A closed-loop regulated voltage UHF RF energy harvesting system for ultra-low voltage applications

Abstract

A coleta da energia presente no meio ambiente é uma estratégia promissora para alimentar dispositivos de ultra-baixa tensão (ULV) e substituir o uso de baterias. A substituição das baterias destes dispositivos é uma tarefa complexa, tornando necessária a utilização de fontes de energia alternativas. Dentre as fontes de energia disponíveis no ambiente, os sinais de RF destacam-se por possuirem uma grande disponibilidade com um escala de densidade de potência mais baixa, sendo adequados para alimentar dispositivos de potência ultra-baixa. No entando, a potência de RF que é coletada pela antena receptora não é constante, e como os dispositivos eletrônicos necessitam de uma tensão de alimentação constante, tais sistemas necessitam possuir a capacidade de coletar o sinal de RF e converter para uma tensão de saída DC estável e regulada. Assim, nesta dissertação, é apresentado um sistema completo de coleta de energia baseado em sinais de RF que fornece uma tensão de alimentação DC estável de 0.4 V para alimentar dispositivos de aplicações em ultra-baixa potência e ultra-baixa tensão. Um sistema de sintonização de impedância auto-inicializado em circuito fechado, baseado em transistores-shunt, é proposto e adotado para regular automaticamente a tensão de saída DC do sistema RF-EH. O sistema proposto é implementado à nivel de esquemático e layout num processo CMOS de 65 nm. A eficiência de conversão de energia (PCE) do RF-EH de circuito fechado, considerando resultado pós-layout, é de 50% a um baixo nível de potência de entrada de -15 dBm e uma frequência de 915 MHz, que gera 0.4 V de tensão de saída para uma carga de 10 kΩ. A solução proposta é implementada num chip com uma área efetiva de 0.045 μm2 e demostra capacidade para alimentar dispositivos de ultra-baixa tensão sem bateria com uma tensão de saída regulada de 0.4 V e potência na faixa de dezenas de μW. Palavras-chave: Coleta de energia, radiofrequência, processo CMOS, sem bateria.