Autonomie énergétique des systèmes communicants Wireless

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Wireless Energy Harvesting

WEH

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Bruno Froppier

Autonomie énergétique des systèmes communicants14 octobre 2014

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1. Contexte

Utilité de la récupération d’énergie

Compétitif au-delà de plusieurs années.

Faible puissance:100µW

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Énergie mécanique

Énergie électromagnétique

Énergie thermique

Énergie chimique

Système de récupération d’énergie

Gestion de la puissance

Capteur piézoélectriqueRésonateur mécanique

Cellule photovoltaïqueCapteur RF

Capteur à effet Seebeck Biotechnologie

Structure générale d’un système de récupération d’é nergie multi-sources

1. Contexte

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1. Contexte

50µW/cm²Effet

ThermoélectriqueEnergie Thermique

100µW/cm²Piézoélectrique

Capacitif, Electrets

Induction

Energie Mécanique

Photovoltaïque

EM solaire

Ondes électromagnétiques

ambiantes1µW/cm²

100mW/cm²Energie

Electromagnétique

100µW/cm² Vibrations

Capteur à faible puissance pas de ∆∆∆∆T

Surface, interruption

Faible surface, pas d’interruption, objets

cachés

ηηηη=44%S=5A/W

Dimensions nanométriques

Hybride

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A square meter of single-layer material can now produce as much as 300 Watt.

Générateur triboélectrique:

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Augmentation de la surface d’échange par nano-structuration

Puissance de sortie: 1.5W

Densité de puissance: 19mW/cm²

Rendement: 24%

Zhu, G. et al. Radial-arrayed rotary electrification for high performance triboelectric generator.Nat. Commun. 5:3426 doi: 10.1038/ncomms4426 (2014).http://www.news.gatech.edu/features/harvesting-worlds-mechanical-energy

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Comment caractériser un système WEH : Deux configurations possibles

Un accès à l’entrée du système redresseur est possible:

WEHPin

PDCVout

WEHPin

PDCVout

Pas de difficulté pour caractériser le rendement et la tension de sortie en fonction de la puissance d’entrée.

Système intégré: pas d’accès à la puissance d’entrée:

PDCVout

WEHPe d

Caractérisation en fonction de la densité de puissance.

2. Caractérisation, niveaux de puissance

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t

Tλ

Onde:

Une onde électromagnétique est une onde transversal e dont la source est une charge électrique animée d’un mouvem ent non

uniforme.


7

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Pe

d

Ge

Densité de puissance pR en [W/m²]

4 ²

L’antenne convertit cette densité de puissance en puissance à l’entrée du redresseur, en fonction de sa surface équivalente:

Ae

λ²4


[W]

8

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Dans cette configuration, le rendement et la tension de sortie sont exprimés en fonction de la densité de puissance au

niveau du système de récupération d’énergie.

La densité d’énergie est également reliée à la valeur du champ électrique/

²

Cela permet de faire le lien avec les normes d’émissions radiofréquences

377Ω Impédance d’onde

Exemple:

Pe=1W

Ge=3dBi

d=10mp=159nW/cm²

p=-38dBm/cm²

E=0,78V/m

p=1,59mW/m²


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E=41V/mp=0,45mW/cm²

E=58V/mp=0,9mW/cm²

E=61V/mp=1mW/cm²

ICNIRP(standard)

E=6V/mp=10µW/cm²

E=14V/mp=50µW/cm²

WHO(typique maximale)

Inférieur à 0,14V/m (5,2nW/cm² ) dans 50% des casInférieur à 3V/m (2,4 µW/cm²) dans 99% des casDes pics de 5V/m à 30V/m dans 0,1% des cas

COPIC(pratique)

Les émetteurs de radio, de télévision et de téléphonie mobile

Le four àmicro-onde

900MHz 1,8GHz 2,45GHz

Source

Fréquence

Niveau de puissance ambiant:


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Principe de la récupération d’énergie:

Conversion de fréquence à l’aide d’une non linéarité

id

vd

0 ! "# 0 ! "

"!1

2"²

²

"²! ⋯

Permet de définir le modèle équivalent de la diode

'( "

)

3. Récupération d’énergie EM

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La récupération d’énergie électromagnétique est div isée en deux grandes catégories:

Forte puissance: puissance d’entrée supérieure à 10 dBm:

La problématique principale est la robustesse de la diode (claquage)

Faible puissance: puissance d’entrée inférieure à -10 dBm

La problématique principale est le rendement.

Zone intermédiaire -10 dBm à 10dBm Dépend de la fréquence et des caractéristiques de la diode.

Les rendements sont souvent très élevés: ηηηη>80%

Les rendements sont faibles: ηηηη de 0,1% à 40%


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Visualisation des différentes zones dans le cas d’un e structure minimale:

Simulation réalisée avec ADS


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Niv

eau

harm

oniq

ue n

orm

alis

é en

fonc

tion

de P

out

DC

f0

Niv

eau

harm

oniq

ue n

orm

alis

é en

fonc

tion

de P

out

f1

f2

Pin=-30dBm

Pin=0dBm

Puissance équivalente sur 50 Ohms des harmoniques d u signal de sortie


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Spectre à -20 dBm d’une diode seule et d’un circuit permettant un rendement de 10%

Importance du filtrage pour maximiser le rendement


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Différentes topologies possibles

Série Parallèle

Doubleur de tension Greinacher

Pont

Vout: +ηηηη: ++

Vout: -ηηηη: +

Vout: +++ηηηη: -

Vout: +++ηηηη: -

Vout: ++ηηηη: -


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Choix de la diode

Forte puissance: Rs faible

Faible puissance:

1 ≪ +,-(,R/R0‘’haute fréquence’’ Rj la plus faible possible

‘’basse fréquence’’ 1 ≫ +,-(,R/R0 Rj grande mais difficulté d’adaptation

Les grandes tendancesFort courant de saturation.Faible capacité de jonctionFaible tension de seuil

Modélisation [5]:


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Choix de la diode

Diode HSMS-2820 HSMS- 2850 HSMS-2860 SMS76210 SMS7630 MA4E1317 MSS20-141BV[V)] 15 3.8 7 3 2 7Cj0 [pF] 0.7 0.18 0.18 0.1 0.14 0.02 0,08pFEG [eV] 0.69 0.69 0.69 0.69 0.69 0.69Is [A] 2.2E-8 3,00E-06 5,00E-08 4,00E-08 5,00E-06 1,00E-07N 1.08 1.06 1.08 1.05 1.05 1.5Rs [Ω] 6 25 5 12 20 4Vj [V] 0.65 0.35 0.65 0.51 0.34 0.323

Vf 340mV(If=1mA) 0.5V(If=10mA) 0.7V(If=30mA)

150mV (If=0.1mA)

250mV (If=1mA)

350mV (If=1mA)

0.6V (If=30mA)

260-320mV (If=1mA)

60-120mV (If=0.1mA) 135-240mV

(If=1mA)

700 mV (If=1mA)

150 mV

Power Level >-20dBm <-20dBm

Pin<-20dBm (freq>1.5GHz

) Pin>-20dBm

(freq>4GHz)FrequencyBand

RF <1.5GHz 915MHz-5.8GHz

40 GHz


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Design Rectenna à base d’uneantenne à

fentecirculaire

asymétrique

Rectenna à double

diodes avec filtrage

d’harmonique

Rectenna à base d’uneantenne à secteur

circulaire de rejet

d’harmoniques

Rectenna compact à

pont de diodes

Rectenna multicou-che avec des stubs

radiaux

Rectenna bi-bande à anneau

hybride à double fente

circulaire

Rectenna à base d’une

antennespirale

Rectenna avec

convertiseurDC/DC

Circuit

η 78% 83% 77,8% 52% 52% 10,5% 0,7% 8% à 20%

p 16,5mW/cm²(20dBm)

0,31mW/cm²(10dBm)

0,27mW/cm²(10dBm)

0,15mW/cm²

(8.66dBm)

53,2 µW/cm²(0dBm)

0,13 et 0,248 µW/cm²

(-20dBm)

3,55 nW/cm²

(-38dBm)

-10dBm

Fréq 2,45GHz 2,45GHz 2,4GHz 2,45GHz 2,45GHz 1,8 et 2,35 GHz

1,85GHz 2,45GHz

P forte puissance puissance

moyenne

faiblepuissance

faiblepuissance

faiblepuissance


Etat de l’art:

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Etat de l’art:

Towards Low-Power High-Efficiency RF and Microwave Energy Harvesting, Simon Hemour& al.


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Etude de cas:


Rectenna

2 1 3 455, .

Circuit d’adaptation:

Elément non linéaire

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Bande passante limitée en fréquence et en puissance

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Choix d’une adaptation simple stub:

Le maximum de transfert de puissance entre un générateur d’impédance interne ZGet une charge Z est réalisé lorsque Z=ZG

*.

Zg* Z

Zg

e

g

Adaptateur

d’impédance

On insert un quadripôle qui va transformer l’impédance de la charge pour qu’elle soit vue

optimale au niveau du générateur.

z

Im(ρ)

Re(ρ)

vers le générateur

vers la charge

Simple stub

Y

Abaque de Smith/ADS

ls

ll

ls

ll


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77 84@2: 76

84@:

Circuit redresseur complet:


Bernier FR4 εr=4,6 tanδ=0,02, h=1,58mm

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64mV

14%

3%

1,8%

HSMS-2860

Mesure:

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Problématique de l’intégration et du co-design:


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Pas d’outils permettant une simulation globale d’une rectenna.

Choix d’une antenne large bande à gain modéré

Conception sous HFSS Réponse en fréquence: 1GHz de bande passante

Gain: G=2,7dBi

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Intégration de l’antenne:

Intégration simple Suppression de la boucle DC externe

Solution non intégrée

-30% de surface

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Principe de mesure:

Cornet (2-18GHz, 5-18dBi)

Chambre anéchoïque

multimètre

Antenne

Servo- contrôleur

Coupleur

RedresseurROHDE&SCHWARZ analyseur de réseau

(10MHz…24GHz)

Amplificateur (2-4GHz, G: 35dB, Pout Max: 35dBm, 15V/3.5A)

Source DC

ROHDE&SCHWARZ capteur de puissance

(10MHz…18GHz, -47dBm…42dBm)

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Mesure:

210mV

137mV

34%

18%

31%

16%

-30 -20 -15,3 -13,3Puissance d’ entrée équivalente en dBm30%

2%

34% @ 1,3µW/cm²

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179mV

117mV

13%

23%

Définition d’un critère moyenVdc=82～～～～211mV η=5～～～～32%Vdc=145～～～～222mV η=15～～～～36%Vdc=51～～～～164mV η=2～～～～24%

Quelle est l’orientation du capteur?


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Et maintenant on fait quoi?

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4. Utilisation de l’énergie récupérée:

Niveau de puissance ambiant: Inférieure 2,4 µW/cm² dans 99% des cas

La récupération d’énergie RF ambiante fonctionne dans 1% des cas

Cas pratique:-17dBm 3µW

0,1V

LED 1,8V2mA

PLED=3.6mW

0dBm 245µW0,9V

Super Capacité 1F 5mJ 1,4s

405mJSuper Capacité 1F 112s

Temps de charge d’une heure environ

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Conversion DC/DCLTC3108-1 Ultralow Voltage Step-Up Converter

Démarrage: V in=123mV, IDC/DC= 35mA

Décrochage: V in=30mV, IDC/DC= 5mA

Soit 150µW absorbée

Pas adapté à la récupération EM ambiante

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Ultra-Low Power, Low Voltage DC-DC converter [8]


100mV-4µW

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5. Conclusion et Perspectives:

ηηηη=34% @ 1,3µW/cm² (-15,3dBm) / 1% des cas

ηηηη=2% @ 3,5nW/cm² (-38dBm) / 50% des cas

Conclusion:

Limitation due à la non linéarité de la diode

ZBR: Zero Bias Resistance

Haut rendement= faible ZBR

Perspectives:

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5. Conclusion et Perspectives:

Diode Spin:

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1. Power Converter for Energy Harvesting. Johan Henning Pedersen.

2. Contribution à la récupération de l’énergie électromagnétique ambiante pour les objets communicants autonomes. Yuwei Zhou, Thèse de Doctorat. Université Nantes 2013

3. Wireless Transmission of Power for Sensors in Context Aware Spaces Jorge UlisesMartinez Araiza, MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGYJune 2002 .

4. HSMS-285x Series Surface Mount Zero Bias Schottky Detector Diodes. Avago Technologies Data Sheet.

5. Zero Bias dectectors, for the RF Market, Hewlett-Packard’s

6. Towards Low-Power High-Efficiency RF and Microwave Energy Harvesting, Simon Hemour, Member, IEEE, YangpingZhao, Student Member, IEEE, Carlos Henrique Petzl Lorenz,

7. Dimitri Houssameddine, Yongsheng Gui, Can-Ming Hu, and Ke Wu, Fellow, IEEEIEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 62, NO. 4, APRIL 2014.

8. A multi-tone RF energy harvester in body sensor area network context Véronique Kuhn, Fabrice Seguin, Cyril Lahuec, Christian Person Lab-STICC - Telecom Bretagne 2013 Loughborough Antennas & Propagation Conference

9. Ultra-Low Power, Low Voltage, Autonomous Resonant DC-DC Converter for Wireless Sensors Salah-Eddine Adami, Nicolas Degrenne, Christian Vollaire, Bruno Allard AmpereLaboratory SATIE Lab

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Bibliographie:

Documents

Autonomie énergétique des systèmes communicants Wireless