispositivi WSN e IOT). Questi sistemi, che sono intrinsecamente sistemi a segnali misti, richiedono un consumo energetico minimo per prolungare la durata del dispositivo e ridurre le dimensioni e il peso della batteria. La riduzione del consumo energetico prolunga la durata del dispositivo, ma, d’altra parte, non può garantire la completa indipendenza dei sistemi elettronici portatili. Pertanto, le tecniche di Energy Harvesting, che mirano a raccogliere energia dall'ambiente circostante, sono emerse come valide alternative per la ricarica o l'alimentazione di circuiti low power (LP) e ultra-low power (ULP). La sezione di gestione dell'alimentazione per i sistemi con batteria LP e ULP deve essere progettata sia per limitare il consumo di energia che per recuperare l'energia ambientale, in modo da estendere l'autonomia dei sistemi elettronici portatili. Questa tesi si concentra sullo studio della gestione dell'alimentazione per i sistemi a bassa potenza e a bassissima potenza, sulla progettazione e la realizzazione di un circuito harvester a radiofrequenza (RF) e di un riferimento di tensione programmabile ULP. In particolare, è stata condotta un'indagine sulla disponibilità di energia del campo elettromagnetico RF in diversi ambienti per valutare se questa fonte può ricaricare o alimentare direttamente nodi sensori integrati a bassissima potenza. La campagna di misure ha confermato che il campo RF è dipendente dall'ambiente, non controllabile e non è prevedibile. Tuttavia, le misure hanno anche dimostrato che in alcuni degli ambienti valutati è disponibile un considerevole livello di energia RF, che potrebbe essere raccolta per ricaricare un nodo del sensore a bassa potenza. Sulla base di queste misurazioni, è stato progettato e realizzato in tecnologia CMOS ST 65 nm un circuito harvester RF (HarvIC) per la gestione dell’alimentazione di un sensore di temperatura integrato con convertitore analogico-digitale.I risultati della simulazione a livello di transistor mostrano che l'architettura progettata può essere efficacemente utilizzata per recuperare energia in almeno due ambienti oggetto della campagna di misure RF. All'interno del sottosistema di gestione dell'alimentazione, i circuiti bandgap ULP devono garantire buone prestazioni in termini di coefficiente di temperatura e accuratezza di riferimento, con un consumo energetico di pochi nanowatt. Inoltre, i sistemi on chip richiedono valori diversi di tensioni di polarizzazione (ad esempio per implementare tecniche di progettazione a bassa potenza), quindi la possibilità di programmare il riferimento di tensione, con un consumo energetico limitato, potrebbe estendere drasticamente la versatilità e l'applicabilità del circuito bandgap in sistemi ULP. Sulla base di queste osservazioni, è stato progettato e realizzato in tecnologia CMOS TSMC 55 nm un innovativo circuito bandgap ULP, chiamato PVREF. PVREF fornisce quattro riferimenti di tensione, con un consumo di corrente inferiore a 30 nanoampere per riferimento, garantendo al tempo stesso grande programmabilità e limitata area di silicio. Il circuito PVREF può essere considerato un crossover tra riferimenti di tensione a bassissima potenza e riferimenti di tensione programmabili, con prestazioni notevoli rispetto allo stato dell'arte di entrambe le classi di circuiti. I nuovi sottosistemi descritti in questa tesi, HarvIC e PVREF, contribuiscono all'attuale tendenza di progettazione di sistemi di gestione dell'alimentazione per dispositivi ULP più efficienti e intelligenti. Inoltre, il loro design, come riportato in questa tesi, mostra l'importanza di attente tecniche di progettazione circuitale analogica al fine di ottenere livelli di prestazione ottimali.